CN107091669B - 跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法，所述检测装置包括两对红外光电对管、量筒、光电固定器以及带动光电固定器沿量筒侧边上下平滑运动的电缸；其中，在量筒的两侧设置有两对安装于光电固定器上的红外光电对管，两对红外光电对管处于同一水平面，一对红外光电对管设置在量筒的中心位置的两侧，另一对红外光电对管设置在量筒的侧面位置的两侧，每对红外光电对管由一个发射管和一个接收管组成，每对对管的发射管正对接收管。本发明采用普通的红外光电对管，根据两对光电对管中接收管接收的光值的变化关系快速定位液面，环境光线基本不会影响液面检测，大大提高了液面检测的抗干扰性。

Description

跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种液位检测装置及其检测方法，具体地说，涉及一种跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法。

背景技术

传统的量筒液面检测常用一对光电管或者光纤，利用液体的折射，由某一接收的光阈值来判断检测液面，其方法容易受到环境光强变化的影响，测量精度较低。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法，以克服现有技术中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置及其检测方法，所述检测装置包括水平放置的检测台、电缸、光电固定器、量筒以及两对红外光电对管；其中，电缸垂直地设立于检测台的左侧；光电固定器，固定于电缸的滑块且平行于检测台并可上下移动，光电固定器呈U型；量筒设置在光电固定器的U型空腔内，且垂直地设立于检测台的右侧；每对红外光电对管由一个光电发射管和一个光电接收管组成；两对红外光电对管分别对称地固定在光电固定器的U型两翼内侧上，并且两对红外光电对管中的发射管分别正相对其对应的接收管；量筒置于两对红外光电对管之间。

作为对本发明所述的检测装置的进一步说明，优选地，在光电固定器的U型两翼内侧上安装红外光收发装置，电缸带动光电固定器以及所述红外光收发装置沿量筒侧面同步运动。

作为对本发明所述的检测装置的进一步说明，优选地，光电接收管与用于检测光电接收管接收的光值及计算移动距离的可编程电子电路单元连接。

作为对本发明所述的检测装置的进一步说明，优选地，一对红外光电对管正对量筒的竖直中轴，另一对红外光电对管处于量筒竖直中轴的侧面。

作为对本发明所述的检测装置的进一步说明，优选地，在跟踪液面时，两对红外光电对管进行上下同步运动。

为了实现本发明的另一目的，本发明提供了一种采用所述的跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：1)将量筒盛有一定或者变化高度的液体，两对红外光电对管分别对称地固定在光电固定器的U型两翼内侧上，并且两对红外光电对管中的发射管分别正相对其对应的接收管，量筒置于两对红外光电对管之间，其中一对红外光电对管处于量筒的竖直中轴位置，另一对红外光电对管处于量筒竖直中轴的侧面位置；当光线处于液体的凹液面位置时的高度段称为液面段，所述液面段的上方为空气段，所述液面段的下方为液体段；2)将光电接收管与用于检测光电接收管接收的光值及计算移动距离的可编程电子电路单元连接，启动电缸带动光电固定器和两对红外光电对管沿量筒侧面由量筒顶端往下平滑运动，并在运动的过程中将中心位置的光电接收管和侧面位置的光电接收管接收的光值以及对应的移动距离保存到可编程电子电路单元中；3)根据所述可编程电子电路单元保存的接收光值及对应的移动距离得到量筒高度位置和光值之间变化情况的关系曲线，以得到中心位置的光电接收管的光值曲线a和侧面位置的光电接收管的光值曲线b；4)在同一高度坐标下得到的光值曲线a和光值曲线b所围成的阴影部分即为中心光电光值小于侧面光电光值的区域，其中，阴影部分光值曲线a和光值曲线b下部的交叉点作为液面检测的精确位置的判断点，以判断液面所在高度值。

作为对本发明所述的检测方法的进一步说明，优选地，所述空气段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线高于液体的凹液面位置时的高度段；所述液体段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线低于液体的凹液面位置时的高度段；所述液面段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线处于液体的凹液面位置时的高度段。

作为对本发明所述的检测方法的进一步说明，优选地，当光线在空气段时，中心位置的接收管和侧面位置的接收管都接收到大光值；当光线在液体段时，中心位置的光电接收管接收到大光值，侧面位置的光电接收管接收到小光值；当光线在液面段时，中心位置的光电接收管接收的光值小于侧面位置的光电接收管接收的光值。

