基于紅外對射光幕技術(shù)的小量程多介質(zhì)液位傳感器設(shè)計

李鳳玲，張寧，徐冬，牛薇， 李寶生（中國電子科技集團公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

基于紅外對射光幕技術(shù)的小量程多介質(zhì)液位傳感器設(shè)計

李鳳玲，張寧，徐冬，牛薇， 李寶生
（中國電子科技集團公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

針對水下發(fā)射艙可能出現(xiàn)的少量滲水定量測量問題，基于紅外對射光幕原理研制了一種小量程液位傳感器。該傳感器不僅能對水、海水、防凍液等多種介質(zhì)進行液位測量，而且精度高、體積小、抗電磁干擾能力強。經(jīng)實驗驗證，傳感器測量量程（0~20）mm準確度達0.57 %FS，盲區(qū)小于2 mm，僅有少量水進入就會及時報警。在實際應(yīng)用中，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，滿足海面艦艇設(shè)備對傳感器提出的各項要求。

紅外對射光幕；小量程；多介質(zhì)

引言

當(dāng)水下發(fā)射艙內(nèi)出現(xiàn)少量滲水時，需要及時發(fā)現(xiàn)報警，還需對艙內(nèi)進水情況進行定量測量。開展小量程水介質(zhì)液位傳感器研究，輔助總體判斷艙內(nèi)進水情況對相關(guān)設(shè)備造成的危害，具有重要意義。

實現(xiàn)液位測量的方法主要有電容法、激光測距法、超聲波測距法、靜壓法等。在實際應(yīng)用中，以上檢測方法存在各自的局限性：電容法[1]對介質(zhì)類型敏感，海水作為被測介質(zhì)，不同海域成份差異較大，需要在應(yīng)用環(huán)境中進行定期標定和維護。激光測距法雖然測量精度高，但在測量時測量敏感度不高，因為直射式激光穿過半透明的海水時，反射信號極弱，因此還需增加浮標等附件。另外，當(dāng)被測浮標移動后，激光發(fā)射光需要透鏡聚焦后才能照射在PSD上，因此對接收透鏡的精度要求較高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[2]。超聲波作為一種聲波，它受環(huán)境噪聲、壓力、濕度、溫度等的影響較大，基于超聲波測距法的傳感器通常具有環(huán)境影響補償功能，但這種補救在效果上是有限的。當(dāng)實際應(yīng)用環(huán)境出現(xiàn)突發(fā)性噪聲，容易引起信號丟失，導(dǎo)致測量困難及輸出的不準確性[3-4]。靜壓法采用高性能壓力傳感器作為測量元件，把與液位深度成正比的液體靜壓準確測量出來，實現(xiàn)對液體深度的測量[5]。它適用于深水液位測量，對僅有十幾毫米的艙內(nèi)進水進行定量測量顯然不合適。

本文基于紅外對射光幕技術(shù)[6-7]結(jié)合浮漂遮擋原理設(shè)計了一款小量程液位傳感器。該傳感器不僅體積小、精度高、抗電磁干擾能力強，還可單機實現(xiàn)水、海水、防凍液等多種介質(zhì)的液位測量。由于其測量盲區(qū)小，所以在僅有少量水進入的情況下，傳感器就能及時檢測并報警。

1　傳感器工作原理

本液位傳感器利用陣列式紅外光的發(fā)射和接收組件形成光幕，結(jié)合浮漂遮擋原理，實現(xiàn)多介質(zhì)液位測量。它由連通器、小型浮球、紅外發(fā)射接收組件、控制模塊等組成，當(dāng)連通器內(nèi)的液位變化時，浮球隨液位升降，相應(yīng)位置的紅外發(fā)射元件發(fā)出的光被浮球遮擋，對應(yīng)的紅外接收元件則輸出“暗”電平，否則紅外接收元件輸出“亮”電平，控制模塊通過掃描紅外接收組件的電平變化，確定液位高度。

