CN101509802A - 光学全反射式线阵ccd液位测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学全反射式线阵CCD液位测量方法及测量装置。该方法利用了光学的全反射原理，液体中点光可在液面上方一定区域形成一个反射盲区，使得液面下方的光强明显大于该盲区，而液面正是这一盲区的下边界，再利用线阵CCD便可测量出该边界的位置，如果对线阵CCD输出数据作进一步处理可得到高精度液位测量值。该方法是一种无需光学成像透镜的光学液位测量方法，具有精度受液体温度变化和浓度变化的影响极小、结构相对简单、易于布放、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点，如果将接收装置置于透明容器外部可实现非接触式测量。

Description

光学全反射式线阵CCD液位测量方法及测量装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种液位测量方法及装置，具体地说是一种光学全反射式线阵CCD液位测量方法及测量装置。

(二)背景技术

液位是工业过程中最重要和较常见的测量参数之一。液位的测量主要是指汽—液、液—液、液—固分界面位置测量技术，其广泛应用于化工、石油及动力装置等液体存储设备中。现有的液位测量方法有压力式液位测量法、浮沉式液位测量法、电容液位测量法及超声波液位测量法等，但当液体浓度、温度变化或受环境限制时，上述测量方法的分辨率低、误差较大或不能实施测量。

随着现代光学技术与光电子技术的进步，电荷耦合器件的精密制造技术及性能得到了快速发展。这使得利用线阵CCD的高分辨力测量液位的微小变化成为可能，并为液位测量提供了新的手段。

目前主要有三种基于CCD的液位测量方法。一、基于线阵CCD的激光反射法：该方法的实现原理是通过一个激光器在被测液位的斜上方入射一束激光，反射的光束被线阵CCD接收，当液位变化时，激光与液面的接触点发生变化，这使线阵CCD所接收光束的像素位置发生变化，从而测出液位。这种方法的主要弱点是易受环境因素的影响，很难在运动载体上施用。二、基于线阵CCD的光学成像法：该方法的实现原理是利用反射板反射线光源的光线到光源所对应的另一侧，所反射的光线穿过透明容器并由光学透镜成像于CCD上。该方法利用了光学中的透镜成像原理，测量范围广，但是需要物镜、反射板等器件，占用体积大，此外由于测量范围大，CCD与液面距离较远，焦距的调节也比较困难，容易产生较大误差。三、基于CCD的线光源成像法：该方法的实现原理是将线光源与线阵CCD分布于柱形透明容器两侧，线光源所发射的光通过盛放液体的柱形透明容器后，由于柱形透明容器的透镜效应，在其等效的透镜的焦距上即可得到柱形透明容器中液位信息。该方法结构相对简单，但是由于玻璃管本身是一个透镜，线阵CCD与玻璃管需要有一定的距离，容易产生误差。另外对线光源的要求也比较高，使用范围有限。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种无需成像透镜、适用于非粘稠状液体的液位测量的光学全反射式线阵CCD液位测量方法。本发明的目的还在于提供一种光学全反射式线阵CCD液位测量方法的专用测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的光学全反射式线阵CCD液位测量方法包括：

由线阵CCD及其处理电路密闭于箱体中构成传感单元，将密闭的传感单元半浸于待测液体中，线阵CCD的感光面与液体直接接触，且由CCD像素组成的像敏线与被测液面垂直；将一个点光源单元置于被测液位下方、传感单元之前处，使光线能够直接照射到线阵CCD的处于液面下方的CCD感光区域上；线阵CCD处于液面上方的感光区域只处于液面下方电光源的全反射盲区，接收液面下方较弱的散射光信号段；通过分析线阵CCD芯片测得的光强信号的突变位置确定液位。

本发明的光学全反射式线阵CCD液位测量方法是通过这样的装置来实现的：

LED点光源封闭在透明防护罩中构成光源单元；线阵CCD、处理电路密闭在密闭箱体中组成构成传感单元；线阵CCD嵌于密闭箱体的一侧面上的宽度与CCD芯片宽度一样的开槽中并在密闭箱体内外两侧对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封，同时CCD芯片的防护玻璃略凸出于密闭箱体的这一侧面；将传感单元按照使线阵CCD与水平面垂直、同时液面处于线阵CCD感光区中部的要求置于容器相应位置；将光源单元按照LED点光源放在液面下和线阵CCD的前下方、且使液面上方的线阵CCD部分处于LED点光源的全反射盲区中的要求置于容器相应位置。

