CN104897243B - 基于光学测距的透明液体的液位测量装置及液位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置及液位测量方法。液位测量装置包括激光器、准直透镜、接收透镜、线阵光电探测器和处理单元，激光器用于产生激光，激光经准直透镜准直后垂直射向液面；接收透镜用于接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在线阵光电探测器上形成光斑；处理单元用于根据接收透镜的焦距、光斑到接收透镜主光轴的第一距离、光斑到激光器的第二距离、激光器到透明液体底面的第三距离、透明液体的折射率和空气的折射率计算得到透明液体的液位值。通过上述方式，本发明能够测量透明液体的液位。
Description
技术领域
本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置及液位测量方法。
背景技术
液位是指液体介质在容器中的液面高度(一般是指相对于容器底面的高度)。在工农业生产中，液位是一个很重要的参数，由液位结合其他参数可以推算出液体介质的体积、质量等信息；在存储、运输液体介质过程中，也需要时刻监测液位，以判断是否有溢出或泄露等意外发生。因此，液位测量广泛应用于石油、化工、医药、食品饮料等领域，在工农业生产中具有重要地位，有的甚至直接影响到生产与运输的安全。
目前，液位测量装置主要基于以下几种方式：直读式、浮力式、静压式、声学式和激光式。直读式测量液位是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器原理，将容器中的液体与带有标尺的观察管连通，通过标尺读出液位高度，该方法简单直观、可靠性高、成本低廉，在实际中得到了广泛应用，但是该方法是由人工读取数据，存在人工误差，且需要事先安装带有标尺的观察管，存在一定的安全隐患。浮力式测量液位是根据力平衡原理，借助漂浮物体(在平衡时能够浮于液面)，当液面高度发生变化时，漂浮物体就会跟随液面上下移动，因此测出漂浮物体的位移就可以知道液位的变化量，这种方法结构简单，价格低廉，但是该方法需要采用多个传动部件，稳定性和可靠性较差，精度也有限。静压式测量液位是根据液体自身重力对容器壁产生的压力进行测量，由于液体对容器壁产生的静压力与液位成正比，因此通过测量容器壁上承受的压力就可以推算出液位，这种方法需要在容器内壁上安装压力传感器，操作复杂，成本较高，使其应用受到限制。声学式测量液位利用超声波在介质中的传播特性，在容器顶部或者底部安装超声波反射器和接收器，发射出的超声波被液面反射，并由接收器接收，根据发射到接收的时间差，可以测出液位，该方法与介质不接触，无机械传动部件，稳定性好，但是结构复杂，价格相对昂贵。激光式测量液位则是由激光源向被测液面发射激光，经液面反射后接收反射光，测量出从发射到接收的时间差，可以计算得到液位，但是该方法只能测量不透明，液面可反射光的液体。
在实际应用中，急需一种对透明液体(如工业酒精、液态天然气)实现低成本、高精度、非接触式的液位测量方法，以较低的成本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的液位测量方法，并将其推向实用化。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置及液位测量方法，能够测量透明液体的液位。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置，包括激光器、准直透镜、接收透镜、线阵光电探测器和处理单元，所述激光器、准直透镜、接收透镜和线阵光电探测器均位于液面上方，所述激光器用于产生激光，所述激光经所述准直透镜准直后垂直射向液面；所述接收透镜用于接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在所述线阵光电探测器上形成光斑；所述处理单元用于根据所述接收透镜的焦距、所述光斑到所述接收透镜主光轴的第一距离、所述光斑到所述激光器的第二距离、所述激光器到所述透明液体底面的第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
优选地，所述处理单元包括光电探测电路、信号放大电路、模数转换电路和处理器，所述光电探测电路将所述线阵光电探测器上的光信号转换为电信号，并由所述信号放大电路放大以及模数转换电路进行模数转换后输入到所述处理器，所述处理器根据输入的电信号确定所述第一距离和所述第二距离，并根据所述焦距、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
优选地，所述液位测量装置还包括显示电路，所述显示电路包括显示器，所述显示器用于显示所述液位值。
优选地，所述显示电路还包括数据输出接口电路或无线传输电路，所述数据输出接口电路用于将所述液位值发送给外部设备，所述无线传输电路用于对所述液位值进行远程传输。
优选地，所述激光器为半导体激光器。
优选地，所述处理器为嵌入式MCU。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于光学测距的透明液体的液位测量方法，包括：利用激光器产生激光，并利用准直透镜对激光准直后向液面垂直发射准直后的激光；利用接收透镜接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在线阵光电探测器上形成光斑；根据所述接收透镜的焦距、所述光斑到所述接收透镜主光轴的第一距离、所述光斑到所述激光器的第二距离、所述激光器到所述透明液体底面的第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
优选地，所述液位测量方法还包括：将所述线阵光电探测器上的光信号转换为电信号，并对所述电信号放大以及进行模数转换；根据所述电信号确定所述第一距离和所述第二距离，并根据所述焦距、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.由于利用光学测距原理，安装方便，结构简单，稳定性好、具有超高测量精度；
