CN103464694B - 一种用于镁合金铸造的液位检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于镁合金铸造的液位检测装置，包括激光传感器，激光传感器一端设置有激光发射端，其另一端设置有微处理器和激光接收端，激光接收端为电荷耦合器件图像传感器，本发明还公开了一种用于镁合金铸造的液位检测装置的检测方法，通过在微处理器中对液位变化前后两次反射回来光斑的成像位置点之间的距离进行处理，且由于光斑位置之间的距离与液位的变化量之间一一对应，因此就可以根据光斑位置之间的距离获得镁合金液位的高度，本发明采用电荷耦合器件图像传感器，由于电荷耦合器件图像传感器对于位置的变化量的分辨率可达几微米，使得镁合金液位检测精度大大提高，检测精度从毫米级可达微米级。

Description

一种用于镁合金铸造的液位检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于液位测量技术领域，具体涉及一种用于镁合金铸造的液位检测装置，本发明还涉及一种用于镁合金铸造的液位检测方法。

背景技术

在工业生产过程中，镁合金的铸造过程需要对其液位进行检测来实现对整个铸造过程的自动控制。具体方法就是通过激光传感器来检测液位，通过微处理器控制执行机构来控制镁合金的液位。

对于镁合金液位的检测，由于涉及高温金属溶液，因此，一般不采用接触式测量方法。镁合金的液位检测主要有以下几种方法：1、超声波式：该方法为超声波发射探头在驱动信号作用下向外发射一定频率的超声波，在同时刻计数器开始计时，超声波碰到液面后立刻返回，探头接收到返回的波后计数器立即停止计时。计时器所记时间就是超声波往返的时间，由此可以计算待测液位。缺点：该测量方法依靠接收到的返回波触发计时器停止计时，但返回波信号中信噪比相对较差，从而影响测量精度，导致测量精度较低，而且在液位变化晃动较大的场合，有可能接收不到返回波。2、X射线法：该方法的原理是发射X射线，计算来回的时间差，由此计算液位。缺点：X射线对人身体有很大伤害。3、摄像头检测法：该方法通过摄像头对液位的高度进行检测，然后经过图像处理分析，计算出液位的高度。缺点：在铸造镁合金时，温度很高，对摄像头的要求很高，而且铸造过程中，环境比较恶劣，摄像头捕捉图像效果不太理想，因此，导致检测结果不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于镁合金铸造的液位检测装置，解决现有技术存在的检测结果不够精确的问题。

本发明的另一目的是提供一种用于镁合金铸造的液位检测方法。

本发明采用的第一技术方案是：一种用于镁合金铸造的液位检测装置，包括控制器，控制器上分别通过导线连接有上位机监控管理模块，手动操作面板，激光传感器和电动执行器，激光传感器一端设置有激光发射端，激光传感器另一端设置有相连接的微处理器和激光接收端，激光发射端的下方设置有第一平面镜，激光接收端下方自上而下设置有透镜和第二平面镜，第一平面镜和第二平面镜对称设置并且分别以50度-70度的水平夹角设置在镁合金溶液容器上方。

本发明采用的第二技术方案是：一种用于镁合金铸造的液位检测方法，采用了一种用于镁合金铸造的液位检测装置，包括控制器，控制器上分别通过导线连接有上位机监控管理模块，手动操作面板，激光传感器和电动执行器，激光传感器一端设置有激光发射端，激光传感器另一端设置有相连接的微处理器和激光接收端，激光发射端的下方设置有第一平面镜，激光接收端下方自上而下设置有透镜和第二平面镜，第一平面镜和第二平面镜对称设置并且分别以50度-70度的水平夹角设置在镁合金溶液容器上方；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、激光传感器的激光发射端发射激光到镁合金溶液容器的槽底，激光的入射角是40度-75度，经槽底反射后反射到激光接收端，激光接收端接收激光并记录下槽底反射回去的光斑在激光接收端的成像位置，记此成像位置为A；

步骤2、待镁合金溶液流入镁合金溶液容器后，液位上升一段距离，此时的液位为H，激光传感器的激光发射端以40度-75度的发射角发射激光到镁合金溶液表面，经反射后反射到激光接收端，激光接收端接收激光并记录下反射回来的光斑在激光接收端的位置，记此成像位置为B；

步骤3、两次反射回来光斑的成像位置A点和B点之间的距离，记为D，根据光斑位置之间的距离D获得镁合金液位的高度H，其中θ为入射角或者发射角：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{D}{2}/H$

$H=\frac{D/2}{\tan \mathrm{\θ}}=\frac{D}{2\tan \mathrm{\θ}}$ 。

本发明的特点还在于：激光接收端为电荷耦合器件图像传感器。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用激光传感器，通过发射激光检测镁合金液面高度，进而控制液面，由于激光的波长远远高于超声波，因此，本发明大幅度提高了检测精度。

