[发明专利]一种液位光电传感器及液面高度测量方法

说明书

本申请属于光电传感技术领域，公开了一种液位光电传感器及液面高度测量方法，光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器；当液位升高时，因全反射收集进光电探测器的光强减小，当液位下降时，因全反射收集进光电探测器的光强增大，因此可通过光电探测器采集的光强实现对液位的实时传感测量。本申请的液位光电传感器结构简单、反应灵敏度高，可实时定量测量液面高度以及液面变化量。

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，涉及一种液位光电传感器。

背景技术

油箱、水箱等液体容器中的液位高度是重要的工作参数之一，为了保证供油装置或供水装置正常运行，需要对液体容器内部的液面高度进行监测。因此液位传感在化工加工、燃料储存和运输系统等工业应用中起着至关重要的作用。

光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发的接触式点液位测控装置。它具有结构简单，定位精度高；没有机械部件，不需调试；灵敏度高及耐腐蚀；耗电少；体积小等诸多优点而受到市场的逐渐认可。

现有光电液位传感器产品内部包含一个近红外发光二极管和一个光敏接收器；发光二极管所发出的光被导入传感器顶部的透镜；当液体浸没光电液位开关的透镜时，则光折射到液体中，从而使接收器收不到或只能接收到少量光线。光电液位开关通过感应这一工况变化，接收器可以驱动内部的电气开关，从而启动外部报警或控制电路。如果没有液体，则发光二极管发出的光直接从透镜反射回接收器。

现有光电液位传感器只能对液体浸没透镜与未浸没透镜的状态做出响应，并不能传感液位实时高度，以及液位变化量做出定量传感。在一些需要高精度检测液面实时高度的场景中，现有方案并不能胜任。

发明内容

为解决背景技术中指出的问题，采取如下技术方案：

一种液位光电传感器，包含光源、准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜、光电探测器；三棱镜的横截面为等腰直角三角形，三棱镜的三个光学面分别为第一平面、第二平面、斜面，其中第一平面位于三棱镜底部，第二平面竖直向下并与第一平面相互垂直；

光源发出的光通过准直扩束透镜后被调制为平行光，平行光以竖直向上的方向从第一平面垂直射入三棱镜内部；入射至所述斜面的待测液位面以下的平行光透射出三棱镜，入射至所述斜面的待测液位面以上的平行光在斜面处发生全反射；发生全反射的反射光通过聚焦透镜后入射至光电探测器。当液位升高时，因全反射收集进光电探测器的光强减小，当液位下降时，因全反射收集进光电探测器的光强增大，因此可通过光电探测器采集的光强实现对液位的实时传感测量。

所述的光源包括：LED或半导体激光器。本方案的光源可选用普通的LED光源，也可选用半导体激光器光源，成本低。

准直扩束透镜包括：所述的准直扩束透镜由第一汇聚透镜和第二汇聚透镜组成，第一汇聚透镜的像方焦点与第二汇聚透镜的物方焦点重合。第一汇聚透镜将入射的光束聚焦成球面波，通过共焦设置的第二汇聚透镜将球面波调整成平面波，从而实现对入光束的扩束及准直。

进一步的，第一汇聚透镜的像方焦点处设置有小孔滤波器。小孔滤波器用于滤除杂散光。

进一步的，三棱镜材质选用亚克力塑料、光学树脂、玻璃之一。亚克力材料具有较低的成本，制备工艺也最简单；光学树脂密度小，折射率较均匀；玻璃具有较好的折射率均匀性以及耐磨性能。

进一步方案为：准直扩束透镜与第一平面胶合，聚焦透镜与第二平面胶合。

优选方案为：所述准直扩束透镜以及所述聚焦透镜均选用平凸透镜。平凸透镜中包含平面可便捷地与三棱镜组成胶合体，结构紧凑。选用光学树脂或亚克力材质时可以使用模压工艺批量化获得准直扩束透镜、三棱镜、聚焦透镜三者胶合体结构。