基于光電開關的輸液瓶液位監測報警系統

金 星,潘 玲

（1.遵義師范學院物理與機電工程學院，貴州遵義563002；2.遵義醫學院 附屬醫院，貴州遵義563000）

基于光電開關的輸液瓶液位監測報警系統

金 星1,潘 玲2

（1.遵義師范學院物理與機電工程學院，貴州遵義563002；2.遵義醫學院 附屬醫院，貴州遵義563000）

設計了一種輸液瓶液位監測報警系統。該系統以光的折射原理為基礎，將光電開關與透鏡結合到一起，當輸液瓶中的液位到達警戒位置時，光電開關輸出的微弱信號經放大器放大和比較器濾除干擾信號后輸出高電平，觸發報警系統發出聲光報警，以此來提醒醫護人員進行相應處理。系統靈敏度高，成本低，具有很好的應用價值。

光電開關；輸液瓶；液位；監測；聲光報警

輸液，又名打點滴或者掛水，是臨床醫學不可缺少的治療手段之一。病人輸液時，如果沒有醫護人員的看護，可能面臨液體輸完后空氣進入血管和血液回流的危險；如果醫護人員一直在旁守護，又會造成不必要的人員浪費[1]。因此，輸液瓶的液位監測具有實際的應用意義，它可以實時監控輸液瓶內的液體余量。

本文設計了一種輸液瓶液位監測報警系統，當系統監測到剩余液體液面低于設定的液面時，系統發出聲光警報，提醒醫護人員及時處理，避免輸液瓶內的液體流完而導致的危險。

1 設計思路

1.1 光的直線傳播和折射原理

（1）光的直線傳播

光在同種均勻介質中沿直線傳播，通常簡稱光的直線傳播。

（2）光的折射原理

光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發生改變，從而使光線在不同介質的交界處發生偏折，這就是光的折射現象，折射原理如圖1所示。如光從空氣中射入水中，則存在如下規律：

式中，i為入射角；r為折射角；v1為光在空氣中的傳播速度；v2為光在水中的傳播速度；n為折射率。

1.2 系統設計思路

在本設計中，采用光的直線傳播和折射原理實現輸液瓶液面監測。現在臨床醫學中廣泛采用聚丙烯塑料輸液瓶，由于塑料瓶的壁厚在實際情況中對光路的影響極小，本文忽略不計。取塑料瓶的縱向截面進行觀察，在兩側瓶壁上分別安置發光源和受光器，并且發光源和受光器的連線與水平線成一定夾角。

如圖2所示，根據光的直線傳播原理，初始狀態下，瓶內充滿液體，發光源發出的光線沿直線照射到受光器上，受光器信號無變化，系統處于靜默狀態。

如圖3所示，根據光的折射原理，當液面下降到發光源與受光器連線之間時，光線在液面處發生折射并偏離初始路線，受光器失去光照，從而引起信號端電位變化，觸發系統啟動聲光報警。

2 系統工作原理

本系統采用對射式光電開關工作原理，把發射端和接收端之間光線的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。系統由發光源、受光器和檢測電路三部分組成。系統工作原理如圖4所示。

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在發光器輸入端加電信號使發光二極管（LED）發光，對準受光器發射光束，光束不間斷地發射。受光器為光電三極管，當光束照射到受光器上后，因光電效應而產生了光電流，并由輸出端引出，這樣就實現了電-光-電的轉換，在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號，并應用該信號觸發聲光報警裝置。

由于發光二極管（LED）發出的光是散射光，因此，在發光源和受光器的前面裝有光學透鏡，以便更好的聚光和濾除干擾光。

3 系統硬件設計

本系統應符合以下幾方面要求：光源指向性好、有足夠的穿透力,并不能破壞藥液的成分；系統啟動操作簡單迅速；堅固、耐震，耐用。

3.1 發光源

發光二極管(Light-EmittingDiode，LED)是一種能發光的半導體電子元件，它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能，具有效率高、壽命長、不易破損、開關速度快、高可靠性等傳統光源不及的優點[2]。相比傳統照明，LED具有較高的光電轉換效率和較低的能耗，是一種節能環保的發光器件[3]。

LED的種類繁多，依發光波長大致分為可見光與不可見光兩類；按發光強度角分布圖分為高指向型、普通型和散射型三類[4]。

根據系統要求，發光源采用高指向型不可見光LED，它可以將電能直接轉換成紅外光（不可見光）并能輻射出去[5]，光強半值角為5°～20°，波長852～1550nm。

如圖5所示，發光源電路采用3V直流供電，為保證流過LED電流的一致性和電壓的穩定性，由Q1和Q2組成整流穩壓電路，采用單顆LED作為發光源。整個電路結構簡單，功耗低，光照連續穩定。