作为对本发明所述的检测方法的进一步说明，优选地，所述阴影部分光值曲线a和光值曲线b的下部交叉点是中心光电光值小于侧面光电光值变为中心光电光值大于侧面光电光值的位置点。

作为对本发明所述的检测方法的进一步说明，优选地，当跟踪液面时，电缸带动光电固定器和两对红外光电对管沿量筒侧面进行上下同步运动，以得到阴影部分区域，再找到下部的交叉点，以得到判断点。

本发明的装置结构简单，采用普通的红外光电对管，就能够快速准确的检测到液面，而且两对光电对管的安装位置相当，受环境光线的影响差不多，多数情况下不会影响两对光电对管光值大小的关系，所以，环境光线基本不会影响液面检测，大大提高了液面检测的抗干扰性。

本发明的方法即可用于静态液面的位置检测，又可用于动态液面的位置跟踪和检测，而对于动态液面，即液面跟踪时，很容易根据中心和侧面光电的光值变化关系快速定位液面，因为阴影区域很小，跟踪时很小的位移就可以达到判断点，无需很长时间，所以可以快速跟踪液面。同时，也是因为判断点位置明确而且重复性好，所以此检测方法可以高精度的检测液面，配合精密电缸，精度可以达到0.02mm以下。

附图说明

图1为本发明的量筒液位跟踪精密检测装置的结构示意图；

图2为本发明的光线穿过量筒空气段的水平截面示意图；

图3为本发明的空气段的竖直截面示意图；

图4为本发明的光线穿过量筒液体段的水平截面示意图；

图5为本发明的液体段的竖直截面示意图；

图6为本发明的光线穿过量筒中液面段时的水平截面示意图；

图7为本发明的液面段的竖直截面示意图；

图8为本发明的光线穿过量筒中液面段时的竖直截面放大示意图；

图9为本发明的光线穿过量筒时红外光电对管接收光值示意图。

具体实施方式

为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。

如图1所示，图1为本发明的量筒液位跟踪精密检测装置的结构示意图；所述检测装置包括水平放置的检测台T、电缸3、光电固定器2、量筒1以及两对红外光电对管A-A’和B-B’；其中，在检测台T的左侧设立有垂直于检测台T的电缸3，光电固定器2固定于电缸3的滑块上，且平行于检测台T，可沿着滑轨上下移动，光电固定器2呈U型；量筒1设置在光电固定器2的U型空腔内，且垂直地设立于检测台T的右侧；量筒的底座可以使量筒垂直于检测台放置；两对红外光电对管A-A’和B-B’对称地固定在光电固定器2的U型两翼内侧上并且处于同一水平面正对量筒1，即一对红外光电对管A-A’相对地设置在量筒1的中心位置的两侧，另一对红外光电对管B-B’相对地设置在量筒1的侧面位置的两侧，每对红外光电对管由一个光电发射管和一个光电接收管组成，两对红外光电对管A-A’和B-B’中的发射管分别正相对其对应的接收管，量筒1置于两对红外光电对管A-A’和B-B’之间，其中一对红外光电对管A-A’处于量筒1的竖直中轴位置，另一对红外光电对管B-B’处于量筒1竖直中轴的侧面位置；以使光电发射管A发出的光线能够穿射于量筒1的竖直中轴位置，并对应地到达光电接收管A’，同时光电发射管B发出的光线能够穿射于量筒1的竖直中轴的侧面位置，并对应地到达光电接收管B’，并且光电接收管A’和B’与用于检测光电接收管接收的光值及计算移动距离的可编程电子电路单元连接。电缸3带动光电固定器2以及两对红外光电对管A-A’和B-B’沿量筒侧面同步平滑运动；优选地，在跟踪液面时，两对红外光电对管A-A’和B-B’进行上下同步运动，保证跟踪液面的检测更准确。而两对红外光电对管A-A’和B-B’可以替换为光纤收发装置，在光电固定器2的U型两翼内侧上安装光纤收发装置，电缸3带动光电固定器2以及光纤收发装置沿量筒侧面同步平滑运动，如果把红外光电对管更换为光纤收发装置，原理相同，精度提高。

请参看图9，图9为本发明的光线穿过量筒时红外光电对管接收光值示意图；本发明还提供了一种跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置的检测方法，根据中心光电接收管A’和侧面光电接收管B’接收的光线的光值变化关系快速定位液面。本发明的检测方法的步骤具体操作如下。

