CN101738243A - 基于角位移跟踪的反射式液面位移检测法 - Google Patents

Abstract

一种基于角位移跟踪的反射式液面位移的检测方法，包括：发光装置通过一组透镜产生的一束可见光或不可见光，以一定的角度α入射到液体表面，在液面产生相同角度的反射光，通过接受器上的另一组透镜，反射光被光电转换装置所接收，在探测面上成像，从而产生电信号，经过电路处理即可确定液面的初始位置，如图所示。当液面位移时，通过同步跟踪的方式，连续改变光束的发射角度，即形成发射光的角位移，则在固定的探测面上将产生与液面位移成比例的光像轨迹。根据三角法原理，经过电路和程序计算，就可根据角位移而获得液面位移的距离，若同时记录下发生位移的时间，也就可获得液面位移的速度。由于液面位置与光束发射角度具有一一对应的关系，当位移距离较大时，也可以同时改变发射光束和接收透镜的角度，来检测到液面位移的距离和速度。

Description

基于角位移跟踪的反射式液面位移检测法

技术领域：

本发明涉及一种基于角位移跟踪的反射式非接触的无损自动位移检测方法，特别是液体牛顿位移中的位置和速度检测。

背景技术：

目前为止用于液面位移测量的方法尽管有很多，但归纳起来存在两个方面的缺陷：

一是传感器直接接触液面的测量，这种方式主要问题是传感器比较容易影响被测液体的原始自然状态，也就不能有效地反映实际参数。另外由于液体表面的特有附着力，对粘度高的液体而言，传感器与液体接触的界面模糊不清，影响精度。

二是传感器非接触检测中的超声波反射法，需要反射面积大、超声波束直径大、测量精度不高；电容检测法对大容量大体积的液体检测并不适用，传统的直射式光电检测，对透明无色的液体如水、酒精等无法区别液面与空气的交界处。

此外，上述传统液位检测方法中，受环境条件和各种干扰的影响也较大，尤其是在精细检测中更为突出。

发明内容：

本发明所解决的技术问题是提高非接触液面检测精度，有效检测透明液体位移距离及速度，使之少受环境限制和干扰影响的检测方法。

为了解决现有方法存在的技术问题，根据本发明的其中之一的技术方案是角位移的跟踪：通过光电检测电路和反馈跟踪伺服装置(包含精密步进电机等)，将液面的位移与光束的角位移一一对应起来；其次是利用激光的方向性强，聚焦性能好的特点，采用精细的激光束作为检测的发射光源，很大程度提高了分辨率；且在接收装置中，采用柱面镜，只接收来自一个平面内的光线，而屏蔽其他方向来的光线，提高接收的精度和抗干扰能力。

根据本发明的另一个技术方案是：利用光线在不同介质交界面产生反射的特性，在接收装置中，对接收到的反射光线(束)，采用广泛而典型的光电转换器以及单元矩阵探测电路和计算机处理程序，可实时显示被测液体的位置和速度。

根据本发明的另一技术方案是：利用光线的反射特性和透镜成像的原理，检测中实时跟踪液体表面位移的情况，而连续改变发射光线的角度，则在接收透镜的成像面上将产生被放大或缩小的液面位移距离，根据三角法原理，即可实时精确测量液体表面牛顿位移的距离和速度。如图1所示。

根据本发明的另一技术方案是：利用光线的反射角等于其入射角的特性，同步跟踪改变发射光线(束)和接收装置的检测角度，如图2所示。或者在液体容器中的两壁上同时装上2套及以上的发射与接收装置及相关处理电路，如图3所示，就可以检测出液面位移的位置和速度。

综上所述，本发明提供的反射式非接触液体检测方法，具有精度高、干扰少、应用范围广泛、实用性强的测量效果。

附图说明：

图1是基于角位移反射式的透镜成像液面位移检测图；

图2是基于角位移反射式的同步跟踪液面位移检测图；

图3是反射式多镜头液面位移检测图。

图1中是根据本发明方法构建的检测装置之一，其液体容器为圆柱形。图中A为光源发生器，B为反射光接收器的聚焦镜头，B′-A′为位移距离Δh在探测面上的成像；探测面由光电转换的单元矩阵组成，且与液面垂直；A与A′在同一水平面上，O-O′为液体表面中点的法线；α和β分别为光线(束)初始入射角和跟踪液面位移后的入射角；P为液体出口；C-C′和D-D′为液体表面所在的不同位置，对于垂直容器则线段

及

当为圆形容器时，则为半径。

图2中是根据本发明方法构建的另一种检测装置，图2中A与A′分别为光线(束)发生器和接收器，α与β分别为光线(束)初始入射角和跟踪液面位移后的入射角；P、C-C′、D-D′、O-C′和O-D′所表示的含义与图1相同。

图3中是根据本发明方法构建第3种检测装置，图3中，A、B均为产生光线(束)发生器，A′、B′为光接收器，A与A′，B与B′在同一水平线上；α和β为光束入射角；P、C-C′、D-D′、O-C′和O-D′所表示的含义与图1相同。

