李凤玲，张宁，徐冬，牛薇， 李宝生（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

基于红外对射光幕技术的小量程多介质液位传感器设计

李凤玲，张宁，徐冬，牛薇， 李宝生
（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

针对水下发射舱可能出现的少量渗水定量测量问题，基于红外对射光幕原理研制了一种小量程液位传感器。该传感器不仅能对水、海水、防冻液等多种介质进行液位测量，而且精度高、体积小、抗电磁干扰能力强。经实验验证，传感器测量量程（0~20）mm准确度达0.57 %FS，盲区小于2 mm，仅有少量水进入就会及时报警。在实际应用中，该产品性能稳定可靠，满足海面舰艇设备对传感器提出的各项要求。

红外对射光幕；小量程；多介质

引言

当水下发射舱内出现少量渗水时，需要及时发现报警，还需对舱内进水情况进行定量测量。开展小量程水介质液位传感器研究，辅助总体判断舱内进水情况对相关设备造成的危害，具有重要意义。

实现液位测量的方法主要有电容法、激光测距法、超声波测距法、静压法等。在实际应用中，以上检测方法存在各自的局限性：电容法[1]对介质类型敏感，海水作为被测介质，不同海域成份差异较大，需要在应用环境中进行定期标定和维护。激光测距法虽然测量精度高，但在测量时测量敏感度不高，因为直射式激光穿过半透明的海水时，反射信号极弱，因此还需增加浮标等附件。另外，当被测浮标移动后，激光发射光需要透镜聚焦后才能照射在PSD上，因此对接收透镜的精度要求较高，结构比较复杂[2]。超声波作为一种声波，它受环境噪声、压力、湿度、温度等的影响较大，基于超声波测距法的传感器通常具有环境影响补偿功能，但这种补救在效果上是有限的。当实际应用环境出现突发性噪声，容易引起信号丢失，导致测量困难及输出的不准确性[3-4]。静压法采用高性能压力传感器作为测量元件，把与液位深度成正比的液体静压准确测量出来，实现对液体深度的测量[5]。它适用于深水液位测量，对仅有十几毫米的舱内进水进行定量测量显然不合适。

本文基于红外对射光幕技术[6-7]结合浮漂遮挡原理设计了一款小量程液位传感器。该传感器不仅体积小、精度高、抗电磁干扰能力强，还可单机实现水、海水、防冻液等多种介质的液位测量。由于其测量盲区小，所以在仅有少量水进入的情况下，传感器就能及时检测并报警。

1　传感器工作原理

本液位传感器利用阵列式红外光的发射和接收组件形成光幕，结合浮漂遮挡原理，实现多介质液位测量。它由连通器、小型浮球、红外发射接收组件、控制模块等组成，当连通器内的液位变化时，浮球随液位升降，相应位置的红外发射元件发出的光被浮球遮挡，对应的红外接收元件则输出“暗”电平，否则红外接收元件输出“亮”电平，控制模块通过扫描红外接收组件的电平变化，确定液位高度。

2　传感器结构设计

如图1所示，传感器采用红外对射光幕组件和测控组件一体化结构，外形尺寸为Φ 55 mm×85 mm。电路组件和引线固定在密封罩体内，利用连通器端面和罩体进行密封固定，禁止被测液体进入密封罩内，避免腐蚀及系统绝缘失效。传感器整体采用不锈钢材质外壳，采用水密连接器实现电气连接，产品整体具备二级防水能力、耐湿热、霉菌、盐雾和抗电磁干扰能力。

红外发射接收模块是实现液位测量的核心组件，它由双排等间距错开排列的发射（或接收）元件组成。设计分辨率为1.5 mm。采用红外发射接收元件不仅安全可靠，工作寿命长，而且避免了产品受日光等其它光源的干扰影响，抗电磁干扰能力强，保证了产品测量的可靠性。小型浮球是无任何联动机构的直径6.5 mm的铝浮球，表面喷覆特氟龙材料以保障浮球的耐腐蚀性。传感器采用下凹式结构，将浮球处于少量防冻液中，且初始液位控制在实际零点之下，该设计的目的是：

1）当传感器随舱体倾斜摇摆时，小球因液体的表面张力不会出现空跳、卡住等影响测量的问题。另外，传感器内部的测控模块对突发性振动和舱体的摇摆特征进行了软件滤波处理，进一步保证了产品在液位测量时的可靠性。

