CN102435259A

CN102435259A - 带隔离栅的线阵ccd液位测量装置及测量方法

Info

Publication number: CN102435259A
Application number: CN2011103022865A
Authority: CN
Inventors: 温强; 董明伟; 王启光; 胡静怡
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开一种带隔离栅的线阵CCD液位测量装置及测量方法。测量装置主要由LED线阵光源、隔离栅、透明管、线阵CCD、控制电路组成。线阵光源发出的光通过隔离栅后，在管内介质的汇聚作用下投射到线阵CCD，线阵CCD可测得液面产生的介质边界图像特征，通过提取线阵CCD图像数据中的液位特征信息可实现液位测量。该方法是一种无需光学成像透镜的光学液位测量方法，具有较强的抗震动和抗倾斜能力、测量精度对液体浓度和温度变化不敏感、便于维护、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

Description

带隔离栅的线阵CCD液位测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种液位测量装置及方法，具体地说是一种带隔离栅的透明管与线阵CCD组合的液位测量装置及测量方法。

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，随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中，尤其在化工业生产过程中，常需对液体液位进行精确测量，由于这些液体一般都是易爆、易挥发、强腐蚀及有毒性液体，给传统的液位检测带来一定难度，实现智能化、微型化、高精度是液位测量目前的发展方向。

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。

目前主要有多种基于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的平行光成像法：该方法的实现原理是将光源与线阵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，将CCD传感器置于等效透镜的焦线上，对应界面处将产生较大的光强差别。该方法结构相对简单，但是由于线阵CCD需置于等效透镜的焦线上，从而CCD与透明管需要有一定的距离，同时这种等效透镜的焦距是变化的，容易产生不易控制的系统误差，整个装置不易小型化和集成。

由于制作工艺和市场条件的限制，目前市面上的LED线阵光源在线性度上还存在不足。在本专利装置中采用了隔离栅，从而减少由于各个LED小灯之间的影响，使光线更均匀的照射到透明管上。此法可以简化CCD处理电路，使得装置在做的更小的前提下，提高了测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型线阵CCD液位测量装置，本发明的目的还在于提供一种无需成像透镜的带隔离栅的线阵CCD液位测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置包括：

线阵光源1、隔离栅9、透明管2、线阵CCD3、控制电路4；其特征是：线阵光源1、线阵CCD3、控制电路4、透明管2、隔离栅9密闭于桶形外壳5中；透明管2的两端与桶形外壳5贯通；线阵光源1及隔离栅9位于透明管的一侧，线阵CCD3位于透明管的另一侧，线阵光源1、隔离栅9及线阵CCD 3三者相互平行且处于同一平面内，线阵CCD3和隔离栅9紧贴透明管2；桶形外壳5半浸于被测液体中，透明管2的一端与空气相通、另一端进入被测液体。

所述的控制电路包括线阵光源驱动电路、CCD驱动电路、数据采集与处理电路以及数据传输电路。

所述的隔离栅9固定在透明管上，透明管上刻有凹痕，隔离栅插入所述凹痕中与透明管紧密结合在一起。

所述的隔离栅9可由塑料薄片或金属薄片做成。

本发明采用带隔离栅的线阵CCD液位测量装置的液位测量方法是：

将桶形外壳沿竖直方向半浸于液体中，当液体进入透明管中，被测液位与透明管中的液位相同；线阵光源发出的光，经隔离栅后，穿过与被测液体连通的透明管投射到透明管后的线阵CCD上；透明管中液位上下两部分的出射光光强不同，出射光照射到线阵CCD上，使得线阵CCD采集到的光强信号会在与液位对应处产生突变，图像数据上的突变位置与被测液位有着一一对应的关系，利用该突变信号判定液面位置。

本发明的优点在于：

本发明是一种是无需光学成像透镜的光学液位测量方法及测量装置。该装置中采用了隔离栅，从而减少由于各个LED小灯之间的影响，使光线更均匀的照射到透明管上，可以简化CCD处理电路，使得装置在做的更小的前提下，提高了测量精度。该方法具有较强的抗被测液面晃动和倾斜能力，精度受液体浓度变化的影响极小、结构简单、便于维护、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

