專利名稱：浸入式光電液面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型同在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療檢驗中經(jīng)常用到的光電液面?zhèn)鞲衅饔嘘P(guān)，該傳感器可以檢測浸入在液體內(nèi)的玻璃管(或其他透明管)中液面的位置，可用于醫(yī)學(xué)上檢測處于恒溫水浴中的血液粘度計內(nèi)血液液面的位置。這就大大拓寬了光電液面?zhèn)鞲衅鞯倪m用范圍。
現(xiàn)有的一種光電液面?zhèn)鞲衅鞯臉?gòu)造和檢測原理是這樣的在豎直放置的玻璃管管壁外設(shè)置一個發(fā)光二極管LED，使其發(fā)出的光線橫穿玻璃管，該光線被設(shè)置在玻璃管另一側(cè)的光電管接收使其導(dǎo)通，當(dāng)玻璃管內(nèi)液面位置上升到能使光線穿過時，由于管內(nèi)折射率的變化而使光線偏離光電管，光電管截止。通過光電管導(dǎo)通和截止的變化達(dá)到液面檢測的目的。但是，該傳感器只能檢測置于空氣中的液體液面的位置。如果玻璃管浸入在某種液體中，由于該液體的折射，即使玻璃管內(nèi)無液體，LED發(fā)出的光線也不能沿直線方向，這樣導(dǎo)致玻璃管另一側(cè)的光電管位置和接收方向難以確定。
本實用新型從根本上解決了這一難題。其構(gòu)造和檢測原理與上述傳感器基本相同，只是光電管位置和接收方向是利用本人建立的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并利用計算機求解，代入浸入在其中的液體折射率而得出的。
本實用新型對傳統(tǒng)的光電液面?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行了改進(jìn)，傳統(tǒng)的光電液面?zhèn)鞲衅魇沁@樣設(shè)計的被檢測液體在一玻璃管中，玻璃管置于空氣中，先將LED和光電管固定在一支架上。支架可以根據(jù)設(shè)計要求選用適當(dāng)材料鑄造或機械加工而成，其大小和形狀可隨使用環(huán)境而定。然后再把支架套在玻璃管上，并在支架上LED和光電管前各開一小孔，使兩孔位于偏離玻璃管截面中心軸線一定距離的一條直線上。這樣當(dāng)玻璃管內(nèi)無液體時，LED發(fā)出的光線直線傳播，通過小孔和玻璃管照射到光電管上，使光電管導(dǎo)通；當(dāng)玻璃管內(nèi)有液體時，LED發(fā)出的光線通過液體產(chǎn)生折射而偏離光電管，使其截止。通過檢測光電管導(dǎo)通和截止的變化，就可知道玻璃管內(nèi)液面是否通過。
本實用新型與上述傳統(tǒng)的光電液面?zhèn)鞲衅鞯膮^(qū)別在于如果將玻璃管浸入某種液體中，由于這種物體本身有折射，既使玻璃管中無液體存在，LED發(fā)出的光線也不會直線傳播。要使光線照射到光電管上，在設(shè)計支架，固定LED和光電管時就應(yīng)考慮到1.使LED發(fā)射方向與光電管的接收方向互成一角度γ，2.在玻璃管內(nèi)有液體時，要使LED發(fā)射的光線偏離光電管最遠(yuǎn)(這樣可最大程度地減少光電管所受的干擾)，這就必須將LDD固定在偏離玻璃管中心線的恰當(dāng)位置。設(shè)此時LED與玻璃管中心線的距離為d(如圖1所示)。求得γ和d，即得出LED、玻璃管和光電管之間的相對位置關(guān)系，也就可以制作出固定這三者的支架，完成本實用新型。
γ和d可以利用本人建立的數(shù)學(xué)模型和計算機求解程序計算出來。如圖2所示，令x＝x0－x2，寫出x與a1的函數(shù)關(guān)系，求x取最大值時所對應(yīng)的α1值的方法是先根據(jù)x～a1的函數(shù)關(guān)系，利用計算機程序繪出曲線，觀察是否有極大值？如果有，是否該極大值即為最大值？若是，采用牛頓迭代法求出此極大值點。
