光电传感器控制液面高度.docx

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光电传感器控制液面高度

成绩评定表

学生姓名

华婷婷

班级学号

1009020106

专业

光信息科学与技术

课程设计题目

光电检测控制液面高度

评

语

组长签字：

成绩

日期

20年月日

课程设计（论文）任务书

学院

理学院

专业

光信息科学与技术

学生姓名

华婷婷

班级学号

1009020106

课程名称

光电检测原理与技术课程设计

课程设计

（论文）题目

光电传感控制液面高度

设计目的：

了解光电检测的基本原理与方法，掌握一种光电传感控制液面高度

的设计方法。

设计任务：

利用光敏二极管，设计光电传感装置，如果液面高度超标，则自动报警。

设计要求（技术参数）：

（1）选择恰当的光电检测方法；

（2）设计测量系统原理图、电路图；

（3）阐明工作原理，说明其优、缺点；

（4）完成课程设计论文。

计划与进度安排：

时间：

七～八周，具体安排如下：

（1）理解题目要求，查阅资料，确定设计方案：

3天；

（2）设计与绘制原理图、电路图：

5天；

（3）调整方案：

2天；

（4）撰写说明书：

4天；

（5）答辩：

1天。

成绩：

指导教师（签字）：

年月日

专业负责人（签字）：

年月日

主管院长（签字）：

年月日

引言............................................................................................................................................2

引言

随着现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化、智能化的光电系统得到进一步发展，形成了包括光学、精密机械、电子学和计算机科学的高度知识集中的新科学一光学精密机械电子学。

现在，光电技术已广泛的应用于工业、农业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等各领域。

在这些应用领域中，几乎都涉及到将光辐射信息转化成电信息的问题，即光辐射检测问题。

因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。

光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷信息的光辐射进行检测，即通过光电检测期间接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量等参数。

因此，光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一，是计量检测技术的一个重要的发展方向。

光电传感控制液面高度采用光纤传感与计算机技术相结合，研究一种实时液位测量系统。

测量原理为光源发出的光由发送光纤传输到被测液体的表面，反射回来的光由接收光纤接收，其光强量与光纤端面距液面高度有关，接收光纤传输的光信号进入光纤放大器，实现对信号的放大，再由光电转换器件将放大后的信号转变为电信号，进行信号采集和数据处理。

采用光纤传感测量液面高度变化同传统液位测量相比，精度从几毫米提高到了几微米。

关键词：

液面高度、实时测量、光纤传感、光纤发达器

测量原理

工业中液位测量非常普遍，如化工、石油等企业总是有许多贮放液体的储槽、容器需要测定液位。

液位反映储量，准确的液位测量是实现生产与过程控制的重要参数。

实时测量和记录液位十分重要。

液位测量的准确性、便捷性反映了管理的水平。

传统的液位测量是靠人工操作，随着一些行业对液位的测量提出准确度更高的要求，大多数液位测量采用各种自动化测量仪表进行，如压力式、电容式、电导式、超声波式、浮子式和雷达式等液位测量仪表，其测量水平已达到较高的自动化程度和测量精度，但安全性不高。

近年来，随着计算机、光纤、传感器等高新技术的不断发展，有关光纤液位传感系统应用于液位测量的实例很多，光纤液位传感器由于具有无电源、灵敏度高、抗腐蚀和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于各个行业。

鉴于某些液体的腐蚀性、挥发性以及对精度的要求，设计一个高效、精确、非接触式的液位测量系统很有必要，该系统能实时检测液面高度的变化。

根据被测液体的特殊性，采用表面反射式液位传感器。

利用非接触的表面反射光束来测量液位。

通过入射到液面上的一束光的反射光强，来检测光束的入射位置。

表面反射式液位传感器结构简单，设计灵活，性能可靠，造价低廉，容易实现多种物理量的测量。

然而也有其不足之处：

对光源、光纤、反射表面反射率、光在光纤中的传输损耗等变化非常敏感，从而引起较大的测量误差。

因此，在测量精度和稳定性要求较高的情况下，必须采用相应的措施，以减小或消除以上因素带来的误差。

光源S发出的光经过发送光纤照射到反射面，反射光再进入接收光纤，最后输出由光电探测器D接收。

当反射面相对于光纤端面的距离d（液位）发生变化时，反射回接收光纤的光强也会发生变化，在其它参数固定不变的情况下，探测器接收到的光功率P大小取决于距离d（液位）。

光强调制系数M为接收光纤接收的光功率与发送光纤发送的光功率之比，光强调制系数M反映传感器的特性。

（如图所示）

由Beckmann散射理论可知，发送光纤出射的光在反射面上的光场由镜反射和漫反射两部分组成，其中反射项遵守几何光学原理；漫反射项较复杂，除与表面粗糙度有关外，还与加工方法（刀痕形状）、材质、表面曲率等许多因素有关。

