基于光电开关的输液瓶液位监测报警系统

金 星,潘 玲

（1.遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002；2.遵义医学院 附属医院，贵州遵义563000）

基于光电开关的输液瓶液位监测报警系统

金 星1,潘 玲2

（1.遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002；2.遵义医学院 附属医院，贵州遵义563000）

设计了一种输液瓶液位监测报警系统。该系统以光的折射原理为基础，将光电开关与透镜结合到一起，当输液瓶中的液位到达警戒位置时，光电开关输出的微弱信号经放大器放大和比较器滤除干扰信号后输出高电平，触发报警系统发出声光报警，以此来提醒医护人员进行相应处理。系统灵敏度高，成本低，具有很好的应用价值。

光电开关；输液瓶；液位；监测；声光报警

输液，又名打点滴或者挂水，是临床医学不可缺少的治疗手段之一。病人输液时，如果没有医护人员的看护，可能面临液体输完后空气进入血管和血液回流的危险；如果医护人员一直在旁守护，又会造成不必要的人员浪费[1]。因此，输液瓶的液位监测具有实际的应用意义，它可以实时监控输液瓶内的液体余量。

本文设计了一种输液瓶液位监测报警系统，当系统监测到剩余液体液面低于设定的液面时，系统发出声光警报，提醒医护人员及时处理，避免输液瓶内的液体流完而导致的危险。

1 设计思路

1.1 光的直线传播和折射原理

（1）光的直线传播

光在同种均匀介质中沿直线传播，通常简称光的直线传播。

（2）光的折射原理

光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折，这就是光的折射现象，折射原理如图1所示。如光从空气中射入水中，则存在如下规律：

式中，i为入射角；r为折射角；v1为光在空气中的传播速度；v2为光在水中的传播速度；n为折射率。

1.2 系统设计思路

在本设计中，采用光的直线传播和折射原理实现输液瓶液面监测。现在临床医学中广泛采用聚丙烯塑料输液瓶，由于塑料瓶的壁厚在实际情况中对光路的影响极小，本文忽略不计。取塑料瓶的纵向截面进行观察，在两侧瓶壁上分别安置发光源和受光器，并且发光源和受光器的连线与水平线成一定夹角。

如图2所示，根据光的直线传播原理，初始状态下，瓶内充满液体，发光源发出的光线沿直线照射到受光器上，受光器信号无变化，系统处于静默状态。

如图3所示，根据光的折射原理，当液面下降到发光源与受光器连线之间时，光线在液面处发生折射并偏离初始路线，受光器失去光照，从而引起信号端电位变化，触发系统启动声光报警。

2 系统工作原理

本系统采用对射式光电开关工作原理，把发射端和接收端之间光线的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。系统由发光源、受光器和检测电路三部分组成。系统工作原理如图4所示。

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在发光器输入端加电信号使发光二极管（LED）发光，对准受光器发射光束，光束不间断地发射。受光器为光电三极管，当光束照射到受光器上后，因光电效应而产生了光电流，并由输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换，在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号，并应用该信号触发声光报警装置。

由于发光二极管（LED）发出的光是散射光，因此，在发光源和受光器的前面装有光学透镜，以便更好的聚光和滤除干扰光。

3 系统硬件设计

本系统应符合以下几方面要求：光源指向性好、有足够的穿透力,并不能破坏药液的成分；系统启动操作简单迅速；坚固、耐震，耐用。

3.1 发光源

发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)是一种能发光的半导体电子元件，它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度快、高可靠性等传统光源不及的优点[2]。相比传统照明，LED具有较高的光电转换效率和较低的能耗，是一种节能环保的发光器件[3]。

LED的种类繁多，依发光波长大致分为可见光与不可见光两类；按发光强度角分布图分为高指向型、普通型和散射型三类[4]。

根据系统要求，发光源采用高指向型不可见光LED，它可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去[5]，光强半值角为5°～20°，波长852～1550nm。

如图5所示，发光源电路采用3V直流供电，为保证流过LED电流的一致性和电压的稳定性，由Q1和Q2组成整流稳压电路，采用单颗LED作为发光源。整个电路结构简单，功耗低，光照连续稳定。

