CN110132374B - 一种自补偿式激光液位测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种自补偿式激光液位测量系统，涉及金属液位测量领域。解决液位测量时激光液位测量装置安装或者偏转带来的测量误差问题。本发明包括：倾角传感器、激光器、聚焦透镜、滤光片、成像透镜、工业相机、处理单元。倾角传感器检测光束方向与被测液面垂直方向间的夹角；激光器发射激光到被测液面并形成光斑；聚焦透镜把光束聚焦形成一个点光源；滤光片过滤干扰光源；光线经成像透镜于工业相机上成像；工业相机探测光斑；激光器与被测液面的距离变化时，光斑成像于工业相机上不同位置，处理单元经成像关系得到被测液面变化位移。本发明可弥补激光器光束方向与被测液面垂直方向间角度变化带来的测量误差，可得出被测液面实际变化位移，该方法准确高效。

Description

一种自补偿式激光液位测量系统
技术领域
本发明涉及解决激光液位测量装置安装或者偏转造成的金属液位测量误差问题，属于冶金行业过程控制领域。
背景技术
激光三角法作为一种经典的非接触式测量方法，它具有结构简单、测量速度快、高分辨力、抗干扰能力强和实时处理等多种优点。然而在冶金时，由于金属液体温度过高，使用接触式测量方法极易造成测量装备的损坏，因此采用非接触式测量方法。但是由于安装工艺、机械振动等原因导致激光液位测量装置产生偏转，使得激光光束方向与被测液面垂直方向之间产生夹角，从而使得液面高度测量产生误差。
本发明通过在激光液位测量装置侧面安装倾角传感器，用来检测出激光液位测量装置偏转的角度，从而进行角度补偿，减小甚至消除误差。
发明内容
本发明目的是为了解决激光液位测量装置偏转带来的激光光束方向与被测液面垂直方向之间角度误差的问题，提供了一种自补偿式激光液位测量系统。
本发明所述的自补偿式激光液位测量系统，它包括倾角传感器、激光器、聚焦透镜、滤光片、成像透镜、工业相机(CCD)、处理单元。倾角传感器安装在激光液位测量装置中，检测出激光方向与被测液面垂直方向之间的夹角；激光器发射激光到被测液面上，在被测液面的表面形成光斑；聚焦透镜可以把激光束聚焦形成一个点光源；滤光片用于过滤干扰光源；光线经过成像透镜可以在工业相机(CCD)上成像；工业相机(CCD)用于探测被测液面上的光斑；当激光器与被测液面之间的距离发生变化时，激光光斑成像于工业相机(CCD)上相应的不同位置，处理单元通过成像关系可以得到被测液面变化的位移。
本发明所述的检测方法，它包括以下步骤：
(1)倾角传感器安装在激光液位测量装置中，用于测量激光液位测量装置偏转的角度；
(2)激光器发射激光照射到被测液面上，在被测液面的表面形成光斑，光斑成像于工业相机(CCD)上，在处理单元中进行图像处理，识别光斑质心，计算出光斑在CCD上的位移；
(3)根据相似三角形原理计算出沿着激光光束方向上液位变化位移，再将激光液位测量装置偏转角度的余弦值补偿到被测液面高度计算中，得到被测液面变化的实际位移。
其中步骤(3)过程为：经过系统标定之后，确定像素与液位的相对位移关系，计算光斑在CCD上的位移，处理单元通过相似三角形原理得到沿着激光光束方向被测液面变化的位移，再将激光液位测量装置偏转角度的余弦值补偿到液面高度计算中，计算出被测液面实际变化的位移。
本发明自补偿式激光液位测量系统，属于非接触式测量，通过在激光液位测量装置中安装一个倾角传感器，可以有效地弥补激光器光束方向与被测液面垂直方向之间的角度带来的测量误差，从而可以计算出被测液面实际变化的位移。本系统所需外部元件少，测量方法准确高效。
附图说明
图1是自补偿式激光液位测量系统工作框图；
图2是直射式激光三角法原理图；
图3是激光液位测量装置偏转示意图。
具体实施方式
下面结合附图对自补偿式激光液位测量系统进行详细说明。
结合图1、图3，本发明自补偿式激光液位测量系统实现方法为：
具体实施方式一、自补偿式激光液位测量系统，它包括激光器(1)、聚焦透镜(2)、滤光片(3)、成像透镜(4)、工业相机(CCD)(5)、处理单元(6)，倾角传感器(7)，如图1所示。倾角传感器(7)安装在激光液位测量装置中，用于测量激光液位测量装置偏转的角度。激光器(1)发射激光，激光光束经过聚焦透镜(2)形成一个点光源，然后照射在被测液面(8)的表面形成光斑，光斑成像于工业相机(CCD)(5)上，在处理单元(6)中进行图像处理，识别光斑质心，计算出光斑在CCD(5)上的位移，再根据相似三角形原理计算出被测液面(8)变化的位移，再把倾角传感器(7)测得角度的余弦值补偿到被测液面(8)位移计算中，得出被测液面(8)变化的实际位移。
具体实施方式二、如图3所示，激光液位测量装置发生偏转(沿着垂直纸面向外方向)时，工作原理为：
1、倾角传感器(2)安装在激光液位测量装置(1)中，用于测量激光液位测量装置(1)偏转的角度。激光器(4)发射的光束(6)垂直于凹槽表面(9)，此时CCD(3)探测到光斑处于CCD上位置1；
2、当激光液位测量装置(1)发生如图2所示方向(沿着垂直纸面向外方向)的偏转时，倾角传感器(2)检测出偏转后的激光光束(7)方向与被测液面(8)垂直方向之间的夹角为θ(5)，即激光液位测量装置(1)偏转角度为θ(5)，CCD(3)探测到光斑处于CCD(3)上位置2；
3、经过系统标定之后，确定像素与液位的相对位移关系，然后得到CCD(3)上光斑移动的位移x，处理单元通过相似三角形原理计算出沿着激光光束(7)方向上的被测液面(8)变化的位移H(10)。
4、计算出激光液位测量装置(1)偏转角度的余弦值
Figure BDA0002064871080000031
把
Figure BDA0002064871080000032
补偿到液面高度计算中，得到被测液面(8)变化的实际位移
Figure BDA0002064871080000033
(11)。
同理，激光液位测量装置(1)沿着垂直纸面向内方向上发生偏转时，工作原理与上述一致。
结合图2，自补偿式激光液位测量系统所用直射式激光三角测量法原理为：
1、图2中包括激光器(1)，聚焦透镜(2)，激光光束(3)，透镜光轴(6)与激光光束(3)之间的夹角
Figure BDA0002064871080000034
(4)，被测物体变化的位移H(5)，透镜光轴(6)，光斑在工业相机(CCD)(8)上的位移x(7)，工业相机(CCD)(8)，透镜光轴(6)与工业相机(CCD)(8)的夹角β(9)，基准位置(14)处的相距L1(10)，成像透镜(11)，滤光片(12)，基准位置(14)处的物距L0(13)，基准位置(14)，被测表面(15)。
2、激光器(1)发射激光，激光光束(3)经过聚焦透镜(2)聚焦后垂直入射到基准位置(14)处的平面和被测表面(15)，滤光片(12)滤除干扰光源，然后光束经过成像透镜(11)，在CCD(8)上接收采集光斑；经过系统标定之后，确定像素与物体位移的相对位移关系，计算出CCD(8)上的光斑位移x(7)，处理单元通过相似三角形原理计算出沿着激光光束(3)方向上的物体位移H(5)。
3、对于上述相似三角形原理，其过程如下：激光光束(3)照射到基准面的位置为A，照射到被测表面(15)的位置为B，基准面反射光照射到CCD(8)上的位置为F，CCD(8)与反射光束AF的夹角为β；入射光到成像透镜中心D点的距离AD即物距L0(13)，DF即相距L1(10)，光斑在CCD(8)上移动的位移为x(7)，透镜焦距为f，还需满足Scheimpflug定律：
Figure BDA0002064871080000041
激光光束(3)照射到被测表面(15)上的位置为B点，被测表面(15)反射光照射到CCD(8)上的位置为E点，分别过E点和B点作反射光束AF和AF延长线的垂线，垂足分别为G和C。
在直角三角形BDC和直角三角形EDG中，由相似三角形原理可得：
Figure BDA0002064871080000042
式中，EG＝xsinβ；
Figure BDA0002064871080000043
GF＝xcosβ；
Figure BDA0002064871080000044
AB＝H。
由高斯成像公式可得：
Figure BDA0002064871080000045
式中，AD为物距，且AD＝L0；DF为相距，且DF＝L1；f为聚焦透镜焦距。
当入射光在基准位置(14)处的平面上时，带入式(2)得：
Figure BDA0002064871080000046
将L1带入式(1)中得液面位移H，即当被测表面(15)在基准面(14)下时，得：
Figure BDA0002064871080000047
当被测表面(15)在基准面(14)上时，得：
Figure BDA0002064871080000051
式中，
Figure BDA0002064871080000052
和β分别是透镜光轴(6)与激光束(3)以及CCD(8)的夹角；L0、L1分别是基准位置(14)处的物距(13)和像距(10)；x、H分别是CCD(8)上像点的位移(7)和液面位移(5)；f是透镜焦距。
本发明具有以下优点：1.本发明通过安装一个倾角传感器可以有效弥补激光液位测量装置偏转之后角度变化带来的测量误差，有效地提高了测量精度。2.本发明中，在激光液位测量装置中安装一个倾角传感器，所需外部元件少，方法简单。

