CN110031062A - 用于监控液位并且差值测量光学折射率的测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控液体箱中的液位的测量设备，该测量设备具有激光单元、能转动的偏转单元、固定的偏转单元和反射器元件，其中，所述反射器元件完全布置在液体中并且具有第一反射器面和第二反射器面，其中，所述激光单元配置为用于测量发射出的并且至少部分地反射回的激光束的光学路程长度，其中，所述能转动的偏转单元的多个调整相应于发射出并且至少部分反射回的激光束的多个光学路径，其中，所述多个光学路径中的至少一个第一路径经由所述固定的偏转单元和所述第一反射器面，而所述多个光学路径中的至少一个第二路径经由所述固定的偏转单元和所述第二反射器面。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控液体箱中的液位的测量设备。
背景技术
由现有技术在多个实施方式中已知用于测量例如在机动车中的液体箱中的液体液位的测量设备。通用的测量原理在此例如基于超声波传感器，所述超声波传感器发出声学脉冲，这些声学脉冲在液体表面上被反射。相反地，其它测量设备利用光波，这些光波以类似的方式在液体和空气之间的边界面上和在箱壁上被反射，并且由此能够推断出液位。
为了探测出箱的错误充注，还已知一些测量设备和方法，通过这些测量设备和方法可以测量确定的特性，例如液体中的声速、导热性、粘度、密度或电渗透性。如果这样的液体特性同样可以通过波传播求取，则该测量也许能够与液位测量一起通过唯一的设备来实现。因此，光信号的与液体光学折射率相关的速度例如可以通过行进时间测量来求取，在此，只要该信号经过已知长度的路程。一方面，由此得出以下必要性：这样限定的路程必须存在于液体箱中，另一方面，在此附加地产生以下技术困难：这种参考长度由于温度波动而改变并且由此使测量失真。
发明内容
在该背景下，本发明的任务在于，将液位监控与折射率的精确测量结合。
光学路程长度在下面被理解为几何路程长度乘以相应介质的折射率。所述光学路程长度与光经过相应路程所需的时间成比例。
本发明涉及一种用于监控液体箱中的液位的测量设备，所述测量设备具有激光单元、可转动的偏转单元、固定的偏转单元和反射器元件，其中，所述反射器元件完全布置在液体中并且具有第一反射器面和第二反射器面，其中，所述激光单元配置为用于测量发射出的并且至少部分地反射回的激光束的光学路程长度，其中，所述可转动的偏转单元的多次调整相应于发射出并且至少部分反射回的激光束的多个光学路径，其中，所述多个光学路径中的至少一个第一路径经由所述固定的偏转单元和所述第一反射器面，而所述多个光学路径中的至少一个第二路径经由所述固定的偏转单元和所述第二反射器面。其中，所述第一路径和所述第二路径具有不同的光学路程长度。
根据本发明的测量设备相对于现有技术具有以下优点：为了测量折射率所需的参考路段由反射器单元提供，并且从而是测量设备的完整组成部分。该测量设备因此可以使用在任意的测量环境中，而不受在液体箱中存在的几何条件限制。此外，可以在已知反射器单元的温度特性的情况下在分析评估光学路程长度时至少部分地补偿参考路段的由温度引起的改变。
为了将液位监控与折射率测量组合，激光束根据本发明通过可转动的偏转单元经过不同转动角度偏转到不同的光学路径上。这些路径的一部分经过箱的内部空间并且在此也许被多次折射和反射。光学路程长度通过相应光路径的几何走势并且通过相应地所经过介质的折射率来确定。在一个简单的实施方式中，激光束仅在液体表面上被反射，使得在知晓液体折射率的情况下可以确定测量设备到液体表面的间距。根据另一实施方式，例如可以将测量出的光学路程长度与计算模型进行比较，该计算模型将可转动的偏转单元的角度与光学路程长度相关联。这样的模型例如可以包含液面作为自由参数，并且由可转动的偏转单元的角度计算在液体表面上折射并且在箱壁上反射的射束的走势，并且在知晓液体折射率的情况下由此确定对应的光学路程长度。因此，通过所述模型对测量出的角度和路程长度之间相关性的曲线匹配，可以求取液位。也可考虑其它计算模型，这些计算模型考虑更复杂的光学路径。
