折射式光电液位传感器

定义与用途

折射式光电液位传感器是一种开关型光电液位检测器件，用于判断探头所在高度处是否存在液体，即给出“有液/无液”两种状态，而不是连续测量液位高度。

基本组成

• 发光元件：常用发光二极管（LED），发出红外或可见光。
• 受光元件：常用光电三极管（也可用光电二极管等），把接收到的光辐射功率（或相应辐照度）转换为电信号；若光源限于可见谱且采用光度量，也可表述为光通量。
• 探头/光路结构：通常为透明玻璃管、透明塑料管或棱镜式探头，发光元件与受光元件按一定几何关系安装在管壁或探头两侧。

工作原理

光从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变，遵循折射定律
$n_1\sin {\theta }_1=n_2\sin {\theta }_2$
式中 $n_1$、$n_2$ 分别为入射侧和折射侧介质的折射率，${\theta }_1$ 为入射角，${\theta }_2$ 为折射角，均以界面法线为基准，单位为弧度或度。

探头处介质状态不同，界面两侧的折射率组合不同：

• 无液时，管壁外侧（或探头外侧）为空气，空气折射率约为 1。
• 有液时，管壁外侧为液体，液体折射率通常明显大于空气。

因此，同一入射光在“空气—管壁”界面与“液体—管壁”界面上的折射条件不同，出射光的方向和强度分布随之改变。若原光路设计为无液时出射光偏离受光元件，则液面上升至探头平面后，折射使光线转向受光元件，受光元件输出电流（或电压）发生明显变化，经后续电路整形后输出液位开关信号。

关键关系

• 回光状态由界面两侧折射率之比、入射角以及探头几何形状共同决定。
• 管壁材料折射率影响光在管壁内的传播方向；探头几何（发光元件与受光元件的相对位置、管壁厚度与曲率、入射面倾角）决定无液与有液两种情况下光线的落点差异。
• 只有当液面到达发光元件与受光元件所在平面附近时，界面介质才由空气切换为液体，输出才发生跳变，因此该器件检测的是“该平面处有无液体”。

条件与适用范围

• 适用于能形成明显折射率差的透明或半透明液体；液体折射率与空气差别越大，状态区分越明显。
• 要求探头（玻璃管或棱镜）透光良好，管壁内外表面清洁，否则污物会改变折射与散射条件。
• 输出为开关量，不能直接给出连续液位数值；若需连续测量，应采用其他原理的液位传感器。
• 实际阈值、灵敏度与安装位置有关，需结合具体光路与电路确定，不能脱离结构参数给出统一数值。