光電傳感器控制液面高度

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué)生姓名華婷婷班級(jí)學(xué)號(hào)專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目光電檢測(cè)控制液面高度評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字：成績(jī)?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué) 院理 學(xué) 院專 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名華婷婷班級(jí)學(xué)號(hào) 課程名稱光 電 檢 測(cè) 原 理 與 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì)課 程 設(shè) 計(jì)（論文）題目光電傳感控制液面高度設(shè)計(jì)目的：了解光電檢測(cè)的基本原理與方法，掌握一種光電傳感控制液面高度的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)任務(wù)：利用光敏二極管，設(shè)計(jì)光電傳感裝置，如果液面高度超標(biāo)，則自動(dòng)報(bào)警。設(shè)計(jì)要求（技術(shù)參數(shù)）：（1） 選擇恰當(dāng)?shù)墓怆姍z測(cè)方法； （2） 設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)原理圖、電路圖；（3

2、） 闡明工作原理，說(shuō)明其優(yōu)、缺點(diǎn)；（4） 完成課程設(shè)計(jì)論文。計(jì)劃與進(jìn)度安排：時(shí)間：七八周，具體安排如下：（1） 理解題目要求，查閱資料，確定設(shè)計(jì)方案：3天；（2） 設(shè)計(jì)與繪制原理圖、電路圖：5天；（3） 調(diào)整方案：2天；（4） 撰寫說(shuō)明書：4天；（5） 答辯：1天。成績(jī)：指導(dǎo)教師（簽字）：年 月 日 專業(yè)負(fù)責(zé)人（簽字）： 年 月 日 主管院長(zhǎng)（簽字）：年 月 日 目錄 引言.2專心-專注-專業(yè)引言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術(shù)的提高，光電信號(hào)變換與檢測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動(dòng)化、智能化的光電系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，形成了包括光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的高度

3、知識(shí)集中的新科學(xué)一光學(xué)精密機(jī)械電子學(xué)?，F(xiàn)在，光電技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、文教、衛(wèi)生、國(guó)防、科研和家庭生活等各領(lǐng)域。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，幾乎都涉及到將光輻射信息轉(zhuǎn)化成電信息的問(wèn)題，即光輻射檢測(cè)問(wèn)題。因此，光電檢測(cè)技術(shù)是光電技術(shù)的核心和重要組成部分。光電檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸測(cè)量的高新技術(shù)，它以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)載荷信息的光輻射進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)光電檢測(cè)期間接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再經(jīng)A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測(cè)物體的幾何量或物理量等參數(shù)。因此，光電檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)最重要的手段和方法

4、之一，是計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 光電傳感控制液面高度采用光纖傳感與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，研究一種實(shí)時(shí)液位測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量原理為光源發(fā)出的光由發(fā)送光纖傳輸?shù)奖粶y(cè)液體的表面，反射回來(lái)的光由接收光纖接收，其光強(qiáng)量與光纖端面距液面高度有關(guān)，接收光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)進(jìn)入光纖放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大，再由光電轉(zhuǎn)換器件將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。采用光纖傳感測(cè)量液面高度變化同傳統(tǒng)液位測(cè)量相比，精度從幾毫米提高到了幾微米。關(guān)鍵詞：液面高度、實(shí)時(shí)測(cè)量、光纖傳感、光纖發(fā)達(dá)器測(cè)量原理工業(yè)中液位測(cè)量非常普遍，如化工、石油等企業(yè)總是有許多貯放液體的儲(chǔ)槽、容器需要測(cè)定液位。液位反映儲(chǔ)量，準(zhǔn)確的液