因此，对于这样的方法的可执行性的前提是知晓折射率。所述折射率根据本发明可以通过以下方式确定：光学路径的另一部分通过可转动的偏转单元并且随后通过固定的偏转单元被偏转到反射器元件的两个反射器面上。反射器元件处于液体中，并且，通过偏转到反射器元件上的路径中的至少一个路径在第一反射器面上被反射并且至少一个另外的路径在第二反射器面上被反射的方式，例如可以使两个反射器面的(已知)间距与两个路径的路程长度的差值产生联系，并且因此确定液体的折射率。有利地，以这种方式将限定的参考路段实现为测量设备的一部分。此外，如果已知参考路段的温度相关性，则可以在分析评估路程长度数据时考虑温度效应并且因此至少部分地补偿温度效应。
为了确保所求出的射束至少部分地反射回到激光单元，优选这样地实现光学路径，使得在激光反射时发生射束的扩散性扩张，即射束向不同方向发散。以这种方式，反射光的至少一部分沿入射方向被反射，使得光路径在反射之后沿相反方向行进并且返回至激光单元。
激光单元优选这样地构型，使得光学路程长度能够通过由激光单元发射的激光束与在箱或发射器元件的反射面上反射的激光的自混合来测量(自混合干涉测量法：SMI)。反射的激光在此入射到激光器的共振器中并且与在那里形成的激光模式干涉，由此，激光的光特性和电特性改变并且反射激光的影响以这种方式被测量。为了测量绝对的对象距离有利的是，在测量激光的初始功率的同时连续地改变发射波长。激光单元优选构造为半导体激光器，尤其构造为垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surfaceemitting laser：VCSEL)。半导体激光器优选具有集成的发光二极管，通过该发光二极管可以测量光学参量或电学参量。此外，可转动的偏转单元能够通过可转动的镜被给定，该可转动的镜优选构造为MEMS(微机械系统)。通过可转动的偏转单元，激光束优选能够这样地偏转，使得激光束在箱、液体表面或反射器元件的反射面上画出一条线。可选地，激光束可以通过偏转单元例如这样地偏转到两个维度中，使得激光束在反射面上画出一个面或两个交叉线或者一个李萨如图形。
激光单元的一个替代的优选构型设置，激光单元配置为用于测量由激光单元发射并且反射回到该激光单元的激光脉冲的行进时间(飞行时间方法：Time Of Flight)。激光单元也可以具有用于发射激光束的激光器、用于探测反射激光的探测器和用于确定激光的行进时间的分析评估电路。
激光单元的另一替代的优选构型设置，发射的和反射回的光的光学路程长度通过激光共振器中的相长干涉和相消干涉之间的变换产生的连续改变导致SMI部件的振荡初始信号，并且因此可以通过振荡的数量来测量出光学路程长度的改变。由此，可以通过反射面的均匀采样精确地测量出伴随的光学路程长度改变，并且因此可以感测到反射面的几何形状。
在下面示出本发明的有利实施方式。
根据本发明的一个优选的实施方式，反射器元件一体地构造，即两个反射器面是唯一构件、例如相应成型的金属件的部分。由此，两个反射器面的间距通过反射器元件的连接所述反射器面的零件的长度来确定。由此有利地，能够非常简单地由制造反射器元件的材料的热膨胀系数确定间距的温度相关性。替代地，可以选择具有小膨胀系数的材料，使得间距在温度改变时无明显变化。此外，在一体式的结构形式时，反射器元件的制造花费减少。
根据本发明的一个优选的实施方式，测量设备在液体中例如安装在液体箱的壁上。与由现有技术已知的其它实施方式(在这些实施方式中，光穿过窗入射到液体箱中)相反地，以这种方式不但可以避免窗，而且可以避免与此结合的、必须由激光单元发射出的光经过的附加路段。因此，尤其避免在窗上的附加折射和反射。
根据本发明的一个实施方式，激光单元、可转动的偏转单元和固定的偏转单元被壳体包围。由此，这些部件有利地与液体分隔开，并且因此被保护免受所述液体的影响和免受污染。为此必要的是，壳体是透明的或对于射出的激光束具有透明区域。
根据本发明的另一实施方式，激光单元、可转动的偏转单元和固定的偏转单元嵌入到固定的光导材料中。由此，可以实现与在上面所说明的具有壳体的实施方式中相似的优点。附加地，通过所述嵌入保证，不同部件的间距和几何布置通过嵌入被固定。附加地，在激光束射出到液体中时仅发生与边界面的相互作用，而在横穿透明层时在该层的两侧上发生折射和反射。对于该实施方式必要的是，对于可转动的偏转单元而言，在光导材料中构造空腔，以便能够实现可转动的偏转单元的可运动性。
根据本发明的一个实施方式，反射器元件在第一和第二反射器面之间具有反射的连续过渡部。由此可以这样地构型经由固定偏转单元引导的光路径，使得在反射器元件上的反射点在一条连续的线或曲线上从第一反射器面运动到第二反射器面。由此，光学路程长度也有利地以连续方式改变，使得可以借助更上面所说明的在SMI部件中的相消干涉和相长干涉之间的变换而精确地确定光学路程长度的变化。