步骤1)，将量筒1盛有一定高度h的液体，两对红外光电对管A-A’和B-B’分别对称地固定在光电固定器2的U型两翼内侧上，并且两对红外光电对管A-A’和B-B’中的发射管分别正相对其对应的接收管，量筒1置于两对红外光电对管A-A’和B-B’之间，其中一对红外光电对管A-A’处于量筒1的竖直中轴位置，另一对红外光电对管B-B’处于量筒1竖直中轴的侧面位置；以使光电发射管A发出的光线能够从量筒1的竖直中轴位置穿过量筒，并对应地到达光电接收管A’，同时光电发射管B发出的光线能够从量筒1的竖直中轴的侧面位置穿过量筒，并对应地到达光电接收管B’；其中，当光线处于液体的凹液面位置时的高度段称为液面段，所述液面段的上方为空气段，所述液面段的下方为液体段。

步骤2)将光电接收管A’和B’与用于检测光电接收管接收的光值及计算移动距离的可编程电子电路单元(图中未显示)连接，可以选用常规的可编程电子电路单元，即带有AD转换器、步进电机控制驱动、屏幕显示等功能，可以精确有效地对光电接收管移动的距离进行记录，以及对光电接收管接收到的光值进行记录，启动步进0.005mm的电缸带动光电固定器2及其上的两对红外光电对管A-A’和B-B’沿量筒侧面由量筒顶端往下平滑运动，扫描液面的情况，并在运动的过程中将中心位置的光电接收管A’和侧面位置的光电接收管B’接收的光值以及对应的移动距离保存到可编程电子电路单元中。

步骤3)根据所述可编程电子电路单元保存的接收光值及对应的移动距离得到如下表1所示：

表1

由表1可以看出：采用步进0.005mm的电缸带动检测光电沿量筒侧边由上往下移动，扫描液面的情况；相对高度指步进的步数，原点在高位。

根据表1中的量筒高度位置(即相对高度)、中心光电光值以及侧面光电光值之间变化情况绘制关系曲线，即得到中心位置的光电接收管A’的光值曲线a和侧面位置的光电接收管B’的光值曲线b。

步骤4)在同一坐标下将得到的光值曲线a和光值曲线b所围成的阴影部分，即为中心光电光值小于侧面光电光值的区域，其中，阴影部分光值曲线a和光值曲线b下部的交叉点，即中心光值大于侧面光值的改变点，则作为液面检测的精确位置的判断点，以判断液面所在高度值；所述阴影部分光值曲线a和光值曲线b的下部交叉点是中心光电光值小于侧面光电光值变为中心光电光值大于侧面光电光值的位置点。

如图3所示，图3为本发明的空气段的竖直截面示意图，所述空气段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线高于液体的凹液面位置时的高度段；请参看图2，图2为本发明的光线穿过量筒空气段的水平截面示意图；根据所述检测方法可以得到当光线在空气段时，中心光电接收管A’和侧面光电接收管B’都接收到大光值。

如图5所示，图5为本发明的液体段的竖直截面示意图；所述液体段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线低于液体的凹液面位置时的高度段；请参看图4，图4为本发明的光线穿过量筒液体段的水平截面示意图；根据所述检测方法可以得到当光线在液体段时，中心光电接收管A’接收到大光值，侧面光电接收管B’接收到小光值。

如图7所示，图7为本发明的液面段的竖直截面示意图；所述液面段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线处于液体的凹液面位置时的高度段；请参看图6，图6为本发明的光线穿过量筒中液面段时的水平截面示意图；根据所述检测方法可以得到当光线在液面段时，中心光电接收管A’接收的光值小于侧面光电接收管B’接收的光值，当光线在液面段时，中心光电接收管A’只接收到部分光，有部分被遮挡或者折射；侧面光电接收管B’也只接收到部分光，有部分被遮挡或者折射。

请参看图8，图8为本发明的光线穿过量筒中液面段时的竖直截面放大示意图；由于凹液面的中间位置液面高度高于侧面位置，当光线的截面积大小合适，侧面光电比中心光电稍高时，会使中心光电接收的光值小于侧面光电的光值。

根据以上分析，检测液面时只要找到阴影部分(中心光电光值小于侧面光电光值)的下部交叉点(中心光电光值小于侧面光电光值变为中心光电光值大于侧面光电光值的位置点)即可，而对于动态液面，即液面跟踪时，只要判断到阴影部分区域，再找到下部的判断点即可。而阴影部分区域很小，跟踪时很小的位移就可以达到判断点。

