CN108981588B - 一种杯口高度的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杯口高度的测量装置及测量方法，在不增加测量阵列电路复杂度的前提下，提高待测水杯杯口高度测量精度。该装置包括基台、发射平板、一字激光器线阵、光敏电阻传感器阵列和接收平板；发射平板和接收平板分别固定连接在基台上，发射平板和接收平板相对，接收平板与基台之间的接触线与发射平板平行；发射平板和基台垂直；一字激光器线阵和发射平板固定连接，光敏电阻传感器阵列和接收平板固定连接；光敏电阻传感阵列中各行所在的直线与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角；一字激光器线阵发射的激光线阵与接收平板的交线与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角。

Description

一种杯口高度的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及一种杯口高度的测量装置及测量方法。

背景技术

光敏电阻传感器阵列，包括M行、N列规格相同的光敏电阻单元。每个光敏电阻单元的覆盖面积不大于d×d。当该阵列接收到一字激光器线阵发射的激光信号时，对应位置的光敏电阻单元阻值发生改变。这个特性被广泛应用于激光传感、光电自动控制和光电自动检测等场合。

在杯口高度测量方法中，光敏电阻传感器阵列被应用于一字激光器线阵发射激光信号的自动检测。以饮水机为例，现有的接水装置无法直接判断水杯是否接满水，需要人为参与，否则水杯会因接水过多而溢出。为了让接水装置可以自动监控杯子是否装满了水，并在水杯中的水溢出之前完成智能化关断，则要求接水装置能够精确计算水杯容积，从而对待测水杯杯口高度的测量精度提出了更高的要求。在上述测量方案中，影响待测水杯杯口高度的测量精度的关键因素是光敏电阻传感器阵列分辨率，但要想增加光敏电阻传感器阵列分辨率，则需增加单位面积内光敏电阻单元的数量，增大传感器阵列规模。众所周知，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难，扫描速度慢，周期长，效率低。基于此，如何在维持原有的电路复杂度不变的前提下，实现待测水杯杯口高度高精度测量就成了一道需要攻克的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提出一种杯口高度的测量装置及测量方法，可以在不增加测量阵列电路复杂度的前提下，提高待测水杯杯口高度测量精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种杯口高度的测量装置，包括基台、发射平板、一字激光器线阵、接收平板和光敏电阻传感器阵列；发射平板和接收平板分别固定连接在基台上，且发射平板和接收平板相对且平行布设；一字激光器线阵与发射平板固定连接，光敏电阻传感器阵列与接收平板固定连接；光敏电阻传感阵列中各行所在的直线与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角；一字激光器线阵发射的激光线阵与接收平板的交线与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角；θ的取值范围为-90°<θ<90°。

作为优选例，所述一字激光器线阵由以相等间隔平行且竖向排列的M个一字激光器组成，M为大于1的整数；一字激光器线阵发射的激光平面垂直于发射平板所在的平面。

作为优选例，所述光敏电阻传感器阵列为M行、N列光敏电阻单元组成；M为大于1的整数；N为大于1的整数；每个光敏电阻单元的覆盖面积不大于d×d，其中，d表示光敏电阻单元的最大直径。

作为优选例，所述θ为tan^-1(1/N)或-tan^-1(1/N)。

另一方面，本发明实施例还提供一种杯口高度的测量方法，所述方法包括：

步骤10)安装测量装置：将发射平板和接收平板分别固定连接在基台上，接收平板与基台之间的接触线与发射平板平行；将发射平板和基台垂直；将一字激光器线阵固定连接在发射平板上，光敏电阻传感器阵列固定连接在接收平板上；光敏电阻传感阵列中各行所在的直线与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角；一字激光器线阵发射的激光线阵与同时平行于发射平板和基台的直线成θ角；一字激光器线阵中一字激光器之间的垂直距离为dcosθ；

步骤20)将测量装置通电后，一字激光线阵发射出的平行激光覆盖光敏电阻传感器阵列；将待测水杯放置在基台上，处于一字激光线阵与光敏电阻传感器阵列之间的光路中，激光光线遇到待测水杯后被遮挡，映射到光敏电阻传感器阵列中即为被遮挡位置的光敏电阻单元无法接收激光光线，转换为电学量的变化；