附图说明

图1是结构示意图；

图2是线阵CCD输出信号的幅值示意图。

具体实施方式

结合图1，基于线阵CCD与透明管的液位测量装置包括线阵光源1、透明管2、线阵CCD 3、控制电路4(包括：线阵光源1驱动电路、线阵CCD3驱动电路、数据采集与处理电路和数据传输电路)、隔离栅9。线阵光源1、线阵CCD 3、控制电路4、透明管2、隔离栅9密闭于装置的桶形外壳5中，其中透明管2与外界连通，整个装置竖直方向半浸于液体6中时，液体即进入透明管2中，液位7与透明管2中的液位8相同。线阵光源1及隔离栅9位于透明管的一侧，线阵CCD 3位于透明管的另一侧，线阵光源1、隔离栅9及线阵CCD 3三者相互平行且处于同一平面内，线阵CCD 3和隔离栅9紧贴透明管2。桶形外壳5半浸于被测液体中，透明管2的一端与空气相通、另一端进入被测液体。

线阵光源1发出的光，经过隔离栅后，垂直射入待测液位的透明管2，由于液体和空气的折射率不同，液位8上下两部分对光的汇聚能力不同，因而透明管2中液位8上下两部分的出射光光强不同，出射光射到线阵CCD 3上，使得线阵CCD 3采集到的光强信号会在液位8处不同，即图像信号在液面对应处发生突变，光强信号的特征反映在线阵CCD 3所获取的图像信号中，利用线阵CCD 3像素点输出信号的边界特征可判定透明管液面位置，进而判定外界液位7。

结合图2，即线阵CCD 3的各像素点输出信号的幅值示意图，其中液面上方较弱信号段9、液面下方较强信号段11、和两段之间的突变段10，突变段10作为特征信息与液位信息对应。

Claims

1.一种带隔离栅的线阵CCD液位测量装置，包括线阵光源(1)、隔离栅(9)、透明管(2)、线阵CCD(3)、控制电路(4)；其特征是：线阵光源(1)、线阵CCD(3)、控制电路(4)、透明管(2)、隔离栅(9)密闭于桶形外壳(5)中；透明管(2)的两端与桶形外壳(5)贯通；线阵光源(1)及隔离栅(9)位于透明管的一侧，线阵CCD(3)位于透明管的另一侧，线阵光源(1)、隔离栅(9)及线阵CCD(3)三者相互平行且处于同一平面内，线阵CCD(3)和隔离栅(9)紧贴透明管(2)；桶形外壳(5)半浸于被测液体中，透明管(2)的一端与空气相通、另一端进入被测液体。

2.根据权利要求1所述的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置，其特征是：所述的控制电路包括线阵光源驱动电路、CCD驱动电路、数据采集与处理电路以及数据传输电路。

3.根据权利要求1或2所述的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置，其特征是：所述的隔离栅(9)固定在透明管上，透明管上刻有凹痕，隔离栅插入所述凹痕中与透明管紧密结合在一起。

4.根据权利要求1或2所述的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置，其特征是：所述的隔离栅(9)由塑料薄片或金属薄片做成。

5.根据权利要求3所述的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置，其特征是：所述的隔离栅(9)由塑料薄片或金属薄片做成。

6.一种采用权利要求1所述的带隔离栅的线阵CCD液位测量装置的液位测量方法，其特征是：将桶形外壳沿竖直方向半浸于液体中，当液体进入透明管中，被测液位与透明管中的液位相同；线阵光源发出的光，经隔离栅后，穿过与被测液体连通的透明管投射到透明管后的线阵CCD上；透明管中液位上下两部分的出射光光强不同，出射光照射到线阵CCD上，使得线阵CCD采集到的光强信号会在与液位对应处产生突变，图像数据上的突变位置与被测液位有着一一对应的关系，利用该突变信号判定液面位置。