由于两对光电对管的安装位置很接近，受环境干扰的程度相似，所以对它们的大小关系影响不大。液面的判断点采用液面段底部从上到下扫描时中心光电光值由小于到大于侧面光电光值的变化点，可以基本抵消环境影响。该液面判断点与实际的凹液面有个固定距离，这个距离通过校准加以修正。

实际应用中，在液体较少时会没有凹液面，使光电无法测量到体积，因此可以在测量前先往量筒中注入足够形成凹液面的液体，然后以体积差的方式计算。

同时，也是因为判断点位置明确而且重复性好，所以此检测方法可以高精度的检测液面，配合精密运动装置，精度优于0.02mm。

本发明检测液面主要是根据两对光电的光值的关系来判断的，而两对光电的安装位置相当，受环境光线的影响差不多，多数情况下不会影响两对光电光值大小的关系，所以，环境光线基本不会影响液面检测，大大提高了液面检测的抗干扰性。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种采用跟踪定位量筒液位精密变化的检测装置的检测方法，其特征在于，所述检测装置包括水平放置的检测台（T）、电缸（3）、光电固定器（2）、量筒（1）以及两对红外光电对管（A-A’，B-B’）；其中，电缸（3）垂直地设立于检测台（T）的左侧；光电固定器（2）固定于电缸（3）的滑块上且平行于检测台（T）并可上下移动，光电固定器（2）呈U型；量筒（1）设置在光电固定器（2）的U型空腔内，且垂直地设立于检测台（T）的右侧；每对红外光电对管由一个光电发射管和一个光电接收管组成；在光电固定器（2）的U型两翼内安装红外光收发装置，电缸（3）带动光电固定器（2）以及所述红外光收发装置沿量筒（1）侧面同步运动；

所述检测方法包括如下步骤：

1）将量筒（1）盛有一定或者变化高度的液体，两对红外光电对管（A-A’，B-B’）分别对称地固定在光电固定器（2）的U型两翼内，并且两对红外光电对管（A-A’，B-B’）中的发射管分别正相对其对应的接收管，量筒（1）置于两对红外光电对管（A-A’，B-B’）之间，其中一对红外光电对管（A-A’）处于量筒（1）的竖直中轴位置，另一对红外光电对管（B-B’）处于量筒（1）竖直中轴的侧面位置；当光线处于液体的凹液面位置时的高度段称为液面段，所述液面段的上方为空气段，所述液面段的下方为液体段；

2）将光电接收管（A’，B’）与用于检测光电接收管接收的光值及计算移动距离的可编程电子电路单元连接，启动电缸（3）带动光电固定器（2）和两对红外光电对管（A-A’，B-B’）沿量筒侧面上下平滑运动，并在运动的过程中将中心位置的光电接收管（A’）和侧面位置的光电接收管（B’）接收的光值以及对应的移动距离保存到可编程电子电路单元中；

3）根据所述可编程电子电路单元保存的接收光值及对应的移动距离得到量筒高度位置和光值之间变化情况的关系曲线，以得到中心位置的光电接收管（A’）的光值曲线a和侧面位置的光电接收管（B’）的光值曲线b；

4）在同一高度坐标下得到的光值曲线a和光值曲线b所围成的阴影部分即为中心光电光值小于侧面光电光值的区域，其中，阴影部分光值曲线a和光值曲线b下部的交叉点作为液面检测的精确位置的判断点，以判断液面所在高度值。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述空气段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线高于液体的凹液面位置时的高度段；所述液体段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线低于液体的凹液面位置时的高度段；所述液面段为光电发射管与对应光电接收管之间的光线处于液体的凹液面位置时的高度段。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，当光线在空气段时，中心位置的接收管（A’）和侧面位置的接收管（B’）都接收到大光值；当光线在液体段时，中心位置的光电接收管（A’）接收到大光值，侧面位置的光电接收管（B’）接收到小光值；当光线在液面段时，中心位置的光电接收管（A’）接收的光值小于侧面位置的光电接收管（B’）接收的光值。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述阴影部分光值曲线a和光值曲线b的下部交叉点是中心光电光值小于侧面光电光值变为中心光电光值大于侧面光电光值的位置点。

5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，当跟踪液面时，电缸（3）带动光电固定器（2）和两对红外光电对管（A-A’，B-B’）沿量筒侧面进行上下同步运动，以得到阴影部分区域，再找到下部的交叉点，以得到判断点。

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