步骤30)根据电学量的变化，将光敏电阻阵列中无法接收到激光光线的光敏电阻单元组成新的光敏电阻阵列；假设新的光敏电阻阵列中的第1行至第m₁行光敏电阻单元均未接收到光照，记第1～m₁行为未接收到光照的完整行，则第m₁+1行为部分接收到光照的边界行；设待测水杯杯口高度G；在测量量程内水杯高度H，测量量程外水杯高度H′：

测量量程L为

测量分辨率Δd为：

n为在m₁+1行从下往上数第n个被其中心点被遮挡的光敏电阻单元，则待测水杯在该测量量程内水杯高度H为：

’待测水杯杯口高度G为：

G＝H+H′。

相比现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：

(1)本发明实施例采用的测量方法，将测量分辨率从d优化到(d/N)cos[tan^-1(1/N)]；同时测量量程也发生改变，将量程从(M-1)d提高至[(MN-1)d/N]cos[tan^-1(1/N)]。

(2)本发明用价格低廉的一字激光器代替价格高昂的平行光源，大大降低了整个系统的成本。

(3)本发明提出的测量系统不仅仅可以用于自动接水设备中杯口高度测量，还可以测量其他上下底面平整且与基台平行的物体。

(4)本发明实施例的测量方法是基于非接触式测量方式，该测量方式不需要与待测水杯杯口接触，可以保证待测水杯的清洁度，远距离非破坏性地对待测水杯杯口进行测量，即待测水杯不会因该测量过程而引入污染物。

(5)本发明实施例的测量方法与基于图像处理方式相比，不依赖摄像头安装位置，在一定的移动空间内，对待测水杯摆放位置不敏感，同时数据处理方法简单直接、计算快速。

附图说明

图1是本发明实施例的测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中一字激光器线阵工作原理示意图；

图3是本发明实施例中M×N二维光敏电阻传感器阵列工作原理示意图；

图4(a)是杯口高度普通测量方法的左视图；

图4(b)是杯口高度普通测量方法的正视图；

图5(a)是本发明实施例的测量方法的左视图；

图5(b)是本发明实施例的测量方法的正视图；

图6是本发明实施例的测量方法等效运算过程示意图；

图7是本发明实施例中，边界行中无完全被遮挡光敏电阻单元结构示意图；

图8是本发明实施例中，旋转角度θ的临界条件示意图。

图中有：基台1、发射平板2、一字激光器线阵3、接收平板4、光敏电阻传感器阵列5、待测水杯6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例的一种杯口高度的测量装置，包括基台1、发射平板2、一字激光器线阵3、接收平板4和光敏电阻传感器阵列5。发射平板2和接收平板4分别固定连接在基台1上，且发射平板2和接收平板4相对且平行布设；一字激光器线阵3与发射平板2固定连接，光敏电阻传感器阵列5与接收平板4固定连接。光敏电阻传感阵列5中各行所在的直线与同时平行于发射平板2和基台1的直线成θ角；一字激光器线阵3发射的激光线阵与接收平板6的交线与同时平行于发射平板2和基台1的直线成θ角；θ的取值范围为-90°<θ<90°。

上述实施例的测量装置在工作时，将待测水杯6置于基台1上，且待测水杯6位于发射平板2和接收平板4之间。一字激光器线阵3通电后发出激光。部分激光被待测水杯6遮挡，无法照射到光敏电阻传感器阵列5中。对于光敏电阻传感器阵列5而言，部分光敏电阻单元完全被激光照射，部分光敏电阻单元完全没有被激光照射，还有部分光敏电阻单元部分被激光照射。优选的，θ为tan^-1(1/N)或-tan^-1(1/N)时，测量精度更高。

上述实施例中，一字激光器线阵3由以相等间隔平行且竖向排列的M个一字激光器组成，M为大于1的整数。一字激光器线阵3发射的激光平面垂直于发射平板2所在的平面。光敏电阻传感器阵列5为M行、N列光敏电阻单元组成；M为大于1的整数；N为大于1的整数。每个光敏电阻单元的覆盖面积不大于d×d，d表示光敏电阻单元的最大直径。优选的，d取值范围为3mm～25mm。一字激光器线阵3的行数等于光敏电阻传感器阵列5的行数。一字激光器线阵3的列数为一列。

