CN103644953B - 一种透明液体液位测量方法及实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电测量技术领域，涉及一种透明液体液位测量方法及实现装置，其采用激光器向待测液体发射经幅度调制的已调激光束，激光束在溶液中传播速度发生变化引入整个光路光程的变化，通过相位激光测距模块获得该光程值，并结合初始光程值和折射率差，精确计算出当前液位值。本发明测量方法不与被测透明溶液接触，故只要在光路畅通的前提下，通过装置与被测透明溶液的隔离封装，可实现恶劣环境下的透明溶液液位的精确测量。

Description

一种透明液体液位测量方法及实现装置

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，涉及一种透明液体液位测量方法及实现装置，特别涉及一种基于相位式激光测量光程，结合初始光程和折射率差，精确测量出透明液体液位的方法及实现装置。

背景技术

液位测量主要是对液体产品的液位、体积和重量等参数进行直接或者间接的测量。早期的测量方法多是基于机械原理，近些年来随着电子技术的发展，液位测量方法呈现机电一体化的发展趋势，但是其主要探测方法还是机械探测结合电子处理，由于机械探测部分的精度受限，该机电一体探测方式误差比较大。现市面上虽然出现激光液位仪，但其主要是测量不透明液体液位，如石油等。本发明提出了一种基于激光测得光程并结合透明液体与空气折射率差值，精确测量出透明液体液位的方法及实现装置。

目前发展用于液位测量的技术有人工标尺法、浮体式液位测量仪表、伺服式液位测量仪表以及激光液位仪等。人工标尺法是利用侵入式刻度钢皮尺测量液位，该方法简单，被广泛使用，但用人工方式读取液位，存在人工误差，且该测量方法不适合恶劣环境下的测量。浮体式液位测量仪是在滑轮组上用钢丝绳一端挂浮球，另一端挂重锤，通过浮球与重锤的运动距离达到液位测量的目的，该液位仪结构简单、价格低，但其传动部件多，可靠性差，精确度不高。伺服式液位测量仪采用浮力平衡原理，浮子通过钢丝悬挂在仪表本体上，漂浮在液面或界面上，由伺服电机驱动体积较小的浮子，使其准确地测量出液位，但接触式的测量使其应用受到限制。激光液位仪由光源发射激光照射被测液面，并接收发射光，测量从发射到接收反射光的时间，可计算得到液位高度，但其测量液体为不透明，液面可反射光的液体。

在实际应用中，恶劣环境下，对于透明液体（如液态天然气等）实现高精度、非接触式的液位测量方法亟待得到解决。解决能适应透明特征和满足液体存储、运输等恶劣环境条件下的激光测量方法和实现技术，能够将激光测量技术在透明液体液位测量领域的应用推向实用化。

发明内容

本发明的目的针对透明液体的测量，提出了一种适合恶劣环境下非接触式的基于激光测得光程并结合透明液体与空气折射率差值，精确测量出透明液体液位的方法及实现装置。

本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：

一种透明液体液位测量方法，其特征在于：采用激光器向待测液体发射经幅度调制的已调激光束，激光束在溶液中传播速度发生变化引入整个光路光程的变化，通过相位激光测距模块获得该光程值，并结合初始光程值和折射率差，精确计算出当前液位值。

初始光程是指测量光路上没有液体时的光程，在安装时通过测量获得该光程值，并保存在测量装置中，在以后的测量中直接使用该光程值就可以了。

一种透明液体液位测量装置，其特征在于包括：

发射部分：包括依次连接的调制驱动电路、光源模块和发射天线，光源模块产生波长稳定、光强随调制信号变化的激光，并经由分束器形成两束激光；

接收部分：包括第一光电探测器、第二光电探测器和与第二光电探测器连接的接收天线，用于接收来自两光路的信号，将光信号转变为电信号；

信号处理模块：包括顺序连接的信号放大器、A/D转换器和CPU；

CPU控制调制驱动电路实现对激光幅度调制，光源模块发出的已调激光经3dB分束器形成两束激光，一束通过光纤直接接于第一光电探测器上，一束作为探测信号通过发射天线射向被测溶液底部，接收天线接收被测溶液底部反射回来的信号，并接入第二光电探测器，两路信号探测器后接信号放大器和A/D转换器最终获取数据，将数据送入CPU中进行算法分析，实现液位的精确测量。

