基于紅外對射光幕技術的小量程多介質液位傳感器設計

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的小量程多介質液位傳感器設計

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）

針對水下發射艙可能出現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、防凍液等多種介質進行液位測量，而且精度高、體積小、抗電磁干擾能力強。經實驗驗證，傳感器測量量程（0~20）mm準確度達0.57 %FS，盲區小于2 mm，僅有少量水進入就會及時報警。在實際應用中，該產品性能穩定可靠，滿足海面艦艇設備對傳感器提出的各項要求。

紅外對射光幕；小量程；多介質

引言

當水下發射艙內出現少量滲水時，需要及時發現報警，還需對艙內進水情況進行定量測量。開展小量程水介質液位傳感器研究，輔助總體判斷艙內進水情況對相關設備造成的危害，具有重要意義。

實現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。在實際應用中，以上檢測方法存在各自的局限性：電容法[1]對介質類型敏感，海水作為被測介質，不同海域成份差異較大，需要在應用環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，當被測浮標移動后，激光發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，結構比較復雜[2]。超聲波作為一種聲波，它受環境噪聲、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境影響補償功能，但這種補救在效果上是有限的。當實際應用環境出現突發性噪聲，容易引起信號丟失，導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[6-7]結合浮漂遮擋原理設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，還可單機實現水、海水、防凍液等多種介質的液位測量。由于其測量盲區小，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射和接收組件形成光幕，結合浮漂遮擋原理，實現多介質液位測量。它由連通器、小型浮球、紅外發射接收組件、控制模塊等組成，當連通器內的液位變化時，浮球隨液位升降，相應位置的紅外發射元件發出的光被浮球遮擋，對應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　傳感器結構設計

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構，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，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，避免腐蝕及系統絕緣失效。傳感器整體采用不銹鋼材質外殼，采用水密連接器實現電氣連接，產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。

紅外發射接收模塊是實現液位測量的核心組件，它由雙排等間距錯開排列的發射（或接收）元件組成。設計分辨率為1.5 mm。采用紅外發射接收元件不僅安全可靠，工作壽命長，而且避免了產品受日光等其它光源的干擾影響，抗電磁干擾能力強，保證了產品測量的可靠性。小型浮球是無任何聯動機構的直徑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構，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，該設計的目的是：

1）當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空跳、卡住等影響測量的問題。另外，傳感器內部的測控模塊對突發性振動和艙體的搖擺特征進行了軟件濾波處理，進一步保證了產品在液位測量時的可靠性。

2）一旦有海水滲人艙內，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小，在僅有少量水進入時，就會及時發現和報警。

3　傳感器硬件和軟件設計

圖1　液位傳感器結構設計示意圖

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、紅外發射接收組件、多路模擬開關、DA轉換、數字通訊轉換等組成。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，通過內置PLL電路倍頻至96 MHz，其中工作主頻為24 MHz，對應一個指令周期為83 ns。該控制器主要實現控制開關投切的掃描控制，通過輪流投切多路開關ADG732BSU，使紅外發射接收光幕對逐一工作。紅外發射光是否被浮球遮擋，將引起對應紅外接收元件輸出“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，控制器根據各發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字兩種輸出形式：采用某公司的16位D/A轉換芯片AD420AR-32實現（4~20）mA電流輸出；采用Intersil公司的ISL8488EIBZA-T芯片實現RS422通訊轉換數字輸出。控制器根據發射艙內被測空間結構和液位高度信息，實現了艙內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總線以數字方式傳輸的中央監控室。

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

4　實驗結果與分析

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進行試驗。將傳感器置于被測容器中，通過上位機軟件監測傳感器輸出。供電預熱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（電子數字卡尺測量值）和傳感器輸出值。見表1傳感器液位檢測數據。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，傳感器的測量盲區最大為1.98 mm。根據表中數據計算，傳感器在常溫范圍內準確度為0.57 %FS。

圖3　傳感器程序軟件流程圖

表1　液位傳感器測試數據

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

5　結論

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了水、海水、防凍液等多種介質的液位的定量測量，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用［J］.測試技術學報， 2008， 22（2） ：184-188.

［3］李煒，黃超，申富媛.基于并聯逆的超聲波液位傳感器故障誤差補償方法［J］.上海應用技術學院學報， 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］.電子技術與軟件工程，2010， 23（3）： 154-156.

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

［7］哈杰 AR ［美］.紅外技術應用［M］.北京：化學工業出版社， 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及傳感器設計。