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专利名称：一种光电式液位传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液位传感器，特别涉及一种利用光线在被 测液位的液体与空气或者两种液体之间有不同的折射率而导致不 同强度的光线到达检测点，在检测点根据不同的光线强度产生不同 的信号状态的液位传感器。
背景技术：
当前的控制技术中，为了获知液体的液面是否达到一个规定 的高度，常常需要检测该液面，当控制系统是智能型的控制系统时， 一般需要当液位达到规定的高度时，产生一个触发信号，常用的电 子式水位开关就是一个典型的液位传感器，它通过内置电子探头对 水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当被测液体的 液位到达动作点时，芯片输出信号使内置的继电器吸合(或者输出 数字高低电平信号)，开关动作(配合PLC等动作)，从而实现对液 位的控制。这种液面控制开关耐污、耐倾摇、耐颠簸、抗摔性强、 耐盐雾、耐酸碱，不怕磁场影响、不怕金属体影响、不怕水压变化 影响、不怕光线影响，没有盲区，外部无可动部件，不怕固体漂浮 物的影响。适用范围清水、各种污水、酸碱水、海水、水处理 药剂、河涌水、纺织印染水、工业废水，还适合做船舶水位开关等， 同一水位开关，可以横装、竖装、斜装等不规则自由安装，灵活方 便。当探头是利用光线与液面反射或者折射而获取液面高度信号称 为光电式液位传感器，其原理如下它使用光线特别是红外线探承i , 利用光线的折射及反射原理。光线在两种不同介质的分界面将产生 反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电传感器 形成 一 种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面，这两种分界面使光电开关内部光接收晶体所接收的 的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态。如图1所示为一 种巿场上的光电式液面传感器，包括设置于传感器本体l内的光源 和光接受器以及光线由光源传导到光接受器的光通路，在光通路中 有两个反射面，光源的光线通过两次反射到达光接受器，由光接受 器对到达的光线的强度进行检测。这样的液位开关具有以下特点 在整个传感器器件里没有活动部件，不易造成机械磨损，维护量少， 使用寿命长。
但是，由于此液位传感器前端为圆锥形，光通中的两个反射 面为圆锥体的对面，当一東光射到圆锥面时，光在反射过程中会发 生散射，从而能量大为衰减，当部分光线再次到达对面的圆锥面时， 光能量再次大为衰减，最终到达光敏晶体管的能量很弱。从而至使 开关控制精度不高，防干扰能力差。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种光电式液位传感器，克服当前 光电式液位传感器控制精度不高防干扰能力差的不足。
本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是 一种光 电式液位传感器，包括设置有光源、光接受器和测量探头的传感器 本体和光线从光源传导到光接受器的光通路，所述的传感器本体封 装于外壳内，所述的测量探头则伸出所述的外壳，所述的光通路的 起始点是光源，经过测量探头反射，最后返回到光接受器。所述测 量探头由透明材料制成，所述测量探头为设置于所述的传感器本体 端部的、至少具有两个成90°夹角的供光通路反射的对称斜平面。
本实用新型的有益效果是，将传感器的测量探头设计成互相 垂直的两平面，此时平行光束到达第一个平面时，所有光线都被反 射且沿着90度方向射向另 一平面，当光线到达另一平面后，所有 光线再次被反射且沿着9 0度方向射向光敏晶体管，此时到达光敏 晶体管的光线能量很强。从而至使传感器控制精度高，防干扰能力 强。