2.测量过程中不接触透明液体，使用安全方便，工作寿命长；
3.采用线阵光电探测器接收折射光，可以精确地确定光斑位置，由此可以提高测量精确度；
4.激光器可以采用半导体激光器，无需调制，直接上电即可使用，稳定性好；
5.处理器可以采用嵌入式MCU，体积小巧，响应速度快，可以根据实际需求定制不同的功能。
6.测量结果可以通过数据输出接口电路或无线传输电路传输，可实现无线组网监测，满足不同的监测应用需求。
附图说明
图1是光学测距的原理示意图。
图2是本发明实施例的基于光学测距的透明液体的液位测量装置的结构框图。
图3是本发明实施例的基于光学测距的透明液体的液位测量装置的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
光学测距是一种非接触式的测距方法，其原理如图1所示。激光源11发出的激光照射到被测物体上发生漫反射，反射光经过滤镜12后在线阵探测器13上形成光斑。通过线阵探测器13可以检测到光斑的位置d3，再结合滤镜12的焦距d2和滤镜12的主光轴到激光源11的距离d4，可以得到几何关系式：
其中，焦距d2、光斑的位置d3、距离d4均为已知，从而可以计算出液面到激光源11的距离d1。
基于上述光学测距原理，本发明实施例提供一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置。如图2所示，液位测量装置包括激光器21、准直透镜22、接收透镜23、线阵光电探测器24和处理单元25，激光器21、准直透镜22、接收透镜23和线阵光电探测器24均位于液面上方。激光器21用于产生激光，激光经准直透镜22准直后垂直射向液面；接收透镜23用于接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在线阵光电探测器24上形成光斑；处理单元25用于根据接收透镜23的焦距、光斑到接收透镜23主光轴的第一距离、光斑到激光器21的第二距离、激光器21到透明液体底面的第三距离、透明液体的折射率和空气的折射率计算得到透明液体的液位值。激光器21可以为半导体激光器，半导体激光器无需调制，直接上电即可使用，稳定性好。
在本实施例中，处理单元25包括光电探测电路251、信号放大电路252、模数转换电路253和处理器254，光电探测电路251将线阵光电探测器24上的光信号转换为电信号，并由信号放大电路252放大以及模数转换电路253进行模数转换后输入到处理器254，处理器254根据输入的电信号确定第一距离和第二距离，并根据焦距、第一距离、第二距离、第三距离、透明液体的折射率和空气的折射率计算得到透明液体的液位值。处理器254可以是嵌入式MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，使得处理器254具有体积小巧，响应速度快等优点，可以根据实际需求定制不同的功能。
进一步地，液位测量装置还包括显示电路(图未示)，显示电路包括显示器，显示器用于显示液位值。显示器可以是液晶显示屏等器件。可选地，显示电路还包括数据输出接口电路或无线传输电路，数据输出接口电路用于将液位值发送给外部设备，无线传输电路用于对液位值进行远程传输。通过数据输出接口和无线传输可以实现无线组网监测，满足不同的监测应用需求。
下面将结合图3说明本发明实施例基于光学测距的透明液体的液位测量装置的具体工作过程。
激光器21产生的激光垂直射入透明液体后在容器底面发生漫反射，再经液面折射后的折射光进入接收透镜23，并在线阵光电探测器24上形成光斑。其中，接收透镜23的焦距D3为已知，通过线阵光电探测器24可以探测到光斑到接收透镜23主光轴的第一距离D1，根据三角几何关系可以计算出液面对激光的折射角α，即
根据折射定律可以计算得到入射角β，即：
n0sinα＝n1sinβ
其中n0为空气的折射率，n1为透明液体的折射率。
再根据图3中三角几何关系：
h×tanβ＝(h-D4)×tanα
其中，h为液面到容器底面的距离(即液位值)，D4为折射光线的反向延长线与入射光线的交点到容器底面的距离，D2为光斑到激光器21的第二距离，H为激光器21到透明液体底面的第三距离。
根据上述关系式可以计算得到透明液体的液位值，即：
本发明实施例还提供一种基于光学测距的透明液体的液位测量方法。液位测量方法包括以下步骤：
S1：利用激光器产生激光，并利用准直透镜对激光准直后向液面垂直发射准直后的激光。
S2：利用接收透镜接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在线阵光电探测器上形成光斑。
S3：根据接收透镜的焦距、光斑到接收透镜主光轴的第一距离、光斑到激光器的第二距离、激光器到透明液体底面的第三距离、透明液体的折射率和空气的折射率计算得到透明液体的液位值。
可选地，液位测量方法还包括：
S4：将线阵光电探测器上的光信号转换为电信号，并对电信号放大以及进行模数转换；
S5：根据电信号确定第一距离和第二距离，并根据焦距、第一距离、第二距离、第三距离、透明液体的折射率和空气的折射率计算得到透明液体的液位值。
本实施例的液位测量方法的具体测量过程请参见前述实施例的液位测量装置，此处不再赘述。
通过上述方式，本发明实施例的基于光学测距的透明液体的液位测量装置及液位测量方法通过结合光学测距和折射定律，从而能够测量透明液体的液位。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于光学测距的透明液体的液位测量装置，其特征在于，包括激光器、准直透镜、接收透镜、线阵光电探测器和处理单元，所述激光器、准直透镜、接收透镜和线阵光电探测器均位于液面上方，所述激光器用于产生激光，所述激光经所述准直透镜准直后垂直射向液面；所述接收透镜用于接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在所述线阵光电探测器上形成光斑；所述处理单元用于根据所述接收透镜的焦距、所述光斑到所述接收透镜主光轴的第一距离、所述光斑到所述激光器的第二距离、所述激光器到所述透明液体底面的第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值；其中，所述透明液体的液位值的计算方式如下：
