光电式液位传感器原理：接触式与非接触式详解

在工业过程控制、医疗设备和家电领域，光电式液位传感器以其高精度、高可靠性和无机械运动部件的突出优点，成为液位检测的关键技术之一。其核心在于利用光在不同介质（如空气与液体）中传播特性的差异来判断液面的有无。理解其工作原理，对于解决复杂工况下的液位监控问题至关重要。本文将聚焦于两种主流的实现方式：接触式与非接触式，并深度剖析其内在机制。

核心物理基础：光的全反射与折射

光电式液位传感器的物理基础是斯涅尔定律（折射定律）。当光从一种介质射向另一种介质时（如从玻璃射向空气），会发生折射和反射。当入射角大于临界角时，光线会全部反射回第一种介质，这种现象称为全反射。液体的存在会破坏这种全反射条件。

类型一：接触式（杆式）光电液位传感器原理

这是最常见、最直接的形式，传感器探头直接与被测液体接触。

• 内部结构：传感器探头内部分别封装有一个红外LED发射器和一个光电晶体管接收器，并带有一个光学棱镜。

• 工作原理：

  1. 在空气中（无水状态）：发射器发出的红外光以大于临界角的角度射向棱镜与空气的界面，发生全反射，反射光被接收器侦测到，传感器输出一种状态（例如“高电平”）。

  2. 在液体中（有水状态）：当液位上升至淹没探头棱镜时，光的传播介质从“玻璃-空气”变为“玻璃-液体”。由于液体的折射率远大于空气，全反射条件被破坏，大部分光线将折射入液体中，仅有极少量的光反射回接收器。

  3. 状态切换：接收器检测到的光强发生断崖式下跌，内部电路据此判断液位已到达，并翻转输出状态（变为“低电平”）。

类型二：非接触式（外置式）光电液位传感器原理

适用于需要隔离检测、防止污染或容器壁不允许开孔的场景。

• 工作原理：传感器夹持或固定在透明容器壁的外侧，发射器与接收器分别位于两侧或同侧。

  • 对射式：发射器和接收器相对安装在容器两侧。无液体时，光穿透空气和容器壁，接收器能收到较强信号；有液体时，光被液体强烈吸收和散射，接收器信号大幅减弱。

  • 反射式：发射器和接收器并列位于同一侧。通过检测容器壁与液体界面处反射光强度的变化来判断液位。

• 核心特点：不接触液体，无污染风险，安装灵活，但对容器材质（需透明）和壁厚有要求。

2025年技术优势与选型指南

基于上述原理，光电式液位传感器具备以下独特优势：

• 高可靠性：无活动部件，寿命长，耐磨损。

• 高精度：仅对液面处的介质变化敏感，点位控制精确。

• 不受液体特性影响：对于接触式，只要液体能改变全反射条件（几乎所有液体都可以），即可检测，与液体的粘度、密度、介电常数或颜色（非接触式受颜色影响）无关。

选型决策路径：

1. 能否接触液体？能否在容器上开孔？

   • 能 → 首选接触式杆状传感器，性价比最高，可靠性最佳。

   • 不能 → 选择非接触式外置传感器。

2. 液体是否具有强腐蚀性或高粘度？

   • 是 → 接触式需选择具有耐腐蚀涂层（如特氟龙） 的探头。

3. 容器材质是什么？

   • 非接触式要求容器壁为透明或半透明材料（如玻璃、透明塑料）。

关于光电式液位传感器原理的常见问题

问：这种传感器能检测油类液体吗？
答：完全可以。无论是接触式还是非接触式，油类液体都能有效改变光的传播特性（破坏全反射或吸收/散射光线），因此可以被稳定检测。

问：接触式传感器对气泡和泡沫会误判吗？
答：通常不会。由于其工作原理依赖于介质折射率的稳定变化，瞬时的气泡或轻微的泡沫无法形成稳定的液膜来持续破坏全反射条件，因此传感器能有效抵抗此类干扰，输出状态稳定。

问：光电式液位传感器可以用于连续量测量吗？
答：标准的点位开关式传感器不能。它只能检测液位是否到达某个预设点。然而，存在一种光纤连续液位计，它通过测量沿光纤不同位置液位变化导致的反射光信号来实现连续测量，这是更高级的应用。

结论

光电式液位传感器原理的本质是利用光在气-液界面处传播特性的剧变，并将其转换为一个清晰的开关信号。这种基于物理光学原理的工作机制，赋予了它卓越的稳定性和广泛的介质适应性。在您需要高可靠性地检测水、油、化学品或其他液体是否到达某个特定位置时，光电式液位传感器应作为您的优先选择。 建议在最终选型前，使用实际的液体样品进行测试验证。