具体实施方式：

图1中，当被测液体的表面经过C-C′位置时，则A的反射光被聚焦透镜投射到A′点，通过相应的电路启动计时和跟踪程序，若已知初始入射角α的值，则由三角原理知，液面C-C′的初始位置为：

$L_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\α}$

随着液体从P口流出，液体将自由下降，发射光线也跟踪调整入射角，当液面下降到D-D′位置时，反射光被透镜投射到B′点，于是在垂直的探测面上获得液面位移的成像m，经过光电单元矩阵的检测，可知m的长度值。若已知此时入射光角度β的值，由三角原理知，液面D-D′的位置为：

$L_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OD}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\β}$

而 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OD}}^{\′}},$ 所以

$L_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\β}$

则液面的相对位移量为：

$\mathrm{\Δh}=L_2-L_1-m=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}(\cot \mathrm{\β}-\cot \mathrm{\α})-m$

若已知初始时透镜的物距a和像距b，则由三角原理，也可得位移量为 $\mathrm{\Δh}=\frac{a}{b}\·m.$

由光电检测电路计下液面下降的时间t，则液面位移的平均速度为 $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\mathrm{\Δh}}{t}.$

图2中，当被测液体的表面经过C-C′位置时，通过光电处理电路启动计时和A与A′的双跟踪程序，随着液体自由下降，发射光线也跟踪调整入射角，若已知入射角α和β的值，则由三角原理知液面的位置分别为：

$L_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\α},L_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\β}$

液面的相对位移为：

$\mathrm{\Δh}=L_2-L_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}(\cot \mathrm{\β}-\cot \mathrm{\α})$

液面位移的平均速度为 $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\mathrm{\Δh}}{t}.$

图3中，当被测液体的表面经过C-C′位置时，则A的反射光被A′接收，此时启动计时处理程序。若已知α的固定角度和A′的固定位置，则由三角原理知液面的初始位置为：

$L_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OC}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\α}+\stackrel{\‾}{A^{\′}{B}^{\′}}$

当液面下降到D-D′位置时，则B的反射光被B′接收。若已知β的固定角度和B′点的固定位置，则由三角原理知液面此时的位置为：

$L_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OD}}^{\′}}\·\cot \mathrm{\β}$

液面的相对位移量为：

$\mathrm{\Δh}=L_2-L_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{OD}}^{\′}}(\cot \mathrm{\β}-\cot \mathrm{\α})-\stackrel{\‾}{A^{\′}{B}^{\′}}$

液面位移的平均速度为 $\stackrel{\‾}{v}=\frac{\mathrm{\Δh}}{t}.$

只要不影响光线反射，容器直径可小于5mm。测量的精度取决于光束的直径和光电检测单元矩阵的分辨率(也称像素)。理想条件下可达微米级。

Claims (6)

1.一种基于角位移跟踪的反射式非接触液体表面牛顿位移的检测方法，包括：

反射式非接触检测法：即不接触液体表面，自动检测液体牛顿位移(即自由下落)位置的方法。

发光装置：能产生所述检测方法中的可见光和不可见光信号，以一定角度安装在容器一侧上，且可根据液面位移而跟踪产生旋转角位移。

接收装置：能接收来自所述方法中的可见光和不可见光的反射光信号，以一定角度安装在容器的另一侧上，也可根据液面位移而跟踪产生旋转角位移。

在以上所述方法中，当垂直柱型容器中装有液体时，由容器一侧安装的发光器发出的光线(或光束)，以一定的发射角度(即在液面法线与液面之间的任意角度)投射到液体表面后，因液面产生的反射光线(或光束)被安装在容器另一侧的光电接收器接收。(见图1)

其特征在于：发射的光线(束)能跟踪液面产生旋转的角位移，且在被测液体表面产生反射后，再经光电转换电路处理和软件计算，实现非接触的液体表面位移检测。

2.根据权利要求1的检测方法，其特征在于：所述方法中，发光装置使用的光源和一组聚焦透镜以及所用的可见光和不可见光，其中包括激光和红外光。

3.根据权利要求1的检测方法，其特征在于：所述方法中，接收装置使用的透镜和光电转换器，其中包括柱面透镜、球面镜和CCD光电藕合的单元矩阵。

4.根据权利要求1的检测方法，其特征在于：所述方法中，包含使用透镜成像技术和三角法测量原理，以及相关的控制技术和自动检测程序，用于液面位移距离和速度的自动测量。

5.根据权利要求1的检测方法，其特征在于：所述方法中，自动同步改变发射和接收装置与容器壁相对的夹角的方法，用于检测液面位移的速度和实时距离。

6.根据权利要求1的检测方法，其特征在于：所述方法中，使用2套及以上的固定夹角的发射和接收装置的方法，用于检测液面位移的速度和实时距离。

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