CN103697966B - 一种微幅液体表面波高实时测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微幅液体表面波高实时测量装置及测量方法，装置包括激光器、透明液体槽、光电位置传感器、平移架、摇杆、螺杆、滑轨、示波器和固定螺母。固定螺母固定在滑轨上；螺杆与固定螺母螺纹旋接，螺杆一端与置于滑轨上的平移架套接，螺杆可在套接处旋转并能带动平移架平移，另一端与摇杆固定连接；平移架的顶部和底部各有一个水平伸出的架臂，光电位置传感器和激光器上下正对着安装在两个架臂内侧面，光电位置传感器信号输出端和示波器相连。本发明用于对微幅液体表面波波幅和频率等液体表面波特性进行非接触、高精度、实时测量；它解决了现有技术中激光折射法不能精确测量微幅液体表面波波幅的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种用于液体表面波波高和振动频率的测量的基于光电位置传感器和半导体激光器的测量装置和测量方法。
背景技术
目前液体表面波高接触式测量方法主要有浮标式和探针式两种。其中浮标式的测量原理是浮标体随波浪起伏时，内置的垂直加速度传感器就会输出反映波面升降加速度变化的信号，对信号进行处理计算就可实现对波高的实时测量；而探针式测量则是利用液体中电容、电阻或压力随液位的变化而线性变化的原理进行测量的。不管是浮标还是探针，都会对液体表面波产生干扰，尤其是对微幅液体表面波，使得测量结果不可靠，另外测量精度也受限于浮标体和探针的尺寸。
非接触式测量装置有CCD摄像式波高仪，雷达测距式波高仪，以及利用激光进行液体表面波测量的各种装置。CCD摄像式波高仪是通过录像，并进行图像分析来测量波高，实现技术路线较复杂、不是实时测量，而且价格昂贵。雷达测距式波高仪根据超声波或电磁波的反射信息进行浪高测量，受测量原理限制其精度不高。由于激光光束的准直性好和发散度小，激光特别适用于高精度测量。目前已有利用半导体激光器和硅光电池组成的测量装置，根据激光在液体波面处折射的原理，通过硅光电池采集折射激光的周期偏转来测量液体表面波的振动频率和传播速度，但是该装置不能测量液体表面波的波幅。还有基于散射激光多普勒效应的探测低频液体表面波特性的方法和装置，它的原理是让液体表面波的散射光和参考光相干涉，然后分析处理采集到的干涉光电信号得到频谱分析图，再根据频谱分析图上散射光发生的多普勒频移值计算出液体表面波的振幅，测量精度较高，但可测液体表面波频率较窄，由于该装置光路复杂，需较多光学器件，采集到的信号也需要分析处理，计算量也较大，所以此类装置造价较为昂贵；而且当液体较浅时，由于激光在透明液体中穿透性好，在液体底部的散射光会和液体表面波散射光相混，从而干扰测量结果，所以该装置对较浅的透明液体的表面波测量效果不好。
针对上述技术背景，需要发明一套能够测量微幅液体表面波波幅的测量装置和测量方法，同时具有实现技术路线简便、能够实时分析、测量精度高、非接触的特点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微幅液体表面波高实时测量装置及测量方法，该方法用于微幅液体表面波波幅的实时测量，它解决了现有技术中激光折射法不能精确测量微幅液体表面波波幅的问题，并且本发明对深度较浅的透明液体也具有同样的测量效果。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种微幅液体表面波高实时测量装置，该装置包括激光器、透明液体槽、光电位置传感器、平移架、摇杆、螺杆、滑轨、示波器和固定螺母。其中，所述固定螺母固定在滑轨上。螺杆与固定螺母螺纹旋接，螺杆一端与置于滑轨上的平移架套接，螺杆可在套接处旋转并能带动平移架平移，另一端与摇杆固定连接；平移架的顶部和底部各有一个水平伸出的架臂，光电位置传感器和激光器上下正对着安装在两个架臂内侧面，光电位置传感器信号输出端和示波器相连。
一种微幅液体表面波高实时测量方法，该方法在上述微幅液体表面波高实时测量装置上实现，包括如下步骤：
（1）通过摇杆旋转螺杆使平移架移动，从而使得平移架的两架臂一上一下水平伸向透明液体槽；
（2）测量光电位置传感器距透明液体槽内的液体表面的距离L；