进 一 步的，在所述的测量探头根部设置 一 台阶面，在所述外壳上设置有螺丝和与所述的螺丝啮合的螺母。这样，在安装固定方 式上，传感器前部设计了一台阶面，且自带一锁紧螺母，电器产品 的水盘或水箱上只需设计 一 个圆孔即可，模具实现非常简单，不增 加任何成本，且模具开发周期短，产品胶件本身也不增加任何成本。
更进一步的，在本方案中还包括光连接所述的光源与测量探 头，测量探头与光接受器的光纤。由于利用光纤可以将光東传输到 较远的距离，因此增加光纤传导光東以后，本方案可以设计较长的 测量探头，方便设计使用。
以下结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。


图l是现有技术中的液面传感器正视图。
图2是本实用新型实施例l透视图。
图3是本实用新型实施例l正视图。
图4是本实用新型实施例l立体图。
图5是本实用新型实施例2透视图。
图6是本实用新型实施例3透视图。
图7是本实用新型实施例4光源和光接受器排列正视图。
图8是图7A-A截面图。
图9是本实用新型实施例4光源和光接受器排列左视图。
图io是本实用新型实施例中，光线由光源照射到测量探头上，
垂直射入测量探头示意图。
图ll是本实用新型实施例中，当液体淹没测量探头时，射入
探头的光线以45°角的入射角第 一 次射向测量探头的 一 个反射平 面时，部分光线折射，部分光线反射示意图。
图12是继图11后，光线继续以45°角的入射角第二次射向 测量探头的另一个反射平面时，部分光线折射，部分光线反射进入 到光接受器的示意图。
图1 3是本实用新型实施例中，当没有液体淹没测量探头时， 射入探头的光线以45°角的入射角第 一 次射向测量探头的 一 个反射平面时，被该平面全反射示意图。
图14是继图13后，光线继续以45°角的入射角第二次射向 测量探头的另一个反射平面时，被该平面全反射进入到光接受器示 意图。
图中，1、传感器本体，2、光通路，3、光源，4、光接受器， 5 、测量探头，6 、外壳，7 、台阶面，8 、螺丝，9 、螺母，10、密 封圈，11、支架，12、光出孔，13、光入孔，14、光纤，15、管道， 16、引线，1 7后盖。
具体实施方式
实施例1,如图1、图2和图3所示 一种光电式液位传感器， 包括设置有光源3、光接受器4和测量探头5的传感器本体1和光 线从光源3传导到光接受器4的光通路2。
传感器本体1封装于外壳6内，仅留测量探头5伸出外壳6, 光通路2的起始点是光源3,经过测量探头5反射，最后返回到光 接受器4;本实施例中，测量探头5是由透明材料制成，设置在传 感器本体l端部，至少具有两个成9 0°夹角的供光通路2反射的对 称斜平面。
本实施例中，光源3为红外线发光二极管，光接受器4为光敏 晶体管。在红外线发光二极管和光敏晶体管外侧还设置有支座11， 支座11上设置有供光由红外线发光二极管向所述测量探头5照射 的光出孔12和光由测量探头5反射回所述的光敏晶体管的光入孔 13。本实施例中，测量探头5为聚碳酸酯制成，主体为方形柱体。 其端头为人字形尖顶上的两个90°夹角的对称斜平面四边形。也可 以为聚碳酸酯制成的方形柱体端头的锥形尖顶上的两对分别成9 0 °夹角的对称斜平面三角形。如图3所示。本实施例优选两对分别 成9 0度夹角的对称斜平面三角形形状的测量探头。在外壳1的后 盖17上设置有引线16。引线16将作为光接受器4的光敏晶体管所 产生的携带有液体液面高度信息的信号引出，供控制电路使用。该 控制电路可以是 一 个开关，当本实施例的液位传感器感应到液面达 到规定的高度时，将开关闭合或者打开，实现由液面高度直接控制开关的自动控制功能。
在本实施例中在测量探头5根部设置 一 台阶面7 ,在外壳6 上设置有螺丝8和与螺丝啮合的螺母9。这样，在安装固定方式上， 传感器前部设计了一台阶面7，且自带一锁紧螺母9，电器产品的 水盘或水箱上只需设计 一 个圆孔即可，模具实现非常简单，不增加 任何成本，且模具开发周期短，产品胶件本身也不增加任何成本。 另外为了保证被测液位的液体不会浸蚀传感器本体，在台阶面7与 螺母9之间还可以设置 一个或者多个密封圈10。