2）一旦有海水渗人舱内，小浮球会很快上浮，突破实际零点液位高度，因此传感器测量盲区小，在仅有少量水进入时，就会及时发现和报警。

3　传感器硬件和软件设计

图1　液位传感器结构设计示意图

图2　液位传感器硬件电路组成框图

如图2所示，传感器硬件电路主要由MCU控制器、红外发射接收组件、多路模拟开关、DA转换、数字通讯转换等组成。其中，MCU控制器采用英飞凌公司的SAK-XC886CLM-8FFA，该型号芯片的质量等级为汽车级，工作温度范围为-45~+125 ℃，采用外置12 MHz晶振，通过内置PLL电路倍频至96 MHz，其中工作主频为24 MHz，对应一个指令周期为83 ns。该控制器主要实现控制开关投切的扫描控制，通过轮流投切多路开关ADG732BSU，使红外发射接收光幕对逐一工作。红外发射光是否被浮球遮挡，将引起对应红外接收元件输出“高”、“低”电平，通过比较器进行逻辑处理，将逻辑电平信号送入MCU控制器，控制器根据各发射接收光幕对的电平变化确定液位高度。

为确保液位信息输出的互补性和可靠性，传感器将液位信息采用模拟和数字两种输出形式：采用某公司的16位D/A转换芯片AD420AR-32实现（4~20）mA电流输出；采用Intersil公司的ISL8488EIBZA-T芯片实现RS422通讯转换数字输出。控制器根据发射舱内被测空间结构和液位高度信息，实现了舱内进水液位的定量测量，最终将液位高度和进水量信息通过RS422总线以数字方式传输的中央监控室。

传感器程序软件流程图如图3所示。当浮球仅遮挡一路红外发射光源时，液位高度h=(i-1)×2；当浮球同时遮挡二个红外发射光源时，h=2i-1；当浮球同时遮挡三个红外发射光源时，h=(i-1)×2。

4　实验结果与分析

传感器液位测量范围为（0~20）mm，分别以水、海水（用海盐和水按3:100重量比配置）和防冻液为被测介质进行试验。将传感器置于被测容器中，通过上位机软件监测传感器输出。供电预热10 min后，选10个检测点：（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，在每个检测点，记录实际液位值（电子数字卡尺测量值）和传感器输出值。见表1传感器液位检测数据。表1中，Yi—第i检测点记录的实际液位值，mm；Yi#—第i检测点记录的传感器的输出值，mm。

从表1不难看出，传感器的测量盲区最大为1.98 mm。根据表中数据计算，传感器在常温范围内准确度为0.57 %FS。

图3　传感器程序软件流程图

表1　液位传感器测试数据

由于在设计之初，已将各液位检测点的输出设计为“明”、“暗”电平的开关量输出方式，而非模拟量输出，因此传感器检测性能稳定可靠，抗干扰能力强。

5　结论

基于红外对射光幕和浮漂遮挡原理研制的小量程液位传感器不仅实现了水、海水、防冻液等多种介质的液位的定量测量，而且具有测量精度高，体积小，抗电磁干扰能力强的特点，满足了海面舰艇设备对传感器提出的诸如耐高湿、抗霉菌盐雾等各项要求。

［1］朱高中.电容式传感器在液位测量中的应用研究［J］.液压与气动，2012（2）： 70-72.

［2］张燕，程春梅.激光液位传感器在炸药装药中的检测应用［J］.测试技术学报， 2008， 22（2） ：184-188.

［3］李炜，黄超，申富媛.基于并联逆的超声波液位传感器故障误差补偿方法［J］.上海应用技术学院学报， 2015，15（2）： 144-148.

［4］陆贵荣，倪鹏昊，陈树越.超声波密闭容器液位传感器设计［J］.工矿自动化， 2013，39（9）： 23-27.

［5］张一宇.压力式液位传感器自动检测装置［J］.电子技术与软件工程，2010， 23（3）： 154-156.

［6］陈阳，张洪泉.具有冗余设计的光电式液位传感器［J］.电机与控制学报， 2006， 10（4）： 389-392.

［7］哈杰 AR ［美］.红外技术应用［M］.北京：化学工业出版社， 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

李凤玲（1972-），女，黑龙江省德都人，硕士，工程师，研究方向模式识别与智能系统及传感器设计。