图中的阴影部分I代表漫反射损耗部分，此时的漫散射角大于接收光纤的接收角，这部分的散射光不能被接收光纤接收；阴影部分II代表漫反射有效部分，此时的漫散射角小于接收角，这部分的散射光对接收光有贡献。

因此在位移的变化过程中，实际的输出特性将从理想特性曲线A变到实际曲线B。

发送光纤和接收光纤都为阶跃型折射率分布，之间的距离为a，数值孔径为NA，纤芯半径为r，d为光纤到液面的距离。

d0为起始距离，d当小于d0时，由于接收光纤接收不到反射光，所以【0，d0】被称为死区。

其中

当

光强度I0与光纤到液面的距离d可以按照近似指数关系处理。

其数学模型为光强度I0与距离d可以按照近似指数关系处理。

其数学模型为

（1）

其中A，B为常数。

系统结构

基于光纤传感器的液面高度测量系统由光源、光纤传感头、光电转换器件等部分组成，系统结构如图所示。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

0

光源发出的光通过耦合被光纤耦合器接收。

通过FC光纤连接头和光纤相连，通过发送光纤投射到液面上，接收光纤接收液面反射回的光。

在发送光纤和接收光纤传感头端面上做成半圆型自聚焦透镜。

自聚焦透镜的作用是将发送光纤发出的光校准，然后投射到液面。

液面反射回的光被自聚焦透镜收集进入接收光纤。

用光电转换器件把光信号转换成电信号，在信号处理电路中通过反射光与参考光相除可以有效消除外界干扰和环境变化对测量距离值的影响。

除法器的输出经过自然对数和指数变换器从而获得信号处理器的输出与被测距离之间的线性关系。

采用光电转换器件光电二极管PD测光电流，当PD工作在光电导模式下时，I/V变换器的输出电压V与光电流I0成线性关系，即满足下面的关系式：

（2）

式中，V为光电变换系统I/V的输出，I0为I/V变换系统的输入光电流，R为光电变换系数。

联立方程

（1）和

（2）得

（3）

对式（3）两边取对数线性化

（4）

令

则（4）式变为

（5）

其中，系数

是常数，通过实验数据并利用origin软件拟合曲线可得。

其中拟合直线如图所示。

误差分析

光纤传感头采用单点测量，由于液面中温度的不均匀性会引起一定的误差。

当光纤传感头处于高温段，其发射率迅速减小，光强度I0与输出光纤到液面的距离d不会按照近似指数关系亦会引起误差。

LED驱动光源的温漂、时漂影响以及光电探测器特性变化等会造成光纤传感器输出特性的变化，使光电探测器产生的噪声对测量系统产生影响。

LED驱动控制电路在环境中温度不一定恒定，使LED没有恒定的输出光强。

当温度和时间漂移及元件老化等因素引起LED输出光强发生变化时，也会引起一定的误差。

LED驱动光源采用半导体激光器LD，光源的稳定是保证整个系统测量精度的主要条件。

采用结构紧凑的内致冷方式，通过温度自动控制电路以保持LD的环境温度相对恒定，使LD有较恒定的输出光强。

当温度和时间漂移及元件老化等因素引起LD输出光强发生变化时，可采用光源反馈方法通过功率自动控制电路以稳定其输出。

此外，光纤弯曲也会带来辐射上的损耗。

在应用中要注意避免。

结论

为安全可靠地进行液位的检测提供了一条有效的途径，具有较高的实用价值，提出了表面反射式液位传感的测量方案，分析了光纤传输系统的特性，给出了测量的整体方案，论述了系统的可行性，实现了智能系统的测量范围和精度要求。

参考文献

1、《光电检测技术》雷玉堂、王庆有、何加铭、张伟风编著。

2、张诚，王金海，陈才和.基于DSP的干涉型光纤传感器检测系统的研究。

3、McCoyJN.ApplicationsofAcousticLiquidLevelMeasurementsinGasWells［J］.2006SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibitionheldinSanAntonio，Texas，USA.

4、RamonCasanella.Continuousliquidlevelmeasurementusingalinearelectrodearray［J］.MeasSciTechnol.

5、张朝晖，弓志谦，迟健男.采油井动态液面测量技术研究［J］.传感技术学报。

6、王景芳.非线性动态液位软测量模型建立［J］.化工自动化及仪表。

7、张文明，王效才，马屹，等.星敏感器单星模拟光源系统［J］.光电工程。

8、刘亚平，李娟，张宏.星模拟器的设计与标定［J］.红外与激光。

9、张文明，小型星模拟器的研制方法和研制技术［D］．成都：

电子科技大学光电系。

10、何利民，《单片机原理教程》。