上述实施例的测量装置进行杯口高度的测量方法，包括：

步骤10)安装测量装置：将发射平板2和接收平板4分别固定连接在基台1上，接收平板4与基台1之间的接触线与发射平板2平行。将发射平板2和基台1垂直。将一字激光器线阵3固定连接在发射平板2上，光敏电阻传感器阵列5固定连接在接收平板4上。光敏电阻传感阵列5中各行所在的直线与同时平行于发射平板2和基台1的直线成θ角。一字激光器线阵3发射的激光线阵与同时平行于发射平板2和基台1的直线成θ角。一字激光器线阵3中一字激光器之间的垂直距离为dcosθ。

步骤20)将测量装置通电后，一字激光线阵3发射出的平行激光覆盖光敏电阻传感器阵列5；将待测水杯6放置在基台1上，处于一字激光线阵3与光敏电阻传感器阵列5之间的光路中，激光光线遇到待测水杯6后被遮挡，映射到光敏电阻传感器阵列5中即为被遮挡位置的光敏电阻单元无法接收激光光线，转换为电学量的变化；

步骤30)根据电学量的变化，将光敏电阻阵列5中无法接收到激光光线的光敏电阻单元组成新的光敏电阻阵列；假设新的光敏电阻阵列中的第1行至第m₁行光敏电阻单元均未接收到光照，记第1～m₁行为未接收到光照的完整行，则第m₁+1行为部分接收到光照的边界行；设待测水杯6杯口高度G；在测量量程内水杯高度H，测量量程外水杯高度H′：

测量量程L为：

测量分辨率Δd为：

n为在m₁+1行从下往上数第n个被其中心点被遮挡的光敏电阻单元，则待测水杯在该测量量程内水杯高度H为

’待测水杯杯口高度G为

G＝H+H′。

如图1所示，一字激光器线阵3位于待测水杯6的左侧，光敏电阻传感器阵列5位于待测水杯6的右侧。一字激光器线阵3通电后发射出激光，该激光射向光敏电阻传感器阵列5。由于将待测水杯6摆放在激光光路中，部分激光光线因待测水杯6遮挡而无法射到接收平板上。

图2为一字激光器线阵3的工作原理示意图。如图2所示，一字激光器线阵3是由相等间隔平行排列的若干个激光器组成。线阵中，每个激光器均固定在发射平板P上，发出与水平面平行的激光光束面Q，张角为α。该光束面呈现等腰三角形形状，其上顶点为一字激光器的发射点，底边照射在垂直于水平面的接收平板R上。在本发明的技术方案中，未摆放待测水杯时，该一字激光器线阵3发射出的激光能够完全覆盖光敏电阻传感器阵列5。

图3为光敏电阻传感器阵列5工作原理示意图。如图3所示，光敏电阻传感器阵列5包括M行、N列规格相同的光敏电阻单元。每个光敏电阻单元的覆盖面积不大于d×d。当一字激光器线阵3发射的激光照射到光敏电阻传感器阵列5上时，被激光照射位置的光敏电阻单元阻值发生变化。图3中，照射到激光的光敏电阻单元为白色，未照射到激光的光敏电阻单元为黑色。

图4(a)和图4(b)为杯口高度的普通测量示意图。如图4(a)所示，一字激光器线阵的激光发射平板与光敏电阻传感器阵列的激光接收平板相互平行，待测水杯置于二者之间的光路中，发射激光方向从左到右，激光光束照射到待测水杯后被遮挡，光敏电阻阵列中对应位置的光敏电阻单元无法接收到激光；如图4(b)所示，激光发射方向由外向内照射在待测水杯及光敏电阻传感器阵列上，可以观察到在激光接收平板上的光敏电阻阵列中有m₀行光敏电阻单元因待测水杯遮挡而无法接收到激光信号。在该测量方法中，光敏电阻传感器阵列5没有旋转，保持与基台1平行。

该普通测量方法包括以下步骤：

步骤10)安装测量装置：将一字激光线阵3固定在发射平板2上，一字激光线阵3的激光发射方向与待测水杯6轴线互相垂直；将光敏电阻传感器阵列5固定在接收平板4上，且光敏电阻传感器阵列5没有旋转，光敏电阻传感器阵列5中的每一行与基台1保持平行。设光敏电阻传感器阵列5包括M行、N列光敏电阻单元；