Claims (2)

1.一种基于自补偿式激光液位测量系统的测量方法，其特征在于：所述自补偿式激光液位测量系统包括倾角传感器、激光器、聚焦透镜、滤光片、成像透镜、工业相机CCD和处理单元；所述倾角传感器安装在激光液位测量系统中；所述激光器发射激光光束，通过聚焦透镜之后照射到被测液面表面并形成光斑；光线经过成像透镜在工业相机CCD上成像；所述滤光片用于滤除干扰光源；所述工业相机CCD与处理单元连接，用于探测被测液面表面上的光斑；
所述测量方法包括以下步骤：
(1)在激光液位测量系统中安装倾角传感器，倾角传感器用于测量激光液位测量系统偏转的角度；
(2)激光器发射激光到被测液面上，在被测液面的表面形成光斑，光斑成像于工业相机CCD上，在处理单元中进行图像处理，识别光斑质心，计算光斑在工业相机CCD上的位移；
(3)通过光斑在工业相机CCD上的位移计算出被测液面变化的位移，再将激光液位测量系统偏转角度的余弦值补偿到被测液面高度计算中，得到被测液面实际变化的位移。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)过程为：经过系统标定之后，确定像素与液位的相对位移关系，计算光斑在工业相机CCD上的位移，通过相似三角形原理可以得到沿着激光光束方向上被测液面变化的位移，再将激光液位测量装置偏转角度的余弦值补偿到被测液面高度计算中，计算被测液面实际变化的位移。
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