CN1070474A - 激光精密探测液位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光精密探测液位的方法和装 置。利用了液位的棱镜效应，使用了电荷耦合图象传 感器CCD器件作图象接收装置，使用了强度稳定的 激光光源和一系列滤除杂散光的滤光片，使液位探测 精度提高到±0.1mm，分辨力达到±0.01mm，提供的 测量装置探测水位，实际测量结果是精度±0.1mm， 分辨力±0.03mm，应用于反应堆水位精密测量，取得 满意结果。

Description

本发明涉及一种精密探测液位的方法和装置，特别是使用激光精密探测水位的方法和装置。

目前，测量液位的方法很多，主要有：压力法，电容法，声学法，浮子法等等。但上述方法的测量精度不高，在有些场合难以达到使用要求。并且上述方法中有些传感器要置于液体之中，这就给设备密封带来一定困难。本发明测量精度明显优于上述方法，而且是无接触测量，对液体设备的密封无影响。

在检索的文献中，亦有采用光学探测液位的报道，但由于它们未考虑液面的精细结构，故探测精度不高，另外有的未采用激光器做光源，故受杂光等影响，使测量精度难以提高。

使用激光器件做光源时，由于激光器能量集中，单色性好，扩散角小，可以使测控范围加大;增加滤光片，对杂光有强抑制，提高了精度。如可以使用激光器作光源用反射式测量熔融状玻璃和钢水的液位。这种探测方法用于控制玻璃或钢水的浇铸有其独特的优点。另外也有使用某种射线替代光源作液位探测的。但以上各种方法探测液位精度均只达到几毫米的量级，在有些应用场合如反应堆的水位测量上满足不了精度要求。

本发明的任务是考虑了液位面精细结构的基础上，提出一种新的液位测量方法，提供一种精密测量液位特别是测量水位的装置，其探测精度达到±0.1mm，分辨力达到±0.01mm。

本发明是基于下述原理和方法的。一般液体或水在玻璃或石英容器中，由于毛细现象，形成液体的虹吸挂壁现象，即由于虹吸现象液面将攀附器壁出现高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出现下凹的N部分，如图1所示。图1中（1）是M部分，（2）是水平面，（3）是N部分。当一束平行光平行于水面照射时，由于M与N这两部分对光线的斜向反射，使容器另一侧形成的光学图象呈现图2所示的情况，即中间暗两端亮的影象。上部的影象部分（4）由于光垂直器壁照射，使成象光亮;下部影象部分（7）由于水是均匀介质，故成象也清晰。中间部分（5）由于M和N两部分的作用，使这区间的光线反射到另外方向，形成暗象。我们称这种现象为液位的“棱镜效应”。这种液位的特有现象就构成了精确探测液位的光学基础，即本发明的基础。图2中（5）和（7）的交界线（6）记为“L”线，则L线的高度标示了液位的高度。L的高度与真实的液面高度有一个恒定的差值。多次实验证明，对于水来说，这一差值约为1mm左右，可以精确测定。本发明使用激光光源，提高了抗干扰能力。在光学图象一边，使用电荷耦合图象传感器（CCD）器件置于象面上，则可测出“L”线的高度，从而精确测出液位高度。

本发明提供的探测液位的方法，由于考虑了液面与容器之间相互作用的精细结构，从而使经典的光学方式测液位的方法提高精度1到2个数量级。精度达到±0.1mm，分辨率达±0.01mm。且单向重复性很高。依据本发明的方法制作的激光精密探测液位的装置，在水位探测中，精度达到±0.1mm量级，分辨力达到±0.03mm，完全满足反应堆水位精密测控的要求。

下面结合本发明提供的原理方法制作的精密水位探测装置的附图来进行更详细地说明。

图3是激光精密水位计构造示意图;

图4是激光精密水位计的电子线路方框图;