（3）激光器发出激光，当液体表面有波动时，激光器发出的激光到达液面时的入射角会随波面起伏不停发生偏转，光束打在光电位置传感器感光面的光斑也随之来回移动；光电位置传感器采集到的光电信号显示在示波器上就是一个上下波动的迹线，迹线的波幅就是光斑偏移的最大距离d max ；
（4）转动摇杆使平移架水平移动距离s，此时示波器显示的波形也会发生移动，数出波形移动的周期数m，则由移动距离s=mλ计算出液体表面波的波长λ，再由k=2π/λ得到波数k；
（5）最后，由下式可得到液体表面波波幅A：A=d max /(n-1)Lk，其中，n为液体的折射率。
本发明的有益效果是：1.利用测量折射激光偏转距离的方法测量液体表面波波幅，解决了现有技术中激光折射法检测液体表面波不能测量波幅的问题。2.结构简单，技术实现比较容易。3.非接触测量，对被测液体表面波无干扰。4.光电位置传感器可以连续输出光斑位置的模拟信号，实时处理计算输出信号即可对液体表面波实现实时动态检测。5.可同时对波幅、频率等液体表面波特性进行检测。6.激光及光电位置传感器精度很高，因此所获得的波幅、频率等测量结果也具有很高的精度。
附图说明
图1是本发明测量微幅液体表面波波幅的原理的示意图；
图2是按照本发明的一个实施方式测量微幅液体表面波波幅的装置示意图。
具体实施方式
图1即为本发明的测量原理示意图，激光器101从透明液体槽102下竖直向上发射激光，激光在液面出射后光线随液体表面波摆动，出射光线打在液面上方距离L处水平放置的光电位置传感器103的感光面上。
微幅液体表面波波形近似为正弦波型，波面起伏的迹线可用Asin(kx-ωt+δ)表示，式中，A为液体表面波波幅，x为液体表面波传播方向上的位置坐标，k为波数，ω为液体表面波角频率，t为时间，δ为液体表面波初始相位。由图1可知激光在液体波面的入射角：
α≈tanα=(Asin(kx-ωt+δ))’=Akcos(kx-ωt+δ)(1)
以及激光在液体波面的折射光线和竖直方向所成的夹角：
β-α≈d/L(2)
式中，d为光斑偏移距离，L为光电位置传感器103的感光面与液面的垂直距离。
根据折射定律有：
sinβ/sinα=n≈β/α(3)
式中，n为液体的折射率。
联立式(1)(2)(3)可得光斑偏移距离d和液体表面波波幅A关系式：
d=A(n-1)Lkcos(kx-ωt+δ)(4)
由式(4)可得光斑最大偏移距离d max =A(n-1)Lk，所以液体表面波波幅：
A=d max /(n-1)Lk(5)
由式(5)可以看出感光面上光斑摆动幅度d max 和液体表面波波幅A成正比，通过测量光斑的移动距离可以间接测量液体表面波波幅。
本发明的关键构件是激光器101和光电位置传感器103，激光器101和光电位置传感器103正对着并保持一定距离，测量时两构件分别在透明液体槽102上下。
下面结合附图和一种具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明微幅液体表面波高实时测量装置的结构如图2所示，该装置包括激光器201、透明液体槽202、光电位置传感器203、平移架204、摇杆205、螺杆206、滑轨207、示波器208和固定螺母209。固定螺母209固定在滑轨207上。螺杆206与固定螺母209螺纹旋接，螺杆206一端与置于滑轨207上的平移架204套接，另一端与摇杆205固定连接；通过摇杆205旋转螺杆206可以使平移架204在带有标尺的滑轨207上水平移动。平移架204的顶部和底部各有一个水平伸出的架臂，光电位置传感器（PSD）203和激光器201上下正对着安装在两个架臂内侧面，确保射出的激光打在光电位置传感器203的感光面上，光电位置传感器203信号输出端和示波器208相连。待测液体装在透明液体槽202内，透明液体槽202置于光电位置传感器203和激光器201之间。
本发明微幅液体表面波高实时测量方法，包括如下步骤：
1、通过摇杆205旋转螺杆206使平移架204移动，从而使得平移架204的两架臂一上一下水平伸向透明液体槽202。
2、测量得到光电位置传感器203距液体表面的距离L。
3、当液体表面有波动时，激光器201发出的激光到达液面时的入射角会随波面起伏不停发生偏转，光束打在光电位置传感器203感光面的光斑也随之来回移动；光电位置传感器203采集到的光电信号显示在示波器208上就是一个上下波动的迹线，迹线的波幅就是光斑偏移的最大距离d max 。
