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一、引言

条件监控和测量系统在现代自动化技术领域应用广泛，其关键性部件就是传感器。随着自动化技术的进展，传感器的设计和研制有了长足的进步。光学技术在仪表和传感器（尤其是非接触测量）领域一直起着重要作用。在光学传感器中，信息由待测物理/化学变量传递给光束，然后确定光束特性的变化。这种结构使光学传感器具有许多优点，如，

①结构是介电性的，可用于高压、电噪声、高温、腐蚀性和应力环境中，信号抗电磁和射频干扰；

    ②可靠性高、运转安全、无放电危险；

③无剩余电容和磁感应效应；

④体积小、重量轻；

⑤可用于无法接触的恶劣环境；

⑥可进行遥感。

一般说，光学传感器包括：光源、传感元件、光电接收器、信号处理和显示电子线路。光学传感器的特性取决于上述四部分在所组成系统中的相对位置。传感器系统的封装在确定传感器整体特性方面起着重要作用，例如光学元件、光机元件和光电元件的准直、热稳定性、对寄生辐射的屏蔽和可靠性等。

本文介绍三种简单、低耗、实用的光学液位传感器系统的结构、工作原理和信息处理技术。

第一种光源液位传感器简单低耗，光源为发光二极管（LED）、激光二极管（LD）或光纤传递的光源，接收器为针形光电二极管或雪崩光电二极管。这种传感器属于光强调制型传感器，光从液面反射/折射，或者被液体吸收。光电探测器所探测的光束强度是液位的函数。

第二种是光纤液位传感器，主要用于测量易爆液体燃料。又分差分吸收型和数字编码型。前者在18cm的动态范围上的长期分辨率为±2mm，光纤连接器和光纤弯曲损失≤1dB，环境光功率为≤0.5µW，传感头所要求的光功率<10µW；后者在40cm的动态范围上的分辨率为±2mm，对液位信息直接进行数字编码，无需标定，无漂移，电子仪器简单。

第三种荧光液位传感器是利用掺杂玻璃或塑料条的荧光辐射来探测液位。  

上述三种光学液位传感器的结构简单、低耗、稳定可靠，具有广泛的实用价值。

二、简单低耗普通光学液位传感器

1、基本光学液位传感器的结构

基本光学液位传感器仅由光源（例如LED、LD或光纤传送光源）和光电探测器组成。这两种元件的布局有4种不同的方式，如图1~4所示。在第一种传感器结构中（图1），光源位于装有待测液体管子的顶部，光电接收器位于管子的底部。第二种结构与第一种正好相反，光源位于管子的底部，而光电接收器位于管子的顶部，如图2所示。在第三种结构中，光源和光电接收器都位于管子的顶部，这时管子的底部应涂上抗反射镀层，以防底部的反射光到达光电接地器，只有液面反射光才能到达光电接收器，如图3所示。第四种结构是光源和光电接收器都位于管子的底部，如图4所示。在上述四种结构形式中，前两种是透射型，后两种是反射型。光源必须散射角小，以免管子侧壁反射，低功率激光二极管（LD）是较好的光源，光束发散角仅为mrad量级，而且是相干光束。最适于接收管中液面折射或反射连续波光束的光电接收器是针形光电二极管。  

2、基本光学液位传感器的设计

①液面形状

假定光束为圆截面对称高斯光束，液面曲率半径R为常数，管子长115mm，上下端分别空出10mm和5mm。选用水（折射率1.33）为试验液体。

由于表面张力的作用，任意管中液体的面总是弯曲的，至于向下还是向上弯曲取决于液体对固体管壁是浸湿还是非浸湿的。假定液面是球形的，曲率半径为R，液面在浸湿管中上升高度为S，则S由下式给出：

  (1)

式中，F_t—液体表面张力；

θ—液体与管壁的接触角；

ρ—液体密度（kg/m³）；

g—重力加速度。

液面曲率半径R可用管子的半径r_t表示为：         (2)

②高斯光束的传播原理

假定光源发出的是线偏振圆对称高斯光束，例如单模光纤传出的激光束和LED或LD发出的光经多模光纤传送的光束。距光源输出端为z处上述光束归一化电场分布为：

  (3)

式中，r²=x²+y²；

P_s—光束的功率；

k—传播常数，k=2pn/l；

n—传播介质的折射率；

l—光源的中心波长。

              (4)

W(z)—距光源z处光斑的半径；

             (5)