图10、图ll、图12、图13和图14表示利用实施例l的液 面传感器来测量液位，确定液位是否达到规定的高度。其中，图10 表示光线从光源照射到测量探头上光通路示意图，图11、图12表 示当液面达到规定的高度时光通路的示意图，图13和图14表示液 面未达到规定的高度时光通路的示意图。下面以实施例l为例来描 述本实用新型的光电液位传感器的原理，并且以水来代表液体，我 们知道水的折射率为1. 33,实施例1中所使用的测量探头是聚碳酸 脂PC,聚碳酸脂PC折射率为1. 5 9，另外，空气的折射率为1. 0。
从光学原理我们可以知道
聚碳酸脂PC到空气的临界入射角为38.9 7° ,也就是说，如 果入射光线小于38.9 7 °则部分光线发生反射，部分光线发生折射， 如果入射光线大于38.97°则光线发生全反射。
聚碳酸脂PC到水的临界入射角为5 6.7 7 ° ,也就是说，如果 入射光线小于5 6.7 7 °则部分光线发生反射，部分光线发生折射， 如果入射光线大于5 6.7 7 °则光线发生全反射。
如图1 0所示，光通路2的第 一 阶段为作为光源3的红外线发 光二极管发出红外线光，从红外线发光二极管前的光出孔12传导 到测量探头，从测量探头5的底部垂直进入测量探头5内，因此此 时所有光通量全部射入到测量探头5内，光线继续前进'以"°入 射角到达测量探头5前端斜平面上。下面我们分两种情况进行说明
1.当有水淹住斜平面时
如图11所示，45°入射角小于5 6. 7 7 °的临界入射角'则部分光线发生反射，部分光则从该平面折射到测量探头的外面，反射的 部分光线以与入射光线成9 0°的方向继续在测量探头5内传播。如 图12所示，当碰到第二个斜平面时，与第 一 个斜平面 一 样，45° 入射角小于5 6.7 7°的临界入射角，则部分光线发生折射，只有部 分光线发生反射，发生反射的部分光线沿与原方向成90°的方向继 续在测量探头5内传播，并垂直从测量探头5的底部射出从光入孔 13进入到作为光接受器4的光敏晶体管上，被光敏晶体管所捕捉。 此时外围控制电路通过引线1 6得知光敏晶体管4阻值已经生变化， 从而判断液面已达到规定高度。 2、当无水淹住斜面时
由于45度入射角大于聚碳酸脂PC到空气的临界入射角38.97 度，则光线在此斜面发生全反射，如图13所示，所有光线沿与原 方向成90度的方向继续在传感器测量探头5内传播，并没有因为 通过反射有所损失，因为是全反射。同样，如图14所示，当碰到 第二个斜平面时，45度入射角大于聚碳酸脂PC到空气的临界入 射角3S.97度，则光线在此发生全反射，所有光线沿与原方向成90 度的方向继续在测量探头5内传播，并垂直从测量探头的底部射出， 从光进孔13入射到由光敏晶体管所组成的光接受器4上。此时整 个光通路2即是，将红外线发光二极管光源3从光出孔12导出的 光线全部从光入孔13进入到光敏晶体管上，此时所有光线被作为 光接受器4的光敏晶体管所捕捉。光接受器4上的光通量没有变化， 此时外围控制电路通过引线16得之光敏晶体管4阻值未发生变化， 从而判断液面未达到规定高度。
实施例2,如图5所示，本实施例结构与实施例l基本相同， 而本实施例的传感器的原理也与实施例l相同。只是本实施例中光 通路2与实施例1有区别，在光出孔1 2与测量探头5之间，测量 探头5与光入孔13之间各增设 一 段光纤14。利用光纤将光出孔12 的光线传导到测量探头5上，同时还是利用光纤1 4将测量探头5 反射的带有液面信息的光线传导到光入孔13中，从而入射到光敏 晶体管光接受器4上。由于光纤传导光束可以在一段较长距离内没有明显的衰减，因此，本实施例可以将测量探头5设计成比较长， 以适应更多的应用。
实施例3 ,如图6所示，本实施例为 一 管内液位探测光电传感 器，其组成和实现原理与实施例l基本相同。只是外壳6上接了一 段管道15。