2、本发明还具有很强的抗光、电干扰能力强。

3、本发明检测速度快，且对人身体无伤害。

4、本发明镁合金液位检测精度达微米级，灵敏度很高，线性度很好，测量范围广。

附图说明

图1为本发明一种用于镁合金铸造的液位检测装置的结构示意图；

图2为本发明一种用于镁合金铸造的液位检测装置的激光传感器的结构示意图；

图3为本发明检测方法中不加平面镜的工作原理图；

图4为本发明检测方法中加平面镜的工作原理图。

图中，1.上位机监控管理模块，2.手动操作面板，3.控制器，4.激光传感器，5.电动执行器，6.激光接收端，7.激光发射端，8.微处理器，9.镁合金溶液容器，10.透镜，11.第一平面镜，12.第二平面镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种用于镁合金铸造的液位检测装置，如图1所示，包括控制器3，控制器3上分别通过导线连接有上位机监控管理模块1，手动操作面板2，激光传感器4和电动执行器5，如图2所示，激光传感器4一端设置有激光发射端7，激光传感器4另一端设置有相连接的微处理器8和激光接收端6，其中，激光接收端6为电荷耦合器件图像传感器，如图3所示，激光发射端7的下方设置有第一平面镜11，激光接收端6下方自上而下还设置有透镜10和第二平面镜12，第一平面镜11和第二平面镜12水平对称设置并且分别以50度-70度的水平夹角设置在镁合金溶液容器9上方。

其中，在激光的反射回路上加入透镜10，位置固定在激光接收端的下方，由于激光照射到镁合金液面时，反射回来的激光很散，激光传感器检测效果较差，导致液位检测的精度较低。为了提交检测精度，本发明进一步在反射回路上设置透镜，通过调整合适的位置，使激光呈一个点射入激光接收端中，从而提高了测量精度。透镜的机械位置集成在激光传感器内部，使装置成为一个整体。

同时，在实际的镁合金液位测量中，为了减小激光传感器装置的体积，激光的入射角通常很小，大约只有十几度左右，然而，当液位发生小幅度变化时，对应的在激光接收端的位移很小，而无法识别出位移的变化量，只有当液位的变化量达到一定程度时，对应的激光接收端才能识别，这就导致检测精度变低，为了解决这一问题，本发明进一步在入射回路和反射回路上分别设置平面镜，平面镜通过支架固定在镁合金液位槽9上，以增大激光的入射角和出射角，提高了检测精度。

本发明提供了一种用于镁合金铸造的液位检测装置的检测方法，采用了一种用于镁合金铸造的液位检测装置，包括控制器3，控制器3上分别通过导线连接有上位机监控管理模块1，手动操作面板2，激光传感器4和电动执行器5，激光传感器4一端设置有激光发射端7，激光传感器4另一端设置有和激光接收端6，激光发射端7的下方设置有第一平面镜11，激光接收端6下方自上而下还设置有透镜10和第二平面镜12，第一平面镜11和第二平面镜12水平对称设置并且分别以50度-70度的水平夹角设置在镁合金溶液容器9上方，激光接收端6为电荷耦合器件图像传感器，具体按照以下步骤实施：

步骤1、激光传感器4的激光发射端7发射激光到镁合金溶液容器9的槽底，激光的入射角是40度-75度，经槽底反射后反射到激光接收端6，激光接收端6接收激光并记录下槽底反射回去的光斑在激光接收端6的成像位置，记此成像位置为A；

步骤2、待镁合金溶液流入镁合金溶液容器9后，液位上升一段距离，此时的液位为H，激光传感器4的激光发射端7以40度-75度的发射角发射激光到镁合金溶液表面，经反射后反射到激光接收端6，激光接收端6接收激光并记录下反射回来的光斑在激光接收端6的位置，记此成像位置为B；

步骤3、两次反射回来光斑的成像位置A点和B点之间的距离，记为D，根据光斑位置之间的距离D获得镁合金液位的高度H，其中θ为入射角或者发射角：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{D}{2}/H---\left(1\right)$

$H=\frac{D/2}{\tan \mathrm{\θ}}=\frac{D}{2\tan \mathrm{\θ}}---\left(2\right).$

本发明的基本原理如图3所示：

激光传感器发射激光以与垂线夹角θ照到槽底，经槽底反射后,在电荷耦合器件图像传感器上光斑位置为A；待镁合金溶液流入镁合金溶液容器9后，液位上升一段距离，记为H，则此时的液位为H，激光传感器发射激光以与垂线夹角θ照到镁合金溶液表面，经反射后经激光接收端电荷耦合器件图像传感器接收激光并记录下反射回来的光斑在传感器接收端的位置B；两次反射回来光斑位置A和B之间的距离记为D，D即为对应反射激光在电荷耦合器件图像传感器上的位移偏移量，经激光接收端6将位移偏移量转化为数字量，数字量在微处理器8中进行处理，即可得到公式（1）及公式（2）。