虽然已经采用高指向型LED，但为了保证光路一致性，所以在LED前放置一块凸透镜，以此来保证良好的聚光效果，聚光模拟图如图6所示。

3.2 受光器

受光器的作用是接收发光源发出的红外光，转换成电信号后通过运算放大器放大输出。本文采用光电三极管作为受光器的主要元件。

光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的光电器件[6]。它不但能实现光-电转换，还能放大光电流，灵敏度比光电二极管高[7]，输出的光电流经过放大电路后可以直接由各种处理器接收。它具有抗干扰性好、隔噪声、响应快、可靠性高、寿命长等优点。

受光器电路图如图7所示，在光电三极管前端安置光学透镜（图中未画出）聚光并过滤掉外部干涉光，光敏三极管将接收的光信号转换成电信号，经放大器放大后输出。当发光源发出的光直接照射到受光器时，光电三极管导通，输出电压较低，经过比较器后输出低电平，报警系统处于静默状态；当液面下降到发光源与受光器连线之间时，发光源发出的光线由于液面折射作用发生偏移，光电三极管接收到的光线强度不足以使其导通，输出的电压增高，经过比较器后输出高电平，使得报警系统发出声光报警。

3.3 声光报警

如图8所示，当报警电路接收到受光器输出的高电平时，触发报警电路工作，电信号经三极管放大，推动扬声器发出声响，同时控制红色超高亮发光二极管发出光信号，以此提醒医护人员采取处理措施。我们还可以在电路中加入定时电路，实现间隔报警声和闪烁光信号，以增强警示效果。

报警系统既可以安装在病房，也可以安装在护士站，在保证病人输液安全的基础上，提高医护人员的工作效率。

4 结束语

本文基于光的折射原理，将光电开关与透镜整合到一起，设计出灵敏度高、抗干扰能力强、方便灵活的输液瓶液位监测系统。系统所需元件简单、体积小，成品可封装在U型夹具上，使用时可按需固定在输液瓶的瓶颈或瓶身的任意位置；可利用多芯双绞线，按照结构化布线要求进行大范围安装，达到规模化使用需求；系统原理简单，成本低廉，便于维护，除了在输液领域，还可用于多种领域的液位监测，具有很好的生产推广价值。

[1]吴误,张小洪.模拟输液瓶液位测量及报警系统[J].中国西部科技,2010,(8)：45-47.

[2]夏继军,江仁杰.半导体发光二极管(LED)的应用及发展前途[J].湖南农机,2007,(5)：17-18.

[3]戴丽昕.照明的绿色革命[N].上海科技报,2007-03-28.

[4]任凤娟.基于LabVIEW的LED特性参数测试系统设计与研究[D].焦作：河南理工大学,2010.

[5]刘全恩.LED的原理、术语、性能及应用[J].电视技术,2012, (24)：52-59.

[6]任致程.怎样选用元器件讲座(三)光电三极管[J].家庭电子, 1997,(3)：43.

[7]马继瑞.手把手教你学习单片机(3)[J].电子制作,2007,(10)：60-63.

（责任编辑：朱彬）

The Monitoring and Alarm System of Infusion Bottle Liquid Level Based on the Photoelectric Switch

JIN Xing1,PAN Ling2
(1.Physics and MechanicaL&Electrical Engineering Institution，Zunyi Normal College,Zuniyi 563002,China;2.Affiliated Hospital of Zuiyi Medical College,Zuniyi 563000,China)

This paper designs a kind of monitoring and alarm system of infusion bottle liquid level.This system is based on the principle of light refraction and combines photoelectric switch with optical lens,when the liquid level in the infusion bottle reaches to the alert position,the weak signal exported by the photoelectric switch is enlarged through enlarger and filtered out interfering signals through comparer and exports the high electrical level,then it trigger the alarm system to send out audible alarm and in order to remind the medical staff to deal with the matter.The system has high sensitivity,low cost and good application value.

photoelectric switch;infusion bottle;liquid level;monitoring;audible alarm

TH247

A

1009-3583（2014）-0078-03

2014-04-13

贵州省科学技术基金资助项目（黔科合J字LKZS[2014]11号）;贵州省省级重点学科项目（黔学位办[2013]18号）;贵州省教育厅产学研基地项目（黔教合KY字[2013]127号）

金 星，男，贵州遵义人，遵义师范学院物理与机电工程学院副教授，硕士，主要从事自动测试系统、传感器与检测技术方面的教学和研究。