雖然已經采用高指向型LED，但為了保證光路一致性，所以在LED前放置一塊凸透鏡，以此來保證良好的聚光效果，聚光模擬圖如圖6所示。

3.2 受光器

受光器的作用是接收發光源發出的紅外光，轉換成電信號后通過運算放大器放大輸出。本文采用光電三極管作為受光器的主要元件。

光電三極管是在光電二極管的基礎上發展起來的光電器件[6]。它不但能實現光-電轉換，還能放大光電流，靈敏度比光電二極管高[7]，輸出的光電流經過放大電路后可以直接由各種處理器接收。它具有抗干擾性好、隔噪聲、響應快、可靠性高、壽命長等優點。

受光器電路圖如圖7所示，在光電三極管前端安置光學透鏡（圖中未畫出）聚光并過濾掉外部干涉光，光敏三極管將接收的光信號轉換成電信號，經放大器放大后輸出。當發光源發出的光直接照射到受光器時，光電三極管導通，輸出電壓較低，經過比較器后輸出低電平，報警系統處于靜默狀態；當液面下降到發光源與受光器連線之間時，發光源發出的光線由于液面折射作用發生偏移，光電三極管接收到的光線強度不足以使其導通，輸出的電壓增高，經過比較器后輸出高電平，使得報警系統發出聲光報警。

3.3 聲光報警

如圖8所示，當報警電路接收到受光器輸出的高電平時，觸發報警電路工作，電信號經三極管放大，推動揚聲器發出聲響，同時控制紅色超高亮發光二極管發出光信號，以此提醒醫護人員采取處理措施。我們還可以在電路中加入定時電路，實現間隔報警聲和閃爍光信號，以增強警示效果。

報警系統既可以安裝在病房，也可以安裝在護士站，在保證病人輸液安全的基礎上，提高醫護人員的工作效率。

4 結束語

本文基于光的折射原理，將光電開關與透鏡整合到一起，設計出靈敏度高、抗干擾能力強、方便靈活的輸液瓶液位監測系統。系統所需元件簡單、體積小，成品可封裝在U型夾具上，使用時可按需固定在輸液瓶的瓶頸或瓶身的任意位置；可利用多芯雙絞線，按照結構化布線要求進行大范圍安裝，達到規模化使用需求；系統原理簡單，成本低廉，便于維護，除了在輸液領域，還可用于多種領域的液位監測，具有很好的生產推廣價值。

[1]吳誤,張小洪.模擬輸液瓶液位測量及報警系統[J].中國西部科技,2010,(8)：45-47.

[2]夏繼軍,江仁杰.半導體發光二極管(LED)的應用及發展前途[J].湖南農機,2007,(5)：17-18.

[3]戴麗昕.照明的綠色革命[N].上海科技報,2007-03-28.

[4]任鳳娟.基于LabVIEW的LED特性參數測試系統設計與研究[D].焦作：河南理工大學,2010.

[5]劉全恩.LED的原理、術語、性能及應用[J].電視技術,2012, (24)：52-59.

[6]任致程.怎樣選用元器件講座(三)光電三極管[J].家庭電子, 1997,(3)：43.

[7]馬繼瑞.手把手教你學習單片機(3)[J].電子制作,2007,(10)：60-63.

（責任編輯：朱彬）

The Monitoring and Alarm System of Infusion Bottle Liquid Level Based on the Photoelectric Switch

JIN Xing1,PAN Ling2
(1.Physics and MechanicaL&Electrical Engineering Institution，Zunyi Normal College,Zuniyi 563002,China;2.Affiliated Hospital of Zuiyi Medical College,Zuniyi 563000,China)

This paper designs a kind of monitoring and alarm system of infusion bottle liquid level.This system is based on the principle of light refraction and combines photoelectric switch with optical lens,when the liquid level in the infusion bottle reaches to the alert position,the weak signal exported by the photoelectric switch is enlarged through enlarger and filtered out interfering signals through comparer and exports the high electrical level,then it trigger the alarm system to send out audible alarm and in order to remind the medical staff to deal with the matter.The system has high sensitivity,low cost and good application value.

photoelectric switch;infusion bottle;liquid level;monitoring;audible alarm

TH247

A

1009-3583（2014）-0078-03

2014-04-13

貴州省科學技術基金資助項目（黔科合J字LKZS[2014]11號）;貴州省省級重點學科項目（黔學位辦[2013]18號）;貴州省教育廳產學研基地項目（黔教合KY字[2013]127號）

金 星，男，貴州遵義人，遵義師范學院物理與機電工程學院副教授，碩士，主要從事自動測試系統、傳感器與檢測技術方面的教學和研究。