由公式（1）和（2）可知，在电荷耦合器件图像传感器上的位移量D与镁合金液位H之间成正比关系，而电荷耦合器件图像传感器的最小位移分辨值为微米级，液位H的控制精度也会达到微米级，而现有技术中的液位的控制精度为毫米级，所以本发明中检测的液位比现有技术的提高了很多。

同时，影响液位的控制精度的因素还有入射角θ，当D不变时，入射角θ越大，对应的H的变化量越小，也就是所能测到的H的变化量越小，检测精度更高。因此可以通过增大入射角度来提高检测精度，但当入射角太大时，受液位波动影响较大，因此不宜太大。

如图4所示，当加入平面镜后，激光以与垂线夹角θ'照到镁合金液位上时，对应液位H'

$\tan {\mathrm{\θ}}^{\text{'}}=\frac{D^{\text{'}}}{2}/H^{\text{'}}---\left(3\right)$

$H^{\text{'}}=\frac{D^{\text{'}}/2}{\tan {\mathrm{\θ}}^{\text{'}}}=\frac{D^{\text{'}}}{2\tan {\mathrm{\θ}}^{\text{'}}}---\left(4\right)$

若D和D'均不变时，则H和H'为对应所能检测到的液位的最小变化量，也就是激光传感器的最大检测精度。因此，相比于未加平面镜，加入平面镜后，显然入射角θ'＞θ，入射角θ越大，对应的H的变化量越小，也就是所能测到的H的变化量越小，检测精度更高。因此可以通过增大入射角度来提高检测精度，精度提高了

$H-H^{\text{'}}=\frac{D}{2\tan \mathrm{\θ}}-\frac{D^{\text{'}}}{2\tan {\mathrm{\θ}}^{\text{'}}}---\left(5\right)$

平面镜以与水平一定夹角固定在镁合金溶液容器表面，该角度不宜太大也不宜太小，若太大，会使得激光入射角太大，易受液位波动影响。若太小，激光入射角很小，提高精度效果不是很明显，该角度一般取50°-70°。

该检测方法解决了传统镁合金液位检测过程中低精度的问题，通过将镁合金液位的变化量转化为电荷耦合器件图像传感器上的位置变化量，由于电荷耦合器件图像传感器对于位置的变化量的分辨率可达几微米，使得镁合金液位检测精度大大提高，检测精度从毫米级可达微米级。在工业生产中，由于镁合金液位的检测精度不高，致使在在镁材料铸造过程中表面会出现凹凸不平，生成的产品无法满足要求而重新加工，严重浪费了资源，镁合金液位检测精度的提高，本发明解决了由于检测精度不高导致镁合金液位表面不平整等一系列问题，节约了资源，大大减小了生产成本。

Claims (1)

1.一种用于镁合金铸造的液位检测方法，其特征在于，

采用了一种用于镁合金铸造的液位检测装置，包括控制器(3)，控制器(3)上分别通过导线连接有上位机监控管理模块(1)，手动操作面板(2)，激光传感器(4)和电动执行器(5)，所述的激光传感器(4)一端设置有激光发射端(7)，激光传感器(4)另一端设置有相连接的微处理器(8)和激光接收端(6)，所述的激光发射端(7)的下方设置有第一平面镜(11)，所述的激光接收端(6)下方自上而下设置有透镜(10)和第二平面镜(12)，所述的第一平面镜(11)和第二平面镜(12)对称设置并且分别以50度-70度的水平夹角设置在镁合金溶液容器(9)上方，所述的激光接收端(6)为电荷耦合器件图像传感器；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、激光传感器(4)的激光发射端(7)发射激光到镁合金溶液容器(9)的槽底，激光的入射角是40度-75度，经槽底反射后反射到激光接收端(6)，激光接收端(6)接收激光并记录下槽底反射回去的光斑在激光接收端(6)的成像位置，记此成像位置为A；

步骤2、待镁合金溶液流入镁合金溶液容器(9)后，液位上升一段距离，此时的液位为H，激光传感器(4)的激光发射端(7)以40度-75度的发射角发射激光到镁合金溶液表面，经反射后反射到激光接收端(6)，激光接收端(6)接收激光并记录下反射回来的光斑在激光接收端(6)的位置，记此成像位置为B；

步骤3、两次反射回来光斑的成像位置A点和B点之间的距离，记为D，根据光斑位置之间的距离D获得镁合金液位的高度H，其中θ为入射角或者发射角：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{D}{2}/H$

$H=\frac{D/2}{tan\mathrm{\θ}}=\frac{D}{2\tan \mathrm{\θ}}.$