4、转动摇杆205使平移架204水平移动距离s，此时示波器208显示的波形也会发生移动，数出波形移动的周期数m，则由移动距离s=mλ计算出液体表面波的波长λ，再由k=2π/λ得到波数k。
5、最后此时由式(5)可得到液体表面波波幅A：A=d max /(n-1)Lk。
以上只是本发明的一种测量方法，其中，除了步骤(4)得到波数k的方法之外，还可用计算的方法求得k，例如已知深度为h的水，由示波器上的波形图得到水波的角频率ω，则由水波色散关系ω 2 =gktanh(kh)，即可求得波数k，其中g为重力加速度。
以测量水波波幅为例，已知水的折射率n=1.33。测量时两架臂一上一下水平伸向透明液体槽202，伸出的方向和水波传播方向平行。光电位置传感器203距水表面的距离L可预先调整，或者也可直接测量。当水面平静时，激光器201发出的激光经过透明液体槽202的底板和水层后方向不变射向光电位置传感器203的感光面；当水表面有波动时，光线到达水面时入射角不再恒为0°，根据折射定律，光线出射方向会随波面起伏不停发生偏转，光束打在光电位置传感器203感光面的光斑也随之来回移动。光电位置传感器203采集到的光电信号显示在示波器208上就是一个上下波动的迹线，迹线的波幅就是光斑偏移的最大距离d max ，转动摇杆205使平移架204水平移动距离s，此时示波器208显示的波形也会发生移动，数出波形移动的周期数m，则移动距离s=mλ，其中λ是水波的波长，所以波数k=2π/λ=2mπ/s。此时由式(5)可算得水波波幅A。
PSD对光非常敏感，对光斑的位置分辨率可以达到微米级，并且能实现连续的位置模拟信号输出，所以利用计算机技术实时处理计算PSD的输出信号，就可实现对微幅液体表面波波幅的实时动态测量，所以本测量装置精度高，响应快。下面以一例计算说明波幅的测量精度。
假设L=10.00±0.01cm，dmax=0.50±0.0001cm，λ=2.00±0.01cm，可算得波幅A的中误差为：mA≈±2.5μm，波幅A≈0.48±0.0025mm。
Claims (1)
1.一种微幅液体表面波高实时测量方法，该方法在微幅液体表面波高实时测量装置上实现，所述微幅液体表面波高实时测量装置包括激光器（201）、透明液体槽（202）、光电位置传感器（203）、平移架（204）、摇杆（205）、螺杆（206）、滑轨（207）、示波器（208）和固定螺母（209）；其中，所述固定螺母（209）固定在滑轨（207）上；螺杆（206）与固定螺母（209）螺纹旋接，螺杆（206）一端与置于滑轨（207）上的平移架（204）套接，另一端与摇杆（205）固定连接；平移架（204）的顶部和底部各有一个水平伸出的架臂，光电位置传感器（203）和激光器（201）上下正对着安装在两个架臂内侧面，光电位置传感器（203）信号输出端和示波器（208）相连；其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）、通过摇杆（205）旋转螺杆（206）使平移架（204）移动，从而使得平移架（204）的两架臂一上一下水平伸向透明液体槽（202）；
（2）、测量光电位置传感器（203）距透明液体槽（202）内的液体表面的距离L；
（3）、激光器（201）发出激光，当液体表面有波动时，激光器（201）发出的激光到达液面时的入射角会随波面起伏不停发生偏转，光束打在光电位置传感器（203）感光面的光斑也随之来回移动；光电位置传感器（203）采集到的光电信号显示在示波器（208）上就是一个上下波动的迹线，迹线的波幅就是光斑偏移的最大距离d max ；
（4）、转动摇杆（205）使平移架（204）水平移动距离s，此时示波器（208）显示的波形也会发生移动，数出波形移动的周期数m，则由移动距离s=mλ计算出液体表面波的波长λ，再由k=2π/λ得到波数k；
（5）、最后，由下式得到液体表面波波幅A：A=d max /(n-1)Lk，其中，n为液体的折射率。
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