5、位測(cè)量是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與過(guò)程控制的重要參數(shù)。實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄液位十分重要。液位測(cè)量的準(zhǔn)確性、便捷性反映了管理的水平。傳統(tǒng)的液位測(cè)量是靠人工操作，隨著一些行業(yè)對(duì)液位的測(cè)量提出準(zhǔn)確度更高的要求，大多數(shù)液位測(cè)量采用各種自動(dòng)化測(cè)量?jī)x表進(jìn)行，如壓力式、電容式、電導(dǎo)式、超聲波式、浮子式和雷達(dá)式等液位測(cè)量?jī)x表，其測(cè)量水平已達(dá)到較高的自動(dòng)化程度和測(cè)量精度，但安全性不高。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、光纖、傳感器等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)光纖液位傳感系統(tǒng)應(yīng)用于液位測(cè)量的實(shí)例很多，光纖液位傳感器由于具有無(wú)電源、靈敏度高、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。鑒于某些液體的腐蝕性、揮發(fā)性以及對(duì)精度的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、精

6、確、非接觸式的液位測(cè)量系統(tǒng)很有必要，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)液面高度的變化。 根據(jù)被測(cè)液體的特殊性，采用表面反射式液位傳感器。利用非接觸的表面反射光束來(lái)測(cè)量液位。通過(guò)入射到液面上的一束光的反射光強(qiáng)，來(lái)檢測(cè)光束的入射位置。表面反射式液位傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，性能可靠，造價(jià)低廉，容易實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量。然而也有其不足之處：對(duì)光源、光纖、反射表面反射率、光在光纖中的傳輸損耗等變化非常敏感，從而引起較大的測(cè)量誤差。因此，在測(cè)量精度和穩(wěn)定性要求較高的情況下，必須采用相應(yīng)的措施，以減小或消除以上因素帶來(lái)的誤差。 光源S發(fā)出的光經(jīng)過(guò)發(fā)送光纖照射到反射面，反射光再進(jìn)入接收光纖，最后輸出由光電探測(cè)器D接收。當(dāng)反射

7、面相對(duì)于光纖端面的距離d (液位)發(fā)生變化時(shí)，反射回接收光纖的光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化，在其它參數(shù)固定不變的情況下， 探測(cè)器接收到的光功率P 大小取決于距離d (液位)。光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)M為接收光纖接收的光功率與發(fā)送光纖發(fā)送的光功率之比，光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)M 反映傳感器的特性。（如圖所示） 由Beckmann 散射理論可知，發(fā)送光纖出射的光在反射面上的光場(chǎng)由鏡反射和漫反射兩部分組成，其中反射項(xiàng)遵守幾何光學(xué)原理； 漫反射項(xiàng)較復(fù)雜，除與表面粗糙度有關(guān)外，還與加工方法(刀痕形狀)、材質(zhì)、表面曲率等許多因素有關(guān)。圖中的陰影部分I 代表漫反射損耗部分，此時(shí)的漫散射角大于接收光纖的接收角，這部分的散射光不能被接收光纖接收；

8、陰影部分II代表漫反射有效部分，此時(shí)的漫散射角小于接收角，這部分的散射光對(duì)接收光有貢獻(xiàn)。因此在位移的變化過(guò)程中，實(shí)際的輸出特性將從理想特性曲線A 變到實(shí)際曲線B。發(fā)送光纖和接收光纖都為階躍型折射率分布，之間的距離為a，數(shù)值孔徑為NA，纖芯半徑為r，d為光纖到液面的距離。d0為起始距離， d當(dāng)小于d0時(shí)， 由于接收光纖接收不到反射光，所以【0，d0】被稱為死區(qū)。其中 當(dāng)光強(qiáng)度I0與光纖到液面的距離d可以按照近似指數(shù)關(guān)系處理。其數(shù)學(xué)模型為光強(qiáng)度I0與距離d可以按照近似指數(shù)關(guān)系處理。其數(shù)學(xué)模型為 (1)其中A，B為常數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于光纖傳感器的液面高度測(cè)量系統(tǒng)由光源、光纖傳感頭、光電轉(zhuǎn)換器件等部分