2　傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，傳感器采用紅外對射光幕組件和測控組件一體化結(jié)構(gòu)，外形尺寸為Φ 55 mm×85 mm。電路組件和引線固定在密封罩體內(nèi)，利用連通器端面和罩體進行密封固定，禁止被測液體進入密封罩內(nèi)，避免腐蝕及系統(tǒng)絕緣失效。傳感器整體采用不銹鋼材質(zhì)外殼，采用水密連接器實現(xiàn)電氣連接，產(chǎn)品整體具備二級防水能力、耐濕熱、霉菌、鹽霧和抗電磁干擾能力。

紅外發(fā)射接收模塊是實現(xiàn)液位測量的核心組件，它由雙排等間距錯開排列的發(fā)射（或接收）元件組成。設(shè)計分辨率為1.5 mm。采用紅外發(fā)射接收元件不僅安全可靠，工作壽命長，而且避免了產(chǎn)品受日光等其它光源的干擾影響，抗電磁干擾能力強，保證了產(chǎn)品測量的可靠性。小型浮球是無任何聯(lián)動機構(gòu)的直徑6.5 mm的鋁浮球，表面噴覆特氟龍材料以保障浮球的耐腐蝕性。傳感器采用下凹式結(jié)構(gòu)，將浮球處于少量防凍液中，且初始液位控制在實際零點之下，該設(shè)計的目的是：

1）當(dāng)傳感器隨艙體傾斜搖擺時，小球因液體的表面張力不會出現(xiàn)空跳、卡住等影響測量的問題。另外，傳感器內(nèi)部的測控模塊對突發(fā)性振動和艙體的搖擺特征進行了軟件濾波處理，進一步保證了產(chǎn)品在液位測量時的可靠性。

2）一旦有海水滲人艙內(nèi)，小浮球會很快上浮，突破實際零點液位高度，因此傳感器測量盲區(qū)小，在僅有少量水進入時，就會及時發(fā)現(xiàn)和報警。

3　傳感器硬件和軟件設(shè)計

圖1　液位傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

圖2　液位傳感器硬件電路組成框圖

如圖2所示，傳感器硬件電路主要由MCU控制器、紅外發(fā)射接收組件、多路模擬開關(guān)、DA轉(zhuǎn)換、數(shù)字通訊轉(zhuǎn)換等組成。其中，MCU控制器采用英飛凌公司的SAK-XC886CLM-8FFA，該型號芯片的質(zhì)量等級為汽車級，工作溫度范圍為-45~+125 ℃，采用外置12 MHz晶振，通過內(nèi)置PLL電路倍頻至96 MHz，其中工作主頻為24 MHz，對應(yīng)一個指令周期為83 ns。該控制器主要實現(xiàn)控制開關(guān)投切的掃描控制，通過輪流投切多路開關(guān)ADG732BSU，使紅外發(fā)射接收光幕對逐一工作。紅外發(fā)射光是否被浮球遮擋，將引起對應(yīng)紅外接收元件輸出“高”、“低”電平，通過比較器進行邏輯處理，將邏輯電平信號送入MCU控制器，控制器根據(jù)各發(fā)射接收光幕對的電平變化確定液位高度。

為確保液位信息輸出的互補性和可靠性，傳感器將液位信息采用模擬和數(shù)字兩種輸出形式：采用某公司的16位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD420AR-32實現(xiàn)（4~20）mA電流輸出；采用Intersil公司的ISL8488EIBZA-T芯片實現(xiàn)RS422通訊轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出。控制器根據(jù)發(fā)射艙內(nèi)被測空間結(jié)構(gòu)和液位高度信息，實現(xiàn)了艙內(nèi)進水液位的定量測量，最終將液位高度和進水量信息通過RS422總線以數(shù)字方式傳輸?shù)闹醒氡O(jiān)控室。

傳感器程序軟件流程圖如圖3所示。當(dāng)浮球僅遮擋一路紅外發(fā)射光源時，液位高度h=(i-1)×2；當(dāng)浮球同時遮擋二個紅外發(fā)射光源時，h=2i-1；當(dāng)浮球同時遮擋三個紅外發(fā)射光源時，h=(i-1)×2。