接收透镜的焦距D3为已知，通过线阵光电探测器探测到光斑到接收透镜主光轴的第一距离D1，根据三角几何关系可以计算出液面对激光的折射角α，即：
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
根据折射定律可以计算得到入射角β，即：
n0sinα＝n1sinβ
其中，n0为空气的的折射率，n1为透明液体的折射率；
再根据三角集合关系得到：
h×tanβ＝(h-D4)×tanα
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>H</mi>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，h为液面到容器底面的距离即所述透明液体的液位值，D4为折射光线的反向延长线与入射光线的交点到容器底面的距离，D2为光斑到激光器的第二距离，H为激光器到透明液体底面的第三距离；
根据上述关系式计算得到透明液体的液位值：
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mi>H</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mo>-</mo>
<mi>tan</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
2.根据权利要求1所述的液位测量装置，其特征在于，所述处理单元包括光电探测电路、信号放大电路、模数转换电路和处理器，所述光电探测电路将所述线阵光电探测器上的光信号转换为电信号，并由所述信号放大电路放大以及模数转换电路进行模数转换后输入到所述处理器，所述处理器根据输入的电信号确定所述第一距离和所述第二距离，并根据所述焦距、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
3.根据权利要求2所述的液位测量装置，其特征在于，所述液位测量装置还包括显示电路，所述显示电路包括显示器，所述显示器用于显示所述液位值。
4.根据权利要求3所述的液位测量装置，其特征在于，所述显示电路还包括数据输出接口电路或无线传输电路，所述数据输出接口电路用于将所述液位值发送给外部设备，所述无线传输电路用于对所述液位值进行远程传输。
5.根据权利要求1所述的液位测量装置，其特征在于，所述激光器为半导体激光器。
6.根据权利要求2所述的液位测量装置，其特征在于，所述处理器为嵌入式MCU。
7.一种基于光学测距的透明液体的液位测量方法，其特征在于，包括：
利用激光器产生激光，并利用准直透镜对激光准直后向液面垂直发射准直后的激光；
利用接收透镜接收经容器底面漫反射后再由液面折射后的折射光，并在线阵光电探测器上形成光斑；
根据所述接收透镜的焦距、所述光斑到所述接收透镜主光轴的第一距离、所述光斑到所述激光器的第二距离、所述激光器到所述透明液体底面的第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值；
其中，所述透明液体的液位值的计算方式如下：
接收透镜的焦距D3为已知，通过线阵光电探测器探测到光斑到接收透镜主光轴的第一距离D1，根据三角几何关系可以计算出液面对激光的折射角α，即：
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
根据折射定律可以计算得到入射角β，即：
n0sinα＝n1sinβ
其中，n0为空气的的折射率，n1为透明液体的折射率；
再根据三角集合关系得到：
h×tanβ＝(h-D4)×tanα
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>4</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>H</mi>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，h为液面到容器底面的距离即所述透明液体的液位值，D4为折射光线的反向延长线与入射光线的交点到容器底面的距离，D2为光斑到激光器的第二距离，H为激光器到透明液体底面的第三距离；
根据上述关系式计算得到透明液体的液位值：
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mi>H</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mo>-</mo>
<mi>tan</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求7所述的液位测量方法，其特征在于，所述液位测量方法还包括：
将所述线阵光电探测器上的光信号转换为电信号，并对所述电信号放大以及进行模数转换；
根据所述电信号确定所述第一距离和所述第二距离，并根据所述焦距、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离、所述透明液体的折射率和空气的折射率计算得到所述透明液体的液位值。
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2015
- 2015-06-17 CN CN201510338944.4A patent/CN104897243B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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Also Published As
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