9、組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。0光源發(fā)出的光通過(guò)耦合被光纖耦合器接收。通過(guò)FC 光纖連接頭和光纖相連，通過(guò)發(fā)送光纖投射到液面上，接收光纖接收液面反射回的光。在發(fā)送光纖和接收光纖傳感頭端面上做成半圓型自聚焦透鏡。自聚焦透鏡的作用是將發(fā)送光纖發(fā)出的光校準(zhǔn)，然后投射到液面。液面反射回的光被自聚焦透鏡收集進(jìn)入接收光纖。用光電轉(zhuǎn)換器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在信號(hào)處理電路中通過(guò)反射光與參考光相除可以有效消除外界干擾和環(huán)境變化對(duì)測(cè)量距離

10、值的影響。除法器的輸出經(jīng)過(guò)自然對(duì)數(shù)和指數(shù)變換器從而獲得信號(hào)處理器的輸出與被測(cè)距離之間的線性關(guān)系。采用光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管PD測(cè)光電流，當(dāng)PD工作在光電導(dǎo)模式下時(shí)，I/V變換器的輸出電壓V與光電流I0成線性關(guān)系，即滿足下面的關(guān)系式： (2)式中，V為光電變換系統(tǒng)I/V的輸出，I0 為I/ V變換系統(tǒng)的輸入光電流，R為光電變換系數(shù)。聯(lián)立方程(1)和(2)得 (3)對(duì)式（3）兩邊取對(duì)數(shù)線性化 （4）令,則(4)式變?yōu)?(5)其中，系數(shù),是常數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用origin軟件擬合曲線可得。其中擬合直線如圖所示。 誤差分析光纖傳感頭采用單點(diǎn)測(cè)量，由于液面中溫度的不均勻性會(huì)引起一定的誤差。當(dāng)光纖傳感

11、頭處于高溫段，其發(fā)射率迅速減小，光強(qiáng)度I0與輸出光纖到液面的距離d不會(huì)按照近似指數(shù)關(guān)系亦會(huì)引起誤差。LED驅(qū)動(dòng)光源的溫漂、時(shí)漂影響以及光電探測(cè)器特性變化等會(huì)造成光纖傳感器輸出特性的變化，使光電探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生影響。LED 驅(qū)動(dòng)控制電路在環(huán)境中溫度不一定恒定，使LED沒(méi)有恒定的輸出光強(qiáng)。當(dāng)溫度和時(shí)間漂移及元件老化等因素引起LED輸出光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)引起一定的誤差。LED驅(qū)動(dòng)光源采用半導(dǎo)體激光器LD，光源的穩(wěn)定是保證整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度的主要條件。采用結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)致冷方式，通過(guò)溫度自動(dòng)控制電路以保持LD 的環(huán)境溫度相對(duì)恒定，使LD 有較恒定的輸出光強(qiáng)。當(dāng)溫度和時(shí)間漂移及元件老化等因素

12、引起LD 輸出光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，可采用光源反饋方法通過(guò)功率自動(dòng)控制電路以穩(wěn)定其輸出。此外，光纖彎曲也會(huì)帶來(lái)輻射上的損耗。在應(yīng)用中要注意避免。結(jié)論為安全可靠地進(jìn)行液位的檢測(cè)提供了一條有效的途徑，具有較高的實(shí)用價(jià)值，提出了表面反射式液位傳感的測(cè)量方案，分析了光纖傳輸系統(tǒng)的特性，給出了測(cè)量的整體方案，論述了系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了智能系統(tǒng)的測(cè)量范圍和精度要求。參考文獻(xiàn)1、光電檢測(cè)技術(shù)雷玉堂、王慶有、何加銘、張偉風(fēng)編著。2、張誠(chéng)，王金海，陳才和.基于DSP的干涉型光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的研究。3、McCoy J N.Applications of Acoustic Liquid Level Measurements in Gas WellsJ.2006 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in San Antonio，Texas，U S A.4、Ramon Casanella. Continuous liquid level measurement using a linear electrode arrayJ.M