式中，W₀—z=0处光斑的最小半径；

R(z)—z处波前的曲率半径；             (6)

用下式定义一个复数曲率半径q(z)：                 (7)

距光源输出端z处高斯光束强度为：            (8)

如果光束投射到圆截面（半径为d）、响应率为r的光电二极管上，耦合功率P_d可通过在光电二极管截面上积分I(r,z)得到：           (9)

方程(9)已略去了介质的吸收损失和介面的反射损失。因此，对于固定 d、r和P_s，耦合功率只是W(z)的函数。方程(9)只能适用于透射型传感器（图1和图2）。当光源与探测器的中心有偏离时（如反射型传感器，图3和图4），如偏离x轴的距离为q，则耦合到探测器的功率P_dq由下式给出：

(10)

③光斑大小和耦合效率

在图1中，折射率为n₂的某种液体位于光源和探测器间的部分空间，光束的传播部分地通过空气(z-h)和液柱(h)。光束从管子的顶部穿过凹的介质介面，投射到探测器上的光斑大小为：

   (11)

式中： (12)

R—液面的曲率半径。

在图2中，投射到探测器上光斑大小为： (13)

式中：         (14)

在图3中，投射到探测器上光斑大小为： (15)

在图4中，投射到探测器上光斑大小为： (16)

假定管子的顶部或底部是非光学平面，不考虑光在管子内的多次反射，为减少这种反射可将管子的内表都涂上吸光镀层。假定光源与探测器之间无任何偏离，考虑到光的反射损失，由方程(9)可得图1所示传感器的功率耦合效率为：       (17)

式中，T₁—总的透射损失。

a—液体对光（波长为l）的吸收系数；

如果探测器具有玻璃或石英光窗，窗的损失也应包括在T₁中。图2所示传感器的功率耦合效率为：      (18)

图3所示反射型传感器的功率耦合效率为：                   (19)

式中，r₃—空气-液体界面的反射系数；

      T3—总的反射损失。

图4所示传感器的功率耦合系数为：        (20)

式中，r₄—液体-空气界面的反射系数；

       T4—总的光损失。

3、实验结果

实验用管子高115mm，半径为23mm。光源为可见光源（LED_S和LD_S），光束为横向偏振单色光。实验用液体包括水、汽油、煤油和乙醇，计算时以水为例，光的波长选为670nm，光源半径约1mm~2mm，输出功率为1mW~2mW，在选波长时高斯光斑的最小半径为100mm。在实验过程中大部分参数都是可变的，尤其是针光电探测器的半径和液位。图5和图6为图1和图2所示传感器的耦合效率与液面高度的关系图。透射型传感器的耦合效率随液位h的增加而连续地减小，但随探测器半径的增加而增加。

图7 图3所示传感器的耦合效率与液面高度的关系

图8 图3所示传感器当q不同时耦合效率与液面高度的关系

图7所示为图3反射型传感器的耦合效率与注面高度的关系图。探测器和光源半径分别为2mm和1mm。液面高度逐渐增加到60mm的过程中，耦合效率随之增加，再进一步增加液面高度，耦合效率随之减少。这种类型传感器的优点是：

①液柱上表面的反射不受液体中杂质颗粒的影响；

②容易包装。

因此，图3所示反射型液位传感器优于图1所示透射型液位传感器。

为研究各种设计参数对反射型液位传感器耦合效率的影响所作实验结果如图8~12所示，在这些实验中，只有液柱高度变化，所有其它设计参数都保持不变。在图8中，对于给定的探测器半径（d=2mm），当光源与探测器的偏离q变化时，耦合效率与液面高度h的关系也随之变化。图9表示当探测器半径d不同时耦合效率与液面高度的关系。图10给出了光源光斑大小W₀不同时耦合效率与液面高度h的关系。图11给出了液体折射率不同时耦合效率与液面高度h的关系。图12表示盛液体管子的半径d和对应的液面曲率半径R不同时耦合效率与液面高度的关系。从这些实验结果中不难看出，基本光学液位传感器的最佳设计方案是反射型结构，对应液柱高度h、管子与探测器半径d、折射率n、液体密度和表面张力、光束光斑大小和发散角以及光源与探测器间的偏离（误差准直）诸多设计参数综合考虑。这种传感器的最大优点是结构简单、低耗、体积小、精度高，可应用于各种交通工具，如飞机、汽车等。