基于光纤检测的油罐液位监控系统

徐庆富

（桂林电子科技大学 信息科技学院,广西 桂林 541004）

1 引言

液体燃料是一种使用很广泛的能源。燃料的存储运输的安全问题一直是人们关注的问题，因此对其进行液位的实时测量显得尤为重要。油罐作为一个特殊环境，对电子测量要求很苛刻，必须具备很高的防火、防爆等级，普通的电子测量并不满足这一功能[1]。

目前，大多采用静压投入式液位测量，超声波液位测量等。静压投入式测量无法很精确的测量动态液位，超声波受幻境影响很大，不具备很好的抗干扰能力[2]。基于光纤检测的油罐液位监控系统，采用光纤探头在不同的介质中具有不同的反射强度，测量反射光强来检测液位高度。

2 系统组成

基于光纤检测的油罐液位监控系统由漫反射式光纤头、步进电机、光电转换、模数转换器等组成。如图1所示。

图1 基于光纤检测的油罐液位监控系统组成

在测量中，MCU控制捆绑在步进电机链带上的光纤头进行向下（或向上）运动。当光纤头到达液位时，反射光的强度会大幅度降低，MCU通过对步进电机步数的计算来显示当时的液位高度。液位的探测过程就是单片机根据A/D采集模块电路采集到的光照强度的不同来判断液位与光纤探头相对位置，从而对步进电机下达正转或者反转的指令。

2.1 漫反射式光纤头

漫反射式光纤头具有以下特性：当光线在液位上面1cm以内时，因为漫反射作用，光照强度会很高，在液位上面1cm以外光强会很小；当光纤探头浸入液体中时，光照强度基本上是一个恒定的值。

2.2 步进电机驱动电路

基于光纤检测的油罐液位监控系统选用一台东风二相六线0.9度步进角的步进电机，并了作用直径10mm的步进电机轮轴与专业的步进电机链带，尽可能的减少运动误差。步进电机驱动采用美国德州仪器公司制作的一款微型电机驱动集成电路L293D芯片。该芯片工作电压为4.5V-36V,单通道电流600MA，峰值输出电流1.2A。

2.3 MCU

基于光纤检测的油罐液位监控系统采用意法半导体生产的STM32F051单片机作为主控芯片。该芯片是ARM核的32位微处理器，工作频率为48MHz，具有高速的嵌入式闪存，并广泛集成增强型和IO口，所有器件提供标准的通信接口（最多2个I2C，2个SPI，1个HDMO CEC 2个USART）1个12 位ADC，1个12位DAC, 最多5个通用16位定时器,1个32位定时器和1个高级控制PWM定时器。以上这些特点使得STM32F051微控制器广泛应用于各领域[4]。

STM32F051集成12位ADC，因此直接利用片上ADC，节省相应的硬件资源，同时也减少外部干扰。

2.4 光电转换

光电转换采用光电二极管，光电二极管将光强度转换成光电流，再通过I-V变换电路将光电流转换成电压信号，供ADC进行模数采集。由于光电流较微弱，需要进行前置放大。前置放大器采用ICL7650斩波稳零运算放大器，该器件是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放, 它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点[5]。

3 软件组成

图2 基于光纤检测的油罐液位监控系统流程图

基于光纤检测的油罐液位监控系统软件流程图如图2所示，MCU对ADC采集回来的信号进行判断，判断是否到达液面，如到达液面立即停止步进电机的运转，同时记录步进电机运转的步数，进行数据运算即可得出液位高度。

4 系统实测数据

经过测试，基于光纤检测的油罐液位监控系统的测量范围在5cm—100cm，测量精度是2mm以内，精度较好。测试数据如下表所示。

5 结束语

检测结果表明，基于光纤检测的油罐液位监控系统测量精度较高，稳定性较好，具有一定抗干扰能力，且操作简单。具有广阔的市场前景。

测试数据

[1]贾丽,袁小平,陈烨,邓昆,张继森.常用液位检测方法的研究[J].能源技术与管理,2009(01):120-122.

[2]杨朝虹,李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势[J].工矿自动化,2009(06):61-64.

[4]赵娜,李斌,谢卫彬.基于STM32F051控制的太阳能并网发电系统设计[J].河北工业科技,2014(05):441-446.

[5]吴祖国.ICL7650斩波稳零运算放大器的原理及应用[J].国外电子元器件,2003(04):41-42.