根据本发明的另一优选的实施方式，反射器元件在第一和第二反射器面之间具有阶梯形的过渡部。以这种方式，在扫描阶梯棱边时有利地产生光学路程长度的突变，由此，阶梯棱边的位置在测量信号中留下可清楚识别的符号。
附图说明
下面应根据在附图中示出的实施方式更详细地阐述本发明的另外的细节和优点。
图1在示意性示图中示出根据本发明的测量设备的实施例。
具体实施方式
图1示出具有激光束的多个可能光路径的测量设备1，该测量设备用于组合地确定液体箱的液位和液体的折射率。激光单元2在此同时承担以下功能：发射激光束，再次接收至少部分反射的激光束，和通过自混合干涉测量系统测量所经过的光路径的光学路程长度。光学路程的走势从激光单元2引导至可转动的偏转单元3，在那里射束根据可转动的偏转单元3的调整被偏转到不同的光学路径上。这些路径的一部分用于确定箱中的液位。这在附图中仅简略地通过在上边界处的反射表示，所述反射代表光学路程的走势，该光学路程既可以包括在液体表面上的折射或反射，又可以包括在箱壁上的反射。为了能够从这些路径的光学路程长度推断出箱中的几何关系，知晓液体的折射率是必要的。为此，对于可转动的偏转单元3的确定的调整而言，激光指向固定的偏转单元4上，并且从那里被引导到反射器元件5上。在此，光的第一路径8被引导到反射器元件5的第一反射器面6上并且在那里漫射地反射，使得光的至少一部分被反射到入射的射束上并且此后光沿相反方向经过该路径。通过进一步调整可转动的偏转单元3而产生的第二路径9引到第二反射器面7上，并且从该反射器面被反射。第一路径8和第二路径9的光学路程长度相差一差值，该差值通过第一和第二反射器表面6,7的两倍间距来给定。在知晓该间距的情况下，即可以由光学路程长度差值确定折射率。
Claims (8)
1.一种用于监控液体箱中的液位的测量设备(1)，所述测量设备具有激光单元(2)、能转动的偏转单元(3)、固定的偏转单元(4)和反射器元件(5)，其中，所述反射器元件(5)完全布置在液体中并且具有第一反射器面(6)和第二反射器面(7)，其中，所述激光单元(2)配置为用于测量发射出的并且至少部分地反射回的激光束的光学路程长度，其中，所述能转动的偏转单元(3)的多次调整相应于发射出并且至少部分反射回的激光束的多个光学路径，其特征在于，所述多个光学路径中的至少一个第一路径(8)经由所述固定的偏转单元(4)和所述第一反射器面(6)，而所述多个光学路径中的至少一个第二路径(9)经由所述固定的偏转单元(4)和所述第二反射器面(7)。
2.根据权利要求1所述的测量设备(1)，其中，所述第一路径(8)和所述第二路径(9)具有不同的光学路程长度。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备(1)，其中，所述反射器元件(5)一体地构造。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)，其中，所述测量设备(1)能够布置在液体箱的液体中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)，其中，所述测量设备(1)包括这样的壳体，使得所述激光单元(2)、所述能转动的偏转单元(3)和所述固定的偏转单元(4)被所述壳体包围。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)，其中，所述测量设备(1)包括这样的光导材料，使得所述激光单元(2)、所述能转动的偏转单元(3)和所述固定的偏转单元(4)嵌入到所述光导材料中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)，其中，所述反射器元件(5)在所述第一反射器面(6)和所述第二反射器面(7)之间具有连续的过渡部。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)，其中，所述反射器元件(5)在所述第一反射器面(6)和所述第二反射器面(7)之间具有阶梯形的过渡部。
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