一种光电式液位测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高区分度的光电式液位测量装置，属于光电检测技术领域，其包括导光板、光源和斜耦合透镜，光源为激光，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，导光微结构对光束具有较强散射作用，且能有效破坏光在导光板采光面的全反射，导光板入射面用于供激光光源入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，斜耦合透镜用于使激光光源以设定的角度入射至导光板内。本发明专利技术测量装置结构简单，过程区分明显，元器件价格低廉，测量精确可靠，维护方便。

A Photoelectric Liquid Level Measuring Device and Method

The invention discloses a photoelectric liquid level measuring device with high discrimination, belonging to the field of photoelectric detection technology, which comprises a light guide plate, a light source and an oblique coupling lens. The light source is a laser, the light guide plate is used for contacting or adjacent to the liquid phase of the liquid level to be measured, the light guide plate is a solid whole and can transmit light, and the liquid level surface of the light guide plate is used for contacting or adjacent to the liquid phase of the liquid level to be measured. The liquid level line to be measured is located in the liquid level plane of the light guide plate, and the light guide micro-structure is set at the light-collecting surface of the light guide plate. The light guide micro-structure has strong scattering effect on the light beam, and can effectively destroy the total reflection of light on the light guide plate. The incident surface of the light guide plate is used to incident the light source into the light guide plate. The light guide plate has absorbability or transmittance at the exit surface of the light guide plate. The oblique coupling lens is used to make the laser light source incident into the light guide plate at a set angle. The measuring device of the invention has the advantages of simple structure, obvious process differentiation, low cost of components, accurate and reliable measurement and convenient maintenance.

