CN103822690A - 红外光水位测量装置及其测量方法 - Google Patents

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本发明公开了红外光水位测量装置及其测量方法，测量装置包括基座、位于基座上部的红外发光二极管、为红外发光二极管提供能量的微型电池、与红外发光二极管对应的摄像机和与摄像机连接的计算机，所述基座水平安装于模型床面。红外光光强在水体中传播时存在能量衰减，且衰减量与穿过水体距离成正比，本发明基于上述原理，通过在模型床面布置红外光源，红外光穿过水体由摄像机获取，经图像处理得到光强衰减量，从而计算得到穿过水体的距离，经转换即为水位。本发明采用红外光可减少可见光干扰，且光源成本较低；测量装置完全实现了自动化，精度高。本发明利用红外光的衰减，既实现了非接触式、动态的水位测量，又实现了水深测量。

Description

红外光水位测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及水流试验水位测量，具体涉及红外光水位测量装置及其测量方法。 
背景技术
水位是反映水流特性的基本参量之一，是水利工程模型试验的重要测量参数，直接关系模型试验运行、工程效果比选。目前水流试验中水位测量主要采用水尺、测针、自动跟踪水位计、超声波水位计和压阻压力式水位计。其中水尺和测针主要依靠人工测量水位，自动化程度低、费时费力；自动跟踪水位计采用电桥平衡原理追踪水面，对于非恒定水流，水位测量数据存在波动，影响测量精度；超声波水位计和压阻压力式水位计易受温度影响，且零点偏离明显。因此，有必要开发新型高精度水位测量精度，以提高模型试验精度。 
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供红外光水位测量装置及其测量方法，采用红外光，通过摄像机获取稳定光源经水体衰减后的光强，计算得到红外光穿过水体的距离，实现水位测量。 
技术方案：为实现上述目的，本发明的红外光水位测量装置，包括基座、位于基座上部的红外发光二极管、为红外发光二极管提供能量的微型电池、与红外发光二极管对应的摄像机和与摄像机连接的计算机，所述基座水平安装于模型床面。 
作为优选，所述红外发光二极管直径为3mm，发射管正向电压1.1V，为增强光强，加大电流至40mA，而激光中心波长为830～930nm，为提高二极管方向指向性，采用二极管前加凸透镜，减小方向半值角至1度，摄像机配置相应中心波长的窄带滤光片。 
其中,，激光中心波长可以为840nm、860nm、880nm、900nm等长度；最佳方案为：红外发光二极管波长850nm，摄像机配置中心波长为850nm的窄带滤光片。 
基于上述红外光水位测量装置的红外光水位测量方法，红外发光二极管无水条件下发出红外光，由摄像机获得初始光强W0，水位测量时，红外光穿过水体由摄像机获取光强W’，则红外光穿过水体的距离h为： 
h=(W0-W’)/F 
其中F为红外光水体衰减系数，由现场标定试验获得。 
作为优选，在标定试验时，获取初始光强W0，调节不同水深h，通过摄像机分别获取对应光强W1、W2、……Wn，则衰减系数为： 
F1=(W0-W1)/h1
F2=(W0-W2)/h2
…… 
Fn=(W0-Wn)/hn
由F1、F2、……Fn平均得到红外光水体衰减系数F 
F=（F1+F2+……+Fn）/n 
在本发明中，所述的红外发光二极管距离模型床面的高度为h0，在实验前测得，则水面水位H’： 
H’=H+(h0+h)*B 
B为模型垂直比尺，H为基座安装处模型床面高程，在模型试验中都属已知参数。 
在本发明中，红外光光强在水体中传播时存在能量衰减，且衰减量与穿过水体距离成正比，本发明基于上述原理，通过在模型床面布置红外光源，红外光穿过水体由摄像机获取，经图像处理得到光强衰减量，从而计算得到穿过水体的距离，经转换即为水位。 
有益效果：本发明的测量装置及其测量方法，通过采用红外光可减少可见光干扰，且光源成本较低；测量装置完全实现了自动化，精度高，而且标定简单，避免了零点偏离现象。本发明利用红外光的衰减，即实现了非接触式、动态的水位测量，又实现了水深测量。 
附图说明
图1为本发明的测量装置结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 
