專利名稱：浸入式光電液面傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型同在工農業生產和醫療檢驗中經常用到的光電液面傳感器有關，該傳感器可以檢測浸入在液體內的玻璃管(或其他透明管)中液面的位置，可用于醫學上檢測處于恒溫水浴中的血液粘度計內血液液面的位置。這就大大拓寬了光電液面傳感器的適用范圍。
現有的一種光電液面傳感器的構造和檢測原理是這樣的在豎直放置的玻璃管管壁外設置一個發光二極管LED，使其發出的光線橫穿玻璃管，該光線被設置在玻璃管另一側的光電管接收使其導通，當玻璃管內液面位置上升到能使光線穿過時，由于管內折射率的變化而使光線偏離光電管，光電管截止。通過光電管導通和截止的變化達到液面檢測的目的。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，即使玻璃管內無液體，LED發出的光線也不能沿直線方向，這樣導致玻璃管另一側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化數學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。
本實用新型對傳統的光電液面傳感器進行了改進，傳統的光電液面傳感器是這樣設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。支架可以根據設計要求選用適當材料鑄造或機械加工而成，其大小和形狀可隨使用環境而定。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。這樣當玻璃管內無液體時，LED發出的光線直線傳播，通過小孔和玻璃管照射到光電管上，使光電管導通；當玻璃管內有液體時，LED發出的光線通過液體產生折射而偏離光電管，使其截止。通過檢測光電管導通和截止的變化，就可知道玻璃管內液面是否通過。
本實用新型與上述傳統的光電液面傳感器的區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發出的光線也不會直線傳播。要使光線照射到光電管上，在設計支架，固定LED和光電管時就應考慮到1.使LED發射方向與光電管的接收方向互成一角度γ，2.在玻璃管內有液體時，要使LED發射的光線偏離光電管最遠(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位置。設此時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學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的函數關系，求x取最大值時所對應的α1值的方法是先根據x～a1的函數關系，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的函數關系首先令a＝n1；b＝n1/n2；t＝Sinα1.于是有Sinα0＝at； Sinα2＝bt………………………(1)根據圖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取值的有效區間內求x取極大值的點由于n1≥1，n2≥1，根據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區間內，求x取最大值的點。下面討論在該區間求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(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′(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。該程序可根據輸入的折射率n1、n2值，算出對應的傳感器加工參數d及γ。首先根據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，進而算出最佳加工參數d、γ的值。
下表給出了利用計算機算出的幾種n1、n2對應的d、γ值
以上介紹的方法，對于管徑較小的管內液面的檢測十分必要，優化的d、γ值的精確計算，可使設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果。
圖1是浸入式光電液面傳感器的結構橫截面圖，其中(1)為發光管LED；(2)為光電管；(3)為小孔；(4)為支架；(5)為玻璃管。
圖2是浸入式光電液面傳感器橫截面光路圖，圖中標示出計算時所需各量的代表字母，其中A點為發光管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，當管內為空氣(折射率n1＝1)時，光線沿ABB′方向傳播，光電管BB′接收到光線而導通，當管內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。
權利要求1.一種浸入式光電液面傳感器，由發光管LED和光電管組成，其特征在于該光電液面傳感器可以檢測浸入在液體內的玻璃管中液體的液面位置，其發光管LED和光電管位于玻璃管的兩側，發光管LED發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位置上，其最佳加工參數可從數學模型和計算機求解程序在理論上給出。
2.一種如權利要求1所述的傳感器，其特征在于所說的發光管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傳感器，該傳感器的發光管LED發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位置上。其最佳設計加工參數可利用本人建立的數學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 優先權日1994年7月2日
發明者李孔寧 申請人:李孔寧