本发明的装置还可以包括：

1、所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路和数据传输电路。

2、所述的将传感单元置于容器相应位置是将传感单元置于盛有待测液体的容器中或紧贴于容器的侧壁；所述的将光源单元置于容器相应位置是将光源单元置于容器中。

3、非接触测量时，所述的容器为透明容器，所述的将光源单元和传感单元置于容器相应位置是将光源单元和传感单元置于容器外，CCD与容器侧壁紧贴。

本发明是一种无需成像透镜的光学全反射式线阵CCD液位测量方法及装置，该适用于非粘稠状液体的液位测量。它将一个密闭的传感单元半浸于待测液体中，该传感单元由线阵CCD电路、图像采集与数据处理单元组成，线阵CCD芯片的感光面与液体直接接触，且由CCD像素组成的像敏线与被测液面垂直；将LED点光源单元置于被测液体下方、传感单元之前处，使光线能液体中直接照射到线阵CCD的处于液面下方的感光区域上；液面上方的线阵CCD感光区域处于电光源的全反射盲区，只能接受到相对较弱的光信号。这样，完整的CCD信号图像将分为两段：液面上方平坦且较弱信号段、液面下方较强信号段，通过分析线阵CCD芯片测得的光强信号的突变位置可确定液位。

利用了液体中光源发出的光线在液体与空气界面(液面)处能够产生全反射的原理，在无需光学成像透镜的条件下，液面下方的线阵CCD像素得到强度较大的输出值，液面上方的线阵CCD像素得到强度较小的输出值，这样一帧CCD完整图像数值的突变处就反映液位特征。该方式具有精度不受液体温度变化和浓度变化的影响、结构相对简单、易于布放、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点，如果将该装置置于透明容器外部可实现非接触式测量。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明光路原理示意图；

图3是本发明非接触式液位测量示意图；

图4是本发明线阵CCD各像素输出信号的幅值示意图。

(五)具体实施方式

结合图1，光学全反射式线阵CCD液位测量装置包括LED点光源3及透明防护罩4、密闭箱体7、线阵CCD6、电路单元8(包括：CCD驱动、数据采集与处理和数据传输功能)，线阵CCD6嵌于密闭箱体7某一侧面宽度与CCD芯片宽度一样的开槽中并在密闭箱体7内外两侧对开槽与CCD6的缝隙实行密封，同时保证CCD6的防护玻璃略凸出于密闭箱体7的这一侧面。将密闭箱体7置于盛有待测液体2的容器5中(或紧贴于容器的侧壁)，且使线阵CCD与水平面垂直，同时液面1处于线阵CCD感光区中部；为实现全反射式光学测量，将置于透明防护罩4中的LED点光源3放在密闭箱体7的液体中，且使液面上方的CCD部分处于LED点光源的全反射盲区12中。于是可得线阵CCD各像素输出信号的幅值示意图，结合图4，其中液面上方较弱且平坦信号段9、液面下方较强信号段11和两段之间的突变段10，通过这些信息可实现液位测量。为扩大量程，可引入一个随动装置，使密闭箱体7大致跟随液位运动并记录其位移量，从而实现大量程液位测量。

结合图3，如果将该装置置于透明容器外部可实现非接触式测量，如图3。

对于不同的待测液体可以选用谱段不同的点光源和线阵CCD。

Claims (5)

1、一种光学全反射式线阵CCD液位测量方法，其特征是：由线阵CCD及其处理电路密闭于箱体中构成传感单元，将密闭的传感单元半浸于待测液体中，线阵CCD的感光面与液体直接接触，且由CCD像素组成的像敏线与被测液面垂直；将一个点光源单元置于被测液体下方、传感单元之前处，使光线能在液体中直接照射到线阵CCD的处于液面下方的感光区域上；液面上方的线阵CCD感光区域处于点光源的全反射盲区，只能接受到相对较弱的光信号；通过分析线阵CCD芯片测得的光强信号的突变位置确定液位。

2、一种光学全反射式线阵CCD液位测量方法的专用测量装置，其特征是：LED点光光源封闭在透明防护罩中构成点光源单元；线阵CCD、处理电路密闭在密闭箱体中组成构成传感单元；线阵CCD嵌于密闭箱体的一侧面上的长、宽与CCD芯片的长、宽一样的开槽中并在密闭箱体内外两侧对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封，同时CCD芯片的防护玻璃略凸出于密闭箱体的这一侧面；将传感单元按照使线阵CCD与水平面垂直、同时液面处于线阵CCD感光区中部的要求置于容器相应位置；将点光源单元按照LED点光源放在液面下和线阵CCD的前下方、且使液面上方的线阵CCD部分处于LED点光源的全反射盲区中的要求置于容器相应位置。

3、根据权利要求2所述的光学全反射式线阵CCD液位测量方法的专用测量装置，其特征是：所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路和数据传输电路。

4、根据权利要求2或3所述的光学全反射式线阵CCD液位测量方法的专用测量装置，其特征是：所述的将传感单元置于容器相应位置是将传感单元置于盛有待测液体的容器中或紧贴于容器的侧壁；所述的将光源单元置于容器相应位置是将光源单元置于容器中。

5、根据权利要求2或3所述的光学全反射式线阵CCD液位测量方法的专用测量装置，其特征是：非接触测量时所述的容器为透明容器，所述的将光源单元和传感单元置于容器相应位置是将光源单元和传感单元置于容器外，CCD与容器侧壁紧贴。

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