步骤20)将测量装置通电后，一字激光线阵3发射出的平行激光覆盖光敏电阻传感器阵列5；将待测水杯6放置在基台1上，处于一字激光线阵3与光敏电阻传感器阵列5之间的光路中，激光光线遇到待测水杯6后被遮挡，映射到光敏电阻传感器阵列5中即为被遮挡位置的光敏电阻单元无法接收激光光线，转换为电学量的变化；

步骤30)根据电学量的变化，在图4中将光敏电阻阵列中无法接收到激光光线的光敏电阻单元(即由黑色圆形表示)组成新的光敏电阻阵列；

步骤40)假设待测水杯杯口在垂直方向上高度一致，即如图5所示，该新阵列为m₀行规则阵列，由于二维光敏电阻传感器阵列各光敏电阻单元之间相互相切，则待测水杯杯口应处于m₀+1行，将m₀+1行定义为“边界行”。由此可知，待测水杯杯口高度H与行数m₀、d之间的关系为：

m₀d≤H≤(m₀+1)d m₀＝1,2,3…… 式(1)

根据上式，可以将此时待测水杯杯口高度得到

由上式可知，杯口高度的普通测量方法测量分辨率为d，当待测水杯杯口高度超过二维光敏电阻传感器阵列的最高高度时，该测量方法达到最大的量程，易知该方法的量程为Md。

与杯口高度的普通测量方法相比，本实施例提供的测量方法，一字激光器线阵3以与基台1平行的直线为轴，沿顺时针旋转θ角度；将光敏电阻传感器阵列5以与基台1平行的直线为轴，沿顺时针旋转θ角度。这样，从图5(a)可观察的到：光敏电阻传感器阵列中的光敏电阻单元存在重叠；从图5(b)可观察的到：边界行的光敏电阻单元被激光信号覆盖程度不一致。下面验证本申请的测量方法提高待测水杯杯口的测量精确度。

图6显示了利用本实施例的测量方法等效运算过程示意图。如图6所示，该二维光敏电阻传感器阵列的m₁+1行为部分接收到光照的边界行，定义待测水杯杯口高度H，定义被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元最高高度为H₀，未被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元最低高度为H₁，则H与H₀、H₁之间的关系为

H₀≤H<H₁ 式(3)

未被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元最低高度为H₁、高度最低的未被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元在所在列的圆心方向上到该列第1行光敏电阻单元圆心的距离为l₅、l₅与H₁之间的夹角θ₅、底层行光敏电阻单元两端圆心之间距离l₂、l₀为基台与该接收平板相交线，l₃为接收平板内的直线且平行于l₀，θ₂为l₂与l₃之间的锐角夹角，它们与d关系为

已知在接收平板上将光敏电阻传感器阵列以与基台平行的直线为轴沿着顺时针旋转θ角度后，如图6所示，l₁平行于l₈、l₁平行于l₃、l₂平行于l₇，可得

θ＝θ₁＝θ₂ 式(5)

其中，l₁为接收平板内的直线，且平行于l₀和l₃；l₈为接收平板内的直线且平行于l₀、l₁和l₃；l₇为顶层行光敏电阻单元两端圆心之间距离，θ₁为l₁与l₂之间的锐角夹角；l₄为在基台平面的垂直方向上，高度最低的未被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元到该列第1行光敏电阻单元圆心的距离；θ₄为l₄与l₅之间的锐角夹角，θ₃为l₃与l₅之间的锐角夹角。

l₃与l₅之间的夹角θ₃与θ₂之和为90度，l₄与l₅之间的夹角θ₄与θ₃之和为90度，可得

θ₄+θ₃＝θ₂+θ₃＝90° 式(6)

θ＝θ₁＝θ₂＝θ₄ 式(7)

同样的，根据l₄平行于l₆，可得

θ＝θ₁＝θ₂＝θ₄＝θ₅ 式(8)