【技术实现步骤摘要】
一种光电式液位测量装置及方法
本专利技术属于光电检测
，具体涉及一种光电式高精度抗干扰性强的液位测量方法及装置。
技术介绍
液位测量在生物，化学加工制备，燃料监测等领域中有很广泛的应用，现有的液位测量系统按原理分类主要包含电容式，超声波式和光纤式。电容液位测量系统的基本原理为：电容两电极之间的填充液体会导致电容改变，通过测量浸入液体电容器的电容大小即可得到液位高。电容液位测量应用有较大的局限性，存在测量易受电磁干扰，必须将电容浸入液体中测量，测量装置易被腐蚀，无法测量易燃易爆液体等缺点。超声波液位测量利用超声波传感器探测液体表面反射回波传输的时间来测量液位，由于声波的传播速度较快，且除了液体表面以外还存在其他的反射回波，所以，超声波液位测量难以实现高精度稳定液位测量。且声速受到密度，压力，温度等因素影响，无法适应多变环境。近年来，随着光纤传感器的快速发展，光纤在液位测量领域的应用也越来越热门，光纤式液位测量通过将特殊光纤浸入液体时有效折射率发生变化来检测液位，如利用各种光纤光栅在液体中有效折射率改变导致光纤光栅中心波长飘移来测量液位，虽然光纤液位测量相比之前的液位测量方法有一定的优势，如可测量易燃易爆液体，抗电磁干扰，但是还是存在一些缺点，如必须浸入液体测量，难以适应不同折射率液体，需要光谱仪导致成本较高，不方便维护等。因此，需要开发出一种新型的液位检测装置或者方法，要求其使用方便、测量精确、成本低廉、维护方便。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光电式液位测量装置及方法，其目的在于，基于已有的光学原理，利用导光板设计一种新型的光电式液位测量装置，其结构简单，元器件价格低廉，测量精确可靠，维护方便，使用便利，能较好地在工程实践中运用。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种高区分度的光电式液位测量装置，其包括导光板、光源和斜耦合透镜，其中，光源为激光，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，导光微结构对光束具有较强散射作用，且能有效破坏光在导光板采光面的全反射，所述导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供激光光源入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射，斜耦合透镜设置在导光板入射面附近，用于使激光光源以设定的角度入射至导光板内，激光发散角小从而在导光板接触液体时由于全反射临界角改变而使绝大部分激光都出射到液体中。进一步的，工作时，激光向导光板入射光束，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使大部分光束在导光板液位面接触液体处折射进液体，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位。进一步的，所述导光微结构为凹陷或者突起散射网点或刻线结构，其对光束具有较强散射作用，且能够有效破坏光在采光面的全反射。进一步的，所述导光板材质为透明导光介质。进一步的，所述斜耦合透镜为三角棱镜。进一步的，所述导光板为矩形体状，其两个最大的面分别为导光板液位面和导光板采光面。进一步的，所述导光板的材质为有机玻璃。进一步的，其还包括聚光柱透镜，所述聚光柱透镜设置在导光板采光面相对处，以用于收集从导光板采光面出射的光场，同时还用于将采光面同一水平线上的光束汇聚。进一步的，其还包括滤光片、阵列光电检测器件和信号采集处理单元，所述滤光片设置在聚光柱透镜出射光方向上，用于滤除杂散光，所述阵列光电检测器件用于采集从滤光片出射的带有液位信号的光线并将其转化为电信号，所述信号采集处理单元用于采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。进一步的，所述聚光柱透镜、所述滤光片、所述阵列光电检测器分别具有多个，多个聚光柱透镜、多个滤光片、多个阵列光电检测器均各自依次串联，以扩大各自量程。本专利技术的工作原理为：光源发出光从上侧面(导光板入射面)入射导光板，当导光板背面(导光板液位面)与空气接触时，光在导光板内从上至下传输，大部分在导光板反面(无导光微结构一面，也即导光板液位面)发生全反射，同时由于导光板正面的导光微结构的存在，光线从导光板正面均匀出射。当导光板背面与液体接触时，由于液体折射率较大，破坏光线在导光板反面的全反射，光会从导光板液位面折射到液体中，导致在导光板内接触液体的部分和接触空气的部分有较大的光强差，该光强变化特性同样会出现在导光板正面(也即导光板采光面)出射光中，正面出射光通过聚光透镜和滤光片后被阵列光电检测器件接收，最后数据采集与处理单元通过检测出射光光强变化位置计算出液位。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：光线在固体内部传播，不易受外界环境因素和液体表面波动干扰；利用液体和空气折射率差异较大进行液位测量，对不同折射率液体适用性好；与液体接触的导光板背面是一个有机玻璃平面，方便清洁维护；液位测量的精度和量程只限制于阵列光电检测器件的像素大小，选用合适的阵列光电检测器件能够实现高精度液位测量；本专利技术的液位测量系统装置结构简单，只包括光源、导光板、聚光透镜、滤光片、阵列光电检测器件和信号采集处理单元，以上器件成本低。附图说明图1为本专利技术所述液位测量装置核心组成部分的结构示意图；图2为本专利技术实施例中所述液位测量装置光源从导光板左侧面或右侧面入射的光路结构示意图；图3为本专利技术所述液位测量装置实际应用的一种结构示意图；图4本专利技术所述液位测量装置使用激光光源的一种实施例结构示意图；图5为本专利技术所述液位测量装置扩展量程的一种结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供一种光电式液位测量装置，其包括导光板，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，用于将导光板内的传输的光导出至导光板外，在不同于导光板液位面和不同于导光板采光面的地方向导光板入射光束，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位。导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供外界测量光束入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射。其中，导光微结构为凹陷或者突起状的散射网点，或者为刻线结构，其对光束具有较强散射作用，且能够有效破坏光在采光面的全反射。导光板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高区分度的光电式液位测量装置，其特征在于，其包括导光板、光源和斜耦合透镜，其中，光源为激光，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，导光微结构对光束具有较强散射作用，且能有效破坏光在导光板采光面的全反射，所述导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供激光光源入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射，斜耦合透镜设置在导光板入射面附近，用于使激光光源以设定的角度入射至导光板内，激光发散角小从而在导光板接触液体时由于全反射临界角改变而使较多激光都出射到液体中。

【技术特征摘要】
1.一种高区分度的光电式液位测量装置，其特征在于，其包括导光板、光源和斜耦合透镜，其中，光源为激光，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，导光微结构对光束具有较强散射作用，且能有效破坏光在导光板采光面的全反射，所述导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供激光光源入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射，斜耦合透镜设置在导光板入射面附近，用于使激光光源以设定的角度入射至导光板内，激光发散角小从而在导光板接触液体时由于全反射临界角改变而使较多激光都出射到液体中。2.如权利要求1所述的一种高区分度的光电式液位测量装置，其特征在于，工作时，激光向导光板入射光束，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使较多光束在导光板液位面接触液体处折射进液体，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位。3.如权利要求2所述的一种高区分度的光电式液位测量装置，其特征在于，所述导光微结构为凹陷或者突起散射网点或刻线结构，其对光束具有较强散射作用，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文平，聂仁皇，杨克成，夏珉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42