一種應(yīng)用于激光整機(jī)的液位傳感器研制

方 航

(安徽華東光電技術(shù)研究所有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著激光行業(yè)的迅速發(fā)展，激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，由于激光器對工作條件有著嚴(yán)格的要求，在不適當(dāng)?shù)墓ぷ骰虼娣艞l件下，會造成性能急劇惡化，甚至失效。所以，在激光整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，作為重要組件的冷卻液箱體尤為重要，因而，對于液面監(jiān)控的液位傳感器，同樣有很高的要求。在能夠保證正常工作的情況下，為了更好地應(yīng)用于實(shí)際，需要設(shè)計(jì)一種成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單且液面檢測精確的液位傳感器。

本文提出了一種液位傳感器的設(shè)計(jì)方法，采用光電探頭和控制電路組成的技術(shù)方案，先將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸出不同電壓值來實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警和報(bào)警功能。采用印制電路板制作工藝實(shí)現(xiàn)電路的小型化，腔體內(nèi)部整體灌封，可靠性高，選用高精度低溫漂電阻，保證電路輸出電壓精度，同時(shí)對整個(gè)液位傳感器進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，最終為激光整機(jī)系統(tǒng)的冷卻液箱體提供一個(gè)穩(wěn)定可靠精確的液位傳感器。

1 傳感器技術(shù)方案對比

液位傳感器是激光整機(jī)系統(tǒng)中冷卻液箱體的重要器件，當(dāng)液體泄漏無法提供報(bào)警功能時(shí)，對整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，必須進(jìn)行液面高度的監(jiān)控。在實(shí)際工程應(yīng)用中，要求電源電壓為+5 V，輸出報(bào)警電壓值為高電平，安全電壓值為低電平，而且在-55℃～70℃穩(wěn)定工作，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

為達(dá)到表1的技術(shù)指標(biāo)要求，本文對多種液位傳感器技術(shù)進(jìn)行分析，來確認(rèn)最終的技術(shù)方案，在滿足要求的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、低成本和高可靠性。

1.1 電容式液位傳感器

電容式液位傳感器是利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量，從箱體口伸入2個(gè)同心或平行的電極，利用液體的介電常數(shù)或電阻，可以計(jì)算出電容或電阻的變化，從而計(jì)算出液面的高度。電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等，它的適用范圍廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不像其他方法那樣嚴(yán)格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位，結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，可測極低的壓力，但寄生電容影響大，輸出特性為非線性，測量精度較差。

1.2 超聲波液位傳感器

超聲波液位計(jì)是一種非接觸式液位傳感器，可用于測量各種容器或管道的液位高低。探頭安裝在受測液體的上方，探頭受電激勵(lì)后，通過空氣向其下的液體發(fā)射超聲波，超聲波被液體反射，回波被探頭接收和測量，并被轉(zhuǎn)換為電信號。超聲波液位計(jì)具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，具有能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)，對液體、固體穿透本領(lǐng)大，但由于發(fā)射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離探頭較近的小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無法識別，不能測量其距離值，此區(qū)域?yàn)槊^(qū)。

1.3 光纖液位傳感器

光纖液位傳感器包括接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件、傳輸光信號的雙芯光纖、發(fā)光受光和信號處理的接收裝置三部分。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來，當(dāng)敏感元件與液體接觸時(shí)，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射量即可知敏感元件是否接觸液體。光纖液位傳感器的敏感元件和傳輸信號的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較為昂貴。

1.4 光電液位傳感器

根據(jù)以上不同類型的液位傳感器的分析，聯(lián)系到工程應(yīng)用的實(shí)際情況，本文采用光電探頭和控制電路組成的液位傳感器方案，即光電液位傳感器，這是一種利用光在2種不同介質(zhì)界面發(fā)生折射原理的接觸式點(diǎn)液位測控裝置。光電液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，其輸出只與光電探頭是否接觸液面有關(guān)，與介質(zhì)的其他特性無關(guān)，故液面檢測正確、重復(fù)精度高，響應(yīng)速度快，液面控制非常精確。

2 光電液位傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用光電探頭作為感應(yīng)裝置，探頭內(nèi)部包含一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏接收器，發(fā)光二極管發(fā)出的光被導(dǎo)入探頭頂部的透鏡，光敏接收器通過感應(yīng)從透鏡反射回來的光線多少來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電氣開關(guān)，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸出不同電壓值，再選取施密特反向觸發(fā)器作為控制電路，對輸出電壓值進(jìn)行處理，使得最終只輸出報(bào)警高電平(+5 V)和安全低電平(0 V)，實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目的報(bào)警功能，具體原理框圖如圖1所示。