所述调制驱动电路在CPU的控制下以不同的“光尺”频率调制激光模块功率，该“光尺”频率组合测得粗值和精值。

本发明采用的技术方案激光测量光程结合折射率差实现透明液体液位的精确测量，其具有以下优点：

1、测距采用相位激光测距的方法，通过不同“光尺”频率组合，可以实现光程的精确测量和量程的提高

2、相位激光测距模块采用双光路实现，双光路同时工作，不需切换，因此可以提高测距速率，通过对测量值的处理，可以提高最终结果的稳定性并趋于真实值

3、该测量方法不与被测透明溶液接触，故只要在光路畅通的前提下，通过装置与被测透明溶液的封装隔离，以实现对所处恶劣环境下透明溶液的正常测量

4、采用数字化结合嵌入式计算机对信号进行处理，响应速度快，操作简便。

附图说明

图1相位式激光测距波形图。

图2透明溶液测量装置组成结构图。

图3测量方法示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种透明液体液位测量方法及实现装置，按照图2组建传感系统，其中测量方法如图3所示。此装置安装于待测透明液体容器的上方的某一固定位置，即装置与容器底部之间的距离为定值。由于溶液为透明液体，故相位激光测距测得的距离均是以容器底部为参考而得。通过改变容器内部透明液体液位x，我们可以发现由相位激光测距仪测得的y值在不断的增加，这是由于该液体的折射率与大气折射率不同引起的光程变化。相位激光测距y值与液位x值满足公式

y=Δn*x+c (1)

其中Δn=(n₁-n₀)为折射率差，n₁为透明液体的折射率，n₀为空气折射率，c为常数，其值为激光测距装置与容器底部的距离。由于液体与空气的折射率均为定值，则Δn也为定值常数。由此在相位激光测距测得每一个y值时，可由公式(2)解得液位x。

x=(y-c)/Δn (2)

本发明采用分散的直接“光尺”频率的双频测距方法，选用高频和中频两个调制信号，其高频用于精测，保证测距精度，中频用于粗测，保证测距量程。整个过程是有嵌入式CPU控制调制驱动电路实现对光源模块的调制，整个过程在嵌入式CPU控制下自动完成。光源模块发射的调制光波由分束器分为两束，一束通过光纤直接输出到一光电探测器上，称为内光路，用以获取已调激光的初始相位，作为参考信号；一路通过发射天线射向被测溶液底部，称为外光路，得到终止相位信号，作为探测信号。与发射部分相对应，接收部分系统同样采用双光路接收，内外光路均有各自独立的接收电路，双光路同时工作，不需切换，因此可以提高测距速率。内光路通过光纤直接接入光电探测器，外光路通过接收天线获取由容器底部反射来的激光信号，并接入光电探测器，转化为电信号。内光路作为参考信号，包含已调激光信号的初始相位，外光路接收由容器底部反射来的激光信号，记录了变化后的相位，两光路数据在CPU中进行相位鉴定处理，可解调出相位的变化。数据处理时采用多次测量取平均值的方法，进而精确计算出液位值。

本发明测量方法不与被测透明溶液接触，故只要在光路畅通的前提下，通过装置与被测透明溶液的隔离封装，可实现恶劣环境下的透明溶液液位的精确测量。

本发明采用的技术方案相位激光测距测量光程结合初始光程和折射率差实现透明液体液位的精确测量，其理论依据在于三点，一是测距采用相位激光测距的方法，通过不同“光尺”频率组合，实现初始光程和实时测量光程的精确测量；二是相位激光测距模块采用双光路实现，双光路同时工作，不需切换，因此能提高测距速率，通过对测量值的处理，可以提高最终结果的稳定性并趋于真实值。三是透明溶液和空气折射率均是定值，故折射率差值也为定值，使用初始光程、实时测量光程通过建立方程精确计算出液位值。

相位法激光测距是根据发射的调制光与接收到的反射光之间的相位差计算出被测目标的距离。本装置在调制驱动电路的控制下，对激光进行不同频率的幅度调制，以实现激光测距的不同量程，对于一定幅度调制频率下的激光量程，称为“光尺”，而此频率称为“光尺”频率。参见图1，其基本原理如下：

设调制频率为f，幅度调制波形如图1所示，波长为

$\mathrm{\λ}=\frac{c/n}{f}=\frac{c}{\mathrm{nf}}$

式中c是光速，n是传播介质的折射率，λ是调制波形的波长。由图可知，光波从A到B点发生的相移可表示为

式中，m是零或正整数，Δm是小数，A,B两点的距离为

式中，t表示光由A点传到B点所需的时间。由上式可以确定出被测距离L，所以调制光波被认为是一把“光尺”。

考虑到实际测量A和B两点光波传播的路径是在距离L上往返测量，即相位差是有2L引起的。则有

2L=λ(m+Δm)

