工业不锈钢光学液位传感器的核心原理基于光学反射与折射技术，通过检测光信号在液体与空气界面处的变化来确定液位。以下是其工作原理的详细解析：

1. 基本组成

  • 红外发光二极管（IR LED）：发射特定波长的红外光（通常为850nm或950nm），避免可见光干扰。

  • 光敏接收器（光电晶体管/光电二极管）：接收反射光并转换为电信号。

  • 不锈钢探头：保护内部光学元件，耐腐蚀、耐高压，直接接触介质。

  • 信号处理电路：将接收器的模拟信号转换为数字输出（开关量或模拟量）。

2. 工作原理

（1）液位检测过程

  • 未接触液体时（空气中）：

    • 红外光从探头头部射出后，因空气折射率低（≈1.0），大部分光散射到空气中，仅少量反射回接收器。

    • 接收器信号弱，输出状态为“无液位”（如继电器断开、低电平）。

  • 接触液体时：

    • 液体折射率较高（如水≈1.33，油≈1.4），光线在探头-液体界面发生全反射或折射，更多光被反射回接收器。

    • 接收器信号增强，触发输出状态为“有液位”（如继电器闭合、高电平）。

（2）光学路径示意图

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红外LED → 光线穿过探头头部 → 界面（空气/液体）→ 反射光 → 光敏接收器

  • 关键点：探头头部通常采用棱镜或透镜结构，优化光路聚焦效果。

3. 核心光学现象

  • 全反射临界角：

    • 当光线从高折射率介质（探头材料，如玻璃/塑料≈1.5）射向低折射率介质（空气≈1.0）时，若入射角大于临界角，会发生全反射。

    • 液体存在时，临界角改变，全反射被破坏，光强分布变化。

  • 菲涅尔定律：

    • 反射光强与入射角、两种介质的折射率差相关，传感器通过量化反射光强差异判断液位。

4. 抗干扰设计

  • 环境光补偿：

    • 采用调制红外光（非连续发射）+ 窄带滤波，抑制日光或灯光干扰。

  • 表面污染处理：

    • 特殊涂层减少液体残留（如疏水涂层防粘稠液体）。

  • 温度补偿：

    • 内置温度传感器，修正因介质温度变化导致的折射率漂移。

5. 输出信号类型

类型 特点 适用场景
开关量 高低电平（NPN/PNP）、继电器触点 液位报警、泵控制
模拟量 4-20mA、0-10V（连续输出液位高度） 储罐液位百分比监测
IO-Link 数字通信，支持参数远程配置 智能化工厂

6. 优势与局限性

  • 优势：

    • 无机械运动部件，寿命长（>10万次动作）。

    • 响应快（毫秒级），适合高频检测。

    • 不锈钢材质耐腐蚀、耐高压（可达100Bar）。

  • 局限性：

    • 不适用于浑浊、泡沫或强粘稠液体（影响光路）。

    • 需定期清洁探头表面（沉积物会导致误判）。

7. 应用示例

  • 化工行业：检测盐酸储罐液位（316L不锈钢抗腐蚀）。

  • 食品灌装线：控制饮料瓶液位高度（卫生型设计）。

  • 燃油发电机：柴油油箱低液位报警（防爆认证）。

通过这一原理，光学液位传感器实现了高可靠性的非接触（或接触式）检测，成为工业液位监控中的重要选择。