结合式(4)和式(8)，可得：

由于l₂和l₅都是过光敏电阻单元圆心的线段，可得：

H₀为被待测水杯其中心点被遮挡的光敏电阻单元最高高度：

结合式(1)可得：

测量分辨率Δd为：

n为在m₁+1行从下往上数第n个被其中心点被遮挡的光敏电阻单元，取待测水杯高度为H₀，则待测水杯在该测量量程内高度H为：

同理，测量量程L为：

根据理论分析，当旋转角度θ越小时，测量分辨率越大，但仍存在限制条件。

图7显示了边界行中无完全被遮挡光敏电阻单元结构示意图。如图7所示，第m₁+1行为边界行，此时旋转角度θ较小，但在这一段高度检测该边界行中没有完全被遮挡的光敏电阻单元，不利于处理电路对光敏电阻单元的快速分析，所以在缩小旋转角度θ的情况下，应保证任意“边界行”至少拥有一个完全被遮挡的光敏电阻单元，称作旋转角度θ的“临界条件”。

图8显示了旋转角度θ的临界条件示意图。如图8所示，第m₁+1行为“边界行”，若保证任意边界行至少拥有一个完全被遮挡的光敏电阻单元，则要求第m₁的第1列光敏电阻单元与第m₁+1行第N列光敏电阻单元等高。利用该阵列在垂直方向上投影距离相等的原则，结合图6的分析可知：

θ＝θ₁ 式(18)

在满足保证任意边界行至少拥有一个完全被遮挡的光敏电阻单元测量前提下，上述旋转角度θ为该测量方法的临界条件，此时测量分辨率最大，可得

测量分辨率Δd为：

n为在m₁+1行从下往上数第n个被其中心点被遮挡的光敏电阻单元，待测水杯高度为H可取值为H₀，则待测水杯在该测量量程内高度H为：

该测量量程L为：

同理可得，当旋转角度θ为-tan^-1[1/N]时，得到上述同样的结果。

由上分析，当旋转角度θ为tan^-1(1/N)或-tan^-1(1/N)时，该方法的测量分辨率的最优解，测量误差最小。本发明实施例采用的测量方法，将测量分辨率从d优化到(d/N)cos[tan^-1(1/N)]；同时测量量程也发生改变，将量程从(M-1)d提高至[(MN-1)d/N]cos[tan^-1(1/N)]。

本发明实施例的测量方法是基于非接触式测量方式，该测量方式不需要与待测水杯杯口接触，可以保证待测水杯的清洁度，远距离非破坏性地对待测水杯杯口进行测量，即待测水杯不会因该测量过程而引入污染物。

本发明实施例的测量方法是基于一字激光器线阵和光敏电阻传感器阵列的杯口高度精确测量方法，一方面，采用的器件均为市面上易于购买、价格较低的元器件，成本较低；另一方面，在不增加测量阵列电路复杂度的前提下实现高精度测量的，避免使用过多的元器件。

本发明实施例的测量方法与基于图像处理方式相比，不依赖摄像头安装位置，在一定的移动空间内，对待测水杯摆放位置不敏感，同时数据处理方法简单直接、计算快速。

Claims (4)

1.一种杯口高度的测量装置，其特征在于，包括基台(1)、发射平板(2)、一字激光器线阵(3)、接收平板(4)和光敏电阻传感器阵列(5)；

发射平板(2)和接收平板(4)分别固定连接在基台(1)上，且发射平板(2)和接收平板(4)相对且平行布设；一字激光器线阵(3)与发射平板(2)固定连接，光敏电阻传感器阵列(5)与接收平板(4)固定连接；

光敏电阻传感器阵列(5)中各行所在的直线与同时平行于发射平板(2)和基台(1)的直线成θ角；一字激光器线阵(3)发射的激光线阵与接收平板(6)的交线与同时平行于发射平板(2)和基台(1)的直线成θ角；θ的取值范围为-90°<θ<90°。

2.按照权利要求1所述的杯口高度的测量装置，其特征在于，所述一字激光器线阵(3)由以相等间隔平行且竖向排列的M个一字激光器组成，M为大于1的整数；一字激光器线阵(3)发射的激光平面垂直于发射平板(2)所在的平面。

3.按照权利要求1所述的杯口高度的测量装置，其特征在于，所述光敏电阻传感器阵列(5)为M行、N列光敏电阻单元组成；M为大于1的整数；N为大于1的整数；每个光敏电阻单元的覆盖面积不大于d×d，其中，d表示光敏电阻单元的最大直径。

4.按照权利要求3所述的杯口高度的测量装置，其特征在于，所述θ为tan^-1(1/N)或-tan^-1(1/N)。

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