如图1所示，本发明的红外光水位测量装置，包括基座1、位于基座1上面的红外发光二极管2、为红外发光二极管2提供能量的微型电池3、与红外发光二极管2对应的摄像机4和与摄像机4连接的计算机5，基座1安装在模型床面。 
在本发明中，红外发光二极管2发光波长为830～930nm,摄像机4配置相应中心波长的窄带滤光片。 
基于上述红外光水位测量装置的红外光水位测量方法，红外发光二极管2在无水条件下发出红外光，由摄像机4获得初始光强W0，水位测量时，红外光穿过水体由摄像机4获取光强W’，则红外光穿过水体的距离h为： 
h=(W0-W’)/F 
其中F为红外光水体衰减系数，由现场标定试验获得。 
在标定试验时，获取初始光强W0，调节不同水深h，通过摄像机4分别获取对应光强W1、W2、……Wn，则衰减系数为： 
F1=(W0-W1)/h1
F2=(W0-W2)/h2
…… 
Fn=(W0-Wn)/hn
由F1、F2、……Fn平均得到红外光水体衰减系数F 
F=（F1+F2+……+Fn）/n 
在本发明中，红外发光二极管2距离模型床面的高度为h0，则水面水位H’： 
H’=H+(h0+h)*B 
B为模型垂直比尺，H为基座安装处模型床面高程，在模型试验中都属已知参数 
实施例： 
标定实验次数为4次。具体实验过程和实验数据如下： 
试验前，红外发光二极管2发出红外光，经摄像机4获取后，输入计算机5转换为灰度图像，图像灰度值为225。 
水流试验时，流态稳定后，采用测尺人工测量水深，水深为30cm，摄像机4获取此时红外发光二极管2光强后转换为灰度图像，图像灰度为155； 
改变水深，流态稳定后，采用测尺人工测量水深，水深为36cm，摄像机4获取此时红外发光二极管2光强后转换为灰度图像，图像灰度为140； 
依次改变水深，水深分别为40cm、21cm，得到对应灰度值为131、178，则 
F1=(225-154)/30=2.367 
F2=(225-140)/36=2.361 
F3=(225-131)/40=2.35 
F4=(225-178)/20=2.35 
水体衰减系数： 
F=（F1+F2+F3+F4）/4=2.357 
水位测量时，红外光图像灰度为162，则红外光穿过的水体的距离h为 
h=（225-162）/2.357=26.73cm 
对于垂直比尺B为50的河工模型，当红外光基座1安装处模型床面的高程H为-3m，h0为2cm，则水面处水位H’为： 
H’=-3+(2+26.73)*50/100=11.365m 
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.红外光水位测量装置，其特征在于：包括基座（1）、位于基座（1）上部的红外发光二极管（2）、为红外发光二极管（2）提供能量的微型电池（3）、与红外发光二极管（2）对应的摄像机（4）和与摄像机（4）连接的计算机（5），所述基座（1）水平安装于模型床面。 
2.根据权利要求1所述的红外光水位测量装置，其特征在于：所述红外发光二极管（2）发光波长为830～930nm,摄像机（4）配置相应中心波长的窄带滤光片。 
3.基于权利要求1所述的红外光水位测量装置的测量方法，其特征在于：红外发光二极管（2）无水条件下发出红外光，由摄像机（4）获得初始光强W0，水位测量时，红外光穿过水体由摄像机（4）获取光强W’，则红外光穿过水体的距离h为： 
h=(W0-W’)/F 
其中，F为红外光水体衰减系数，由现场标定试验获得； 
基座（1）安装处模型床面高程为H，所述红外发光二极管（2）距离模型床面的高度为h0，则实际水面水位H’为： 
H’=H+(h0+h)*B 
其中，B为模型垂直比尺。 
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：标定试验时，获取初始光强W0，调节不同水深h，通过摄像机（4）分别获取对应光强W1、W2、……Wn，则衰减系数为： 
F1=(W0-W1)/h1
F2=(W0-W2)/h2
…… 
Fn=(W0-Wn)/hn
由F1、F2、……Fn平均得到红外光水体衰减系数F 
F=（F1+F2+……+Fn）/n 。
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