圖1 光電液位傳感器原理框圖

整個(gè)液位傳感器的尺寸要求關(guān)鍵在于預(yù)報(bào)警和報(bào)警探頭的位置，設(shè)計(jì)在腔體的頂部留有光電探頭的安裝孔，腔體和蓋板均選用金屬封裝，材料為316不銹鋼，強(qiáng)度大、硬度高，可保證長期耐腐蝕性。元器件緊貼印制板進(jìn)行臥式安裝置于腔體內(nèi)部，并將焊點(diǎn)用膠加固，腔體內(nèi)部采用整體膠灌封工藝，保證內(nèi)部元器件在振動(dòng)過程中不發(fā)生松動(dòng)，既保證了密封性能，也可提高產(chǎn)品的抗振動(dòng)能力，輸出形式采用航空導(dǎo)線輸出，共4根，具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 工藝實(shí)現(xiàn)

根據(jù)液位傳感器的技術(shù)指標(biāo)要求，并考慮制作成本的情況下，本文選用材質(zhì)為FR-4的印制電路板，對電路板進(jìn)行布局，頂層和底層均放置芯片和電阻來減小體積，觸發(fā)器芯片選用塑封貼片，電阻選用的封裝為0603的高精度電阻，光電探頭一端焊接在電路板上，通過腔體頂部的安裝孔將整個(gè)電路板放置到腔體中，將導(dǎo)線焊接在電路板上通過蓋板引出，內(nèi)部整體灌封并封蓋，整個(gè)傳感器具體實(shí)現(xiàn)的工藝流程如圖3所示。

圖3 液位傳感器工藝流程圖

首先對制作完成的腔體、蓋板和印制板進(jìn)行清洗，用棉球蘸取無水乙醇擦拭腔體的內(nèi)壁及外壁、蓋板和印制板的正反面，擦拭完成后將其放入盛有無水乙醇的燒杯中，浸泡后取出，用氮?dú)獯蹈?；通過點(diǎn)膠機(jī)依次在印制板焊盤處涂覆焊錫膏，用鑷子將元器件放置在涂覆有焊錫膏的焊盤處，放置加熱平臺上進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完成后取下印制板，放置于散熱片上，冷卻至常溫；完成以后，利用焊錫絲進(jìn)行手工焊接，將光電探頭和航空導(dǎo)線焊接到電路板上，分別對應(yīng)其位置，完成后用酒精棉擦拭焊點(diǎn)，將膠體慢慢擠出流淌進(jìn)腔體，控制好擠壓力度和膠體流淌速度，避免一次性注入過多膠體，注意膠體要充分填滿灌注部分，不能產(chǎn)生氣泡，每次注完后靜置2 min再進(jìn)行下一次灌注，直至灌滿整個(gè)腔體，整個(gè)腔體灌滿后，將其放在干燥通風(fēng)處，自然風(fēng)干。最后，利用平行縫焊機(jī)將蓋板焊接在腔體上，檢查氣密性，再利用打標(biāo)機(jī)進(jìn)行標(biāo)識打印，完成整個(gè)液位傳感器的制作。

3.2 測試結(jié)果

電路加工、電裝完成后對液位傳感器進(jìn)行測試，測試過程中通過改變電阻值來調(diào)試各個(gè)參數(shù)值，具體測試原理框圖如圖4所示。

圖4 測試原理框圖

為模擬冷卻液箱體內(nèi)部環(huán)境，測試時(shí)需要在較黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，直流電源提供液位傳感器的輸入電壓為+5 V，測試2個(gè)光電探頭分別在空中和水中的電壓值，使用數(shù)字萬用表讀取電壓值，同時(shí)在-55℃和+70℃恒溫30 min后測試，觀察傳感器能否跟常溫一樣正常工作，具體測試結(jié)果如表2所示。

通過表2測試數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的液位傳感器各項(xiàng)測試指標(biāo)良好，當(dāng)光電探頭遇水后輸出電壓值便發(fā)生變化，完全能夠滿足對冷卻液箱體內(nèi)液面高度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)報(bào)警和報(bào)警位置設(shè)計(jì)合理，并且通過了全溫區(qū)的實(shí)驗(yàn)測試，與常溫相比，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求。

表2 測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文針對激光整機(jī)系統(tǒng)的冷卻液箱體中，液體泄漏時(shí)要提供預(yù)報(bào)警和報(bào)警功能，設(shè)計(jì)了一種檢測精確的液位傳感器，通過對多種液位傳感器技術(shù)的分析，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，選擇采用光電探頭和控制電路組成的液位傳感器方案，給出了設(shè)計(jì)原理和工藝，該傳感器體積小、成本低且結(jié)構(gòu)簡單。通過搭建測試平臺，結(jié)果表明液面檢測正確，響應(yīng)速度快，并且通過了全溫區(qū)的實(shí)驗(yàn)測試，可靠性高，完全滿足實(shí)際工程應(yīng)用的技術(shù)要求，目前已在某型號激光整機(jī)系統(tǒng)中使用。