4　實驗結(jié)果與分析

傳感器液位測量范圍為（0~20）mm，分別以水、海水（用海鹽和水按3:100重量比配置）和防凍液為被測介質(zhì)進行試驗。將傳感器置于被測容器中，通過上位機軟件監(jiān)測傳感器輸出。供電預(yù)熱10 min后，選10個檢測點：（0±1.5）mm、（2±1.5）mm、（4±1.5）mm、（6±1.5）mm、（8±1.5）mm、（10±1.5）mm、（12±1.5）mm、（14±1.5）mm、（16±1.5）mm、（18±1.5）mm和（20±1.5）mm，在每個檢測點，記錄實際液位值（電子數(shù)字卡尺測量值）和傳感器輸出值。見表1傳感器液位檢測數(shù)據(jù)。表1中，Yi—第i檢測點記錄的實際液位值，mm；Yi#—第i檢測點記錄的傳感器的輸出值，mm。

從表1不難看出，傳感器的測量盲區(qū)最大為1.98 mm。根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算，傳感器在常溫范圍內(nèi)準確度為0.57 %FS。

圖3　傳感器程序軟件流程圖

表1　液位傳感器測試數(shù)據(jù)

由于在設(shè)計之初，已將各液位檢測點的輸出設(shè)計為“明”、“暗”電平的開關(guān)量輸出方式，而非模擬量輸出，因此傳感器檢測性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強。

5　結(jié)論

基于紅外對射光幕和浮漂遮擋原理研制的小量程液位傳感器不僅實現(xiàn)了水、海水、防凍液等多種介質(zhì)的液位的定量測量，而且具有測量精度高，體積小，抗電磁干擾能力強的特點，滿足了海面艦艇設(shè)備對傳感器提出的諸如耐高濕、抗霉菌鹽霧等各項要求。

［1］朱高中.電容式傳感器在液位測量中的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動，2012（2）： 70-72.

［2］張燕，程春梅.激光液位傳感器在炸藥裝藥中的檢測應(yīng)用［J］.測試技術(shù)學(xué)報， 2008， 22（2） ：184-188.

［3］李煒，黃超，申富媛.基于并聯(lián)逆的超聲波液位傳感器故障誤差補償方法［J］.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2015，15（2）： 144-148.

［4］陸貴榮，倪鵬昊，陳樹越.超聲波密閉容器液位傳感器設(shè)計［J］.工礦自動化， 2013，39（9）： 23-27.

［5］張一宇.壓力式液位傳感器自動檢測裝置［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2010， 23（3）： 154-156.

［6］陳陽，張洪泉.具有冗余設(shè)計的光電式液位傳感器［J］.電機與控制學(xué)報， 2006， 10（4）： 389-392.

［7］哈杰 AR ［美］.紅外技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004.

Design of Liquid Level Sensor of Small Range and Multi-medium Based on Infrared Correlation Light Curtain Technology

LI Feng-ling， ZHANG Ning， XU Dong， Niu Wei， Li Bao-sheng
（No.49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Harbin 150001）

In view of the quantitative measurement problem that underwater launch cabin probably appearing a small amount of water seepage， a small range liquid level sensor is developed based on the infrared correlation light curtain technology. This sensor can not only operate liquid level measurement for water， seawater， antifreeze， etc， but also has the characteristics of high precision，small volume， strong electromagnetic interference resistance. Through the experimental verification，the accuracy of this sensor， which measuring span within the scope of （0-20） mm， is 0.57 %FS， and the measuring blind area is less than 2 mm. Only if a small amount of water into cabin， it will alarm in time. In practical application， the product performance is stable and reliable， and it can satisfy the requirements from surface vessel equipment.

infrared correlation light curtain； small range； multi-medium

TP212.6

A

1004-7204（2016）04-0054-04

李鳳玲（1972-），女，黑龍江省德都人，碩士，工程師，研究方向模式識別與智能系統(tǒng)及傳感器設(shè)計。