可得

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}(m+\mathrm{\Δm})=L_s(m+\mathrm{\Δm})$

式中，m是零或正整数，Δm是小数。此时，作为量度距离的一把“光尺”。

但在实际应用中，相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数即只能确定小数而不能确定出相位的整周期数m。因此，当距离大于L_s，仅用一把“光尺”是无法确定距离的。当距离小于L_s时，即m＝0时，可确定距离L为

由此可知，如果被测距离较长，可降低调制频率，使得L_s＞L，即可确定距离L。但是由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的L_s越大时测距误差越大。所以，既能测长距又可以获得较高的测距精度，解决办法就是同时使用L_s不同的几把“光尺”。选用L_s较大的作为“粗尺”，获得接近真实值的粗值，再选用L_s较小的作为“细尺”，获得尾数，这样将两者结合起来可以获得精度较高的测量值。

用一组(两个或者两个以上)“光尺”一起对距离L进行测量，就解决了测距仪高精度和长测距的矛盾，其中最短的“光尺”保证了必要的测距精度，最长的“光尺”则保证了测距仪的量程。

该方法测量不与被测透明溶液接触，故只要在光路畅通的前提下，通过装置与被测透明溶液的封装隔离，以实现对所处恶劣环境下透明溶液的正常测量。

本发明的对透明液体的液位测量实现装置结构如图2所示，包括发射部分、接收部分以及信号处理部分。

所述发射部分由调制驱动电路、光源模块以及发射天线组成。其主要功能是产生输出波长稳定、光强随调制驱动电路变化的激光，另外调制驱动电路的频率由嵌入式CPU控制。调制驱动电路在嵌入式CPU的控制下以不同的“光尺”频率调制激光模块功率，该“光尺”频率组合可粗测值和精测值，提高了系统测量精度以及量程。系统采用内外双光路，光源通过3dB分束器分为内外两路。内光路由一根光纤从光源分束器取光，外光路通过发射天线发射出去。

所述接收部分由光电探测器以及接收天线组成。其主要功能是接收来自两不同光路的信号，将光信号转变为电信号。与发射部分相对应，接收部分系统同样采用双光路接收，内外光路均有各自独立的接收电路，双光路同时工作，不需切换，因此可以提高测距速率。内光路通过光纤直接接入光电探测器，作为参考信号，外光路通过接收天线获取由容器底部反射来的激光信号，并接入光电探测器，转化为电信号。

所述信号处理部分由信号放大、A/D转换模块以及嵌入式CPU组成。两光路信号均进行放大和A/D采样处理，并将数据在嵌入式CPU内进行处理，精确计算出液位值。所述信号放大实现电信号的放大，满足后续电路处理的要求。所述A/D转换器实现对信号的高速采样，实现模拟信号到数字信号的转换。所述嵌入式CPU板对数据处理与分析，实现液位的精确测量，并提供数据接口。

Claims (1)

1.一种透明液体液位测量方法，其特征在于：包括测量装置，测量装置包括：发射部分：包括依次连接的调制驱动电路、光源模块和发射天线，光源模块产生波长稳定、光强随调制信号变化的激光，并经由分束器形成两束激光；

接收部分：包括第一光电探测器、第二光电探测器和与第二光电探测器连接的接收天线，用于接收来自两光路的信号，将光信号转变为电信号；

信号处理模块：包括顺序连接的信号放大器、A/D转换器和CPU；

CPU控制调制驱动电路实现对激光幅度调制，光源模块发出的已调激光经3dB分束器形成两束激光，一束通过光纤直接接于第一光电探测器上，一束作为探测信号通过发射天线射向被测溶液底部，接收天线接收被测溶液底部反射回来的信号，并接入第二光电探测器，两路信号探测器后接信号放大器和A/D转换器最终获取数字数据，将数字数据送入CPU中进行算法分析，实现液位的精确测量；

调制驱动电路在CPU的控制下以不同的“光尺”频率调制激光模块功率，该“光尺”频率组合测得粗值和精值；

测量方法包括采用激光器向待测液体发射经幅度调制的已调激光束，激光束在溶液中传播速度发生变化引入整个光路光程的变化，通过相位激光测距模块获得该光程值，并结合初始光程值和折射率差，精确计算出当前液位值。