实施例4，如图7、图8和图9所示，本实施例的原理与实施 例1相同，将多个实施例1并联以测量多个液面高度。光源3由一 组由红外线发光二极管组成，光接受器4由一组由光敏晶体管组成， 每个红外线发光二极管与每个光敏晶体管相对应，每个红外线发光 二极管和相应的光敏晶体管通过相应的光通路2光连接。如图7所 示，本实施例中设置有5对光源3和光接受器4对，就是5个红外 线发光二极管和5个光敏晶体管，如图8所示，每个红外线发光二 极管对应于一个光敏晶体管，与测量探头一起组成一个像实施例1 一样的液面传感器。将5个这样的液面传感器并联，如图9所示， 可以组成 一 个能检测到5个高度的液面，如果根据需要设置足够多 的红外线发光二极管和光敏晶体管，可以组成一个符合要求的液体 高度测量仪，比如，汽车中对油箱里的油料高度进行测量的油表。
权利要求1.一种光电式液位传感器，包括设置有光源(3)、光接受器(4)和测量探头(5)的传感器本体(1)和光线从光源(3)传导到光接受器(4)的光通路(2)，所述的传感器本体(1)封装于外壳(6)内，所述的测量探头(5)则伸出所述的外壳(6)，所述的光通路(2)的起始点是光源(3)，经过测量探头(5)反射，最后返回到光接受器(4)；其特征在于所述测量探头(5)由透明材料制成，所述测量探头(5)为设置于所述的传感器本体(1)端部的、至少具有两个成90°夹角的供光通路(2)中光反射的对称斜平面。
2. 根据权利要求1所述的光电式液位传感器，其特征在于 所述的光源(3)为红外线发光二极管，光接受器(4)为光敏 晶体管。
3. 根据权利要求2所述的光电式液位传感器，其特征在于， 在所述的红外线发光二极管和光敏晶体管外侧还设置有支 座(11)，所述的支座(ll)上设置有供光由红外线发光二极 管向所述测量探头(5)传导的光出孔(1 2)和光由所述测量 探头(5)反射回所述的光敏晶体管的光入孔(13)。
4. 根据权利要求3所述的光电式液位传感器，其特征在于 所述的测量探头(5)为透明的聚碳酸酯制成的方形柱体端 头的人字形尖顶上的两个90°夹角的对称斜平面四边形。
5. 根据权利要求3所述的光电式液位传感器，其特征在于 所述的测量探头(5)为透明的聚碳酸酯制成的方形柱体端 头的锥形尖顶上的两对分别成90。夹角的对称斜平面三 角形。
6. 根据权利要求3所述的光电式液位传感器，其特征在于 在所述的测量探头(5)根部设置 一 台阶面(7),在所述外壳 (6)上设置有螺丝(8)和与所述的螺丝(8)啮合的螺母(9)。
7. 根据权利要求6所述的光电式液位传感器，其特征在于 在所述的螺母(9)与台阶面(7)之间设置有密封圈(10)。
8. 根据权利要求1至7中任 一 所述的光电式液位传感器，其 特征在于还包括光连接所述的光源U)与测量探头(5), 测量探头(5)与光接受器(4)的光纤(14)。
9 . 根据权利要求1至7中任 一 所述的光电式液位传感器'其特征在于所述的外壳(6)为管道(15)，所述的测量探头(5) 伸入管道(15)中。
10. 根据权利要求1所述的光电式液位传感器，其特征在于， 所述的光源(3)由 一 组红外线发光二极管组成，所述的光接 受器(4)由 一组光敏晶体管组成，每个红外线发光二极管与 每个光敏晶体管相对应，每个红外线发光二极管和相应的 光敏晶体管通过相应的光通路(2)光连接。
专利摘要一种光电式液位传感器，包括设置有光源、光接受器和测量探头的传感器本体和光通路，传感器本体封装于外壳内，测量探头则伸出所述的外壳，光通路的起始点是光源，经过测量探头反射，最后返回到光接受器。测量探头由透明材料制成，设置于传感器本体端部的、至少具有两个成90°夹角的供光通路反射的对称斜平面。本实用新型的有益效果是，将传感器的测量探头设计成互相垂直的两平面，在测量探头外无液体的条件下，平行光束到达第一个平面时，所有光线都被反射且沿着90度方向射向另一平面，当光线到达另一平面后，所有光线再次被反射且沿着90度方向射向光敏晶体管，此时到达光敏晶体管的光线能量很强。从而至使传感器控制精度高，防干扰能力强。
文档编号G01F23/284GK201368756SQ200920129300
公开日2009年12月23日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者州 柳 申请人:州 柳