1.x～a1～t的函數(shù)關(guān)系首先令a＝n1；b＝n1/n2；t＝Sinα1.于是有Sinα0＝at； Sinα2＝bt………………………(1)根據(jù)圖2并利用(1)式，可給出x0＝RSin(2α0－α1)＝R[2Sinα0·Cosα0·Cosα1－(1－2Sin2α0)·Sinα1]=R{2at(1-t2)(1-a2t2)+2a2t3-t}]]>x2＝RSin(2α2-α1)＝R[2Sinα2·Cosα2·Cosα1－(1－2Sin2α2)·Sinα1]=R{2bt(1-t2)(1-b2t2)+2b2t3-t}]]>令r(t,m)=2mt(1-t2)(1-m2t2)+2m2t3]]>則x(t，a，b)＝x0－x2＝R[r(t，a)－r(t，b)]…………(2)2.在t取值的有效區(qū)間內(nèi)求x取極大值的點由于n1≥1，n2≥1，根據(jù)a、b、t的定義及(3)式可知0≤t≤1/a，因此下面的問題是在t從0到1/a區(qū)間內(nèi)，求x取最大值的點。下面討論在該區(qū)間求x取極值的點的算法。由(2)式令dx(t,a,b)dt=R[dr(t,a)dt-dr(t,b)dt]=0,]]>并化簡得f(s，a，b)＝y(tǒng)(s，a，b)－y(s，b，a)＝0………………(3)其中s＝t2；y(s,a,b)=(3a3s2-2a3s-as+a)1-b2s+]]>+3a2s(1-s)(1-a2s)(1-b2s)]]>(3)式是超越方程，我們利用計算機采用牛頓迭代法求其近似解，由于0≤t≤1/a，故0≤s＝t2≤1/a2，于是迭代過程如下s0=0,----si+1=si-f(si,a,b)f′(si,a,b)<1a2,]]>直至f(s1，a，b)＜ε時，s1即為(3)式的近似解。其中ε為允許誤差；f′(s,a,b)=df(s,a,b)ds=dy(s,a,b)ds-dy(s,b,a)ds]]>＝y(tǒng)′(s，a，b)－y′(s，b，a)；y′(s,a,b)=(6a3s-2a3-2a)1-b2s+]]>ab2(3a2s2-2a2s-2s+1)21-b2s+3a2(1-s)(1-a2s)(1-b2s)+]]>3a3s(3a2b2s2-2a2b2s-2b2s+a2+b2+1)2(1-s)(1-a2s)(1-b2s)]]>3.計算機求解程序設(shè)計利用計算機，采用TRUE-BASIC語言，為前面介紹的算法編制了求解程序。該程序可根據(jù)輸入的折射率n1、n2值，算出對應(yīng)的傳感器加工參數(shù)d及γ。首先根據(jù)n1、n2值繪出t～x(t，a，b)曲線，從曲線可以看出x是否有極大值，如果有則利用牛頓迭代法求解x的極大值點t的值，進(jìn)而算出最佳加工參數(shù)d、γ的值。
下表給出了利用計算機算出的幾種n1、n2對應(yīng)的d、γ值
以上介紹的方法，對于管徑較小的管內(nèi)液面的檢測十分必要，優(yōu)化的d、γ值的精確計算，可使設(shè)計出的光電傳感器的抗干擾能力增強；LED及光電管前的小孔允許開得大些，這又提高了靈敏度。此算法已通過實驗驗證，并獲得了令人滿意的結(jié)果。


圖1是浸入式光電液面?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)橫截面圖，其中(1)為發(fā)光管LED；(2)為光電管；(3)為小孔；(4)為支架；(5)為玻璃管。
圖2是浸入式光電液面?zhèn)鞲衅鳈M截面光路圖，圖中標(biāo)示出計算時所需各量的代表字母，其中A點為發(fā)光管LED前小孔的位置；B點為光電管前小孔的位置。管外的液體折射率為n1，當(dāng)管內(nèi)為空氣(折射率n1＝1)時，光線沿ABB′方向傳播，光電管BB′接收到光線而導(dǎo)通，當(dāng)管內(nèi)為被測液面的液體時(折射率n2)時，光線沿ACC′方向傳播，光電管BB′接收不到光線而截止。
權(quán)利要求1.一種浸入式光電液面?zhèn)鞲衅?，由發(fā)光管LED和光電管組成，其特征在于該光電液面?zhèn)鞲衅骺梢詸z測浸入在液體內(nèi)的玻璃管中液體的液面位置，其發(fā)光管LED和光電管位于玻璃管的兩側(cè)，發(fā)光管LED發(fā)射方向與光電管的接收方向互成一定角度且固定在偏離玻璃管中心線的適當(dāng)位置上，其最佳加工參數(shù)可從數(shù)學(xué)模型和計算機求解程序在理論上給出。
2.一種如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所說的發(fā)光管LED、光電管和被檢測液體容器可以固定在同一個支架上，使用時可一起浸入在液體中。
專利摘要一種可以檢測浸入液體的玻璃管(或其它透明管)中液面位置的光電液面?zhèn)鞲衅?，該傳感器的發(fā)光管LED發(fā)射方向與光電管的接收方向互成一角度且LED固定在偏離玻璃管中心線的適當(dāng)位置上。其最佳設(shè)計加工參數(shù)可利用本人建立的數(shù)學(xué)模型和計算機求解程序從理論上給出。
文檔編號G01F23/22GK2237229SQ9422400
公開日1996年10月9日 申請日期1994年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月2日
發(fā)明者李孔寧 申請人:李孔寧