由图3可以看到，激光器等全部测量部件都安装在测量滑台（19）上，测量滑台（19）由步进电机（8）通过蜗轮付（26）、绕线轴（27）、钢丝绳（24）、滑轮Ⅰ（15）、滑轮Ⅱ（16）、配重（25）组成的升降机构，可以沿玻璃或石英玻璃管制作的水容器管（28），根据水位的高低上下移动，测量滑台（19）的位置可以由光栅定尺（17）和固定在测量滑台（19）上的光栅动尺（23）精确给出。测量滑台（19）随水位的高低移动，最后精确定位在水位面上，其测量控制系统有三级，头一级是在水容器（28）管壁上安装的一系列压力传感器，图中画出了两个：压力传感器Ⅰ（10），压力传感器Ⅱ（9），它们提供的水位信号可以使测量滑台（19）在厘米量级随动水位。第2级控制是装在测量滑台（19）上由光敏器件（22）、光栏（21）、反射凹镜（11）组成的光学反射式水位测量系统。该系统给出的水位信号可以使滑量滑台在毫米量级随动水位。第三级即本发明提供的探测方法和装置系统。安装在测量滑台（19）上的稳定光强的激光器（13）发出的激光束经扩束器（12）成为平行激光束。该激光束平行水面穿过水容器管（28），在水容器管（28）另一侧，电荷耦合图象传感器（CCD）器件（20）接收光学图象。将L线的位置，即水位的数据经过接口电路输入计算机，数据经过计算机处理，如L线与实际液面高度差常量修正等，控制步进电机（8），使测量滑台（19）准确到0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，装有可以滤掉其他杂散光的滤光片（29）。测量滑台（19）的位置可以由光栅动尺（23）和光栅定尺（17）精确给出。测量滑台上装有作导向用的轴承（18）。水容器管（28）有连通管（14）与水箱相连。本实施例使用的滤光片仅使780μm波长的激光束通过;CCD器件选用象素宽度为12.6μm、共有2048个象素单元。通过8位A/D变换器对每个象素信号进行细分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本实施例提供的激光精密水位计的技术指标是：分辨力为±0.03mm，精度±0.1mm作为反应堆专用水位计使用。

图4是激光精密水位计的电子线路方框图。图中图象传感器CCD（20），光敏器件（22），压力传感器Ⅰ（10）和压力传感器Ⅱ（9），及行程开关（30）提供三级的水位测控信号。这些水位信号经接口电路（32）进入微计算机A（33），微计算机A（33）对所有这些信号综合处理之后，控制步进电机电源（36），达到测量滑台随水位移动，最后精确到0.1mm的量级定位。光栅动尺和光栅定尺在测量滑台最后定位时，给出的读数信号（31）也通过接口电路（35）输入微计算机A（33），统一进行处理。微计算机B（34），接收微计算机A（33）测得的水位数值，一方面按要求控制进行数字显示（41）或发光管显示（40），或通过数据输出（38）将有关数据传给中心计算机（42），或接受控制键盘（39）的输入，控制微机A（33）及整个测试系统的运行。（37）是本装置使用的稳压电源。

Claims (10)

1、一种激光精密探测液位的方法和装置，其中激光器(13)发出的激光束由激光扩束器(12)扩束为平行光平行液面射过，在液体容器管(28)对侧有电荷耦合图象传感器(CCD)器件(20)作为图象接收装置，整个上述测量元件装置在一个测量滑台(19)上，测量滑台(19)有由步进电机(8)及其他部件组成的升降系统，其特征是平行激光光束平行液面射过时，由于液位的棱镜效应，光源对侧的光学图象是亮-暗-亮相间的，中部暗象与下部亮象的分界线L线(6)是清晰的，L线(6)标志了液位高度，L线(6)的高度由电荷耦合图象传感器(CCD)器件(20)检测，测量滑台(19)随液位移动的控制系统有压力传感器系统、光反射检测系统和激光精密探测液位系统三级，测量滑台(19)的最终位置由光栅尺读出。

2、根据权利要求1所述的L线（6），其特点是它的高度与真实液位高度有一个差值，对于一种液体，这个差值是一个固定的常数值且可以由试验精确测定。

3、根据权利要求1和2所述的L线，其特点在于对水来说，L线与真实水位的差值为一个1.0±0.1mm的常量。

4、根据权利要求1和2所述的L线，其特点是使用棱镜效应测量L线的方法精度可达0.1mm分辨力可达±0.01mm。

5、根据权利要求1所述的电荷耦合图象传感器（CCD）器件其特点是检测到的图象信号又经一个8位的A/D变换器对每个象素信号进行细分，而得到十分之一象素的分辨力。

6、根据权利要求1和5所述的CCD器件及A/D变换器对象素的细分，其特点是使用象素宽度为12.6μm的CCD器件及8位A/D变换器，得到有效分辨力±1.26μm。

7、根据权利要求1所述的压力传感器系统其特征在于等距装置在水容器管（28）中的压力传感器是两个或两个以上。

8、根据权利要求1所述的光反射检测系统其特征在于是由光敏器件（22），光栏（21）和装在水容器管另侧的反射凹镜（11）组成。

9、根据权利要求1所述的激光探测液位系统其特点在于激光器（13）发出的激光束经扩束器（12）后穿透水容器管（28），经过滤光片（29）才到达CCD器件（20）。

10、根据权利要求1所述的光栅尺其特征在于是由固定在测量滑台上的光栅动尺（23）和固定连接在水容器管（28）上的光栅定尺（17）组成。

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