CN110260946A - 一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，包括光源、光纤束和摄像头；光源包括发光元件；光纤束由有效程度各不相同的多条光纤探头组成，该有效长度是指光纤探头的等效垂直长度；每个光纤探头用于代表不同的液面位置，均由一条发送光纤和一条接收光纤组成，在光纤探头的探测端发送光纤和接收光纤平行布置且紧贴在一起；在光纤束另一端，所有发送光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤；所有接收光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，摄像头用于对此端面成像；工作状态时，进入液体中的光纤探头，接收光纤对应的另一端呈现低亮度，脱离液体的光纤探头，对应端呈现高亮度。

Description

一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器

技术领域

本发明涉及一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，应用于主要为使用液体燃料的动力机械领域，也可用于其他需要测量液位的领域。

背景技术

所有使用液体燃料的动力机械，都要使用液位传感器，用来监视测量燃油以及其他工作用油的存量。目前广泛使用的液位传感器有电阻式、电容式、超声波式，以及光电开关式等。其中电阻式要配合浮子，浮子通过机械连接到电位器，液位的变化通过浮子和有关机械机构，传递到电位器，变成电位器阻值的变化。光电开关液位传感器只能检测液位是否到达某一确定位置，不能进行连续液位变化的测量。电容式液位传感器的原理见图1。

图1中电容传感器的材料为金属，通常形状为隔离的两个同心圆桶，液体可以进入内外桶之间的空间。由于液体的介电常数大于空气，当液位高度不同时，电容的容量发生相应的变化，这个变化通常用电桥电路进行检测，电桥输出到测量电路，通过适当的处理，得出液位高度。

图2是光电开关式液位探测器示意图。在棱镜3内封装有光源2和光敏元件1。棱镜3折射率与液体4折射率相近。在液体4脱离棱镜3时，一定发散角内的光线在棱镜3内发生全反射，大部进入光敏元件1。在液体4淹没棱镜3时，全内反射条件被破坏，光线直接进入液体，光敏元件1接收到的光能量锐减。于是光电输出可以反映液位。

上述几种液位传感器各自有其技术特点。超声波液位传感器安装于储箱外部，不占用储箱内部空间，储箱内部无带电部件，安全性好，但通常精度不高，测量值受温度及气压的影响较大。电阻式液位传感器可以获得较高的测量精度，但是由于机械装置和运动零件的存在，测量的实时性不高，且存在机械失效的风险。光电开关式液位传感器只能监视液位是否超过某一固定位置，不能给出任意位置的液位测量值。电容式液位传感器可以达到较高的测量灵敏度，但是温度和压力对测量结果有较大影响。另外电容传感器要占用储箱内部容积，电容带电存在安全隐患，电容及其支撑结构有较大的附加重量。

发明内容

本发明的目的在于客服上述现有技术的不足，提供了一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，该方案结构简单，占用储箱内部少量空间，液体不与带电部件接触，测量精度高，响应速度快，

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，包括光源、光纤束和摄像头；其中，

光源包括发光元件，其为满足波长和功率要求的任意电光源器件；

光纤束由有效程度各不相同的多条光纤探头组成，该有效长度是指光纤探头的等效垂直长度；每个光纤探头用于代表不同的液面位置，均由一条发送光纤和一条接收光纤组成，在光纤探头的探测端发送光纤和接收光纤平行布置且紧贴在一起；

在光纤束另一端，所有发送光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤；所有接收光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，摄像头用于对此端面成像，然后对端面图像进行处理，获得液面高度信息；

工作状态时，进入液体中的光纤探头，接收光纤对应的另一端呈现低亮度，脱离液体的光纤探头，对应端呈现高亮度。

本发明进一步的改进在于，电光源器件选用LED。

本发明进一步的改进在于，光源还包括聚光镜，用于在发光元件功率不变的条件下提高进入光纤的光能量。

本发明进一步的改进在于，每个光纤探头的发送光纤和接收光纤的直径相同，或者不同。

本发明进一步的改进在于，光纤探头的探测端，发送光纤和接收光纤均开设有与光纤光轴夹角为45度的斜面，且两斜面的顶点紧邻在一起。

本发明进一步的改进在于，摄像头采用CMOS或CCD元件。

本发明进一步的改进在于，光源为普通电光源。

本发明进一步的改进在于，每个光纤探头的探测端发送光纤和接收光纤周向上还套装有光纤保持架。

本发明进一步的改进在于，设摄像头采集的端面图像的像素坐标为P(X,Y)，端面图像中光纤端面圆心坐标为G(u,v)，光纤半径等于或小于d个像素值，光纤端面排成m行n列；由G(0,0)G(0,1)…G(1,0)G(1,1)…，直到G(M,N)，光纤长度单调递增，相邻两光纤长度差为h；光纤G(u,v)圆心对应的像素坐标为：

X＝2du+X0

Y＝2dv+Y0

对以X,Y为中心，半径为d的局部区域内的像素亮度值积分，并与由实验确定的阈值比较，对光纤G(u,v)的亮度作二值化处理，1代表亮，即该光纤测量端在空气中；0为暗，即光纤测量端在液体中；

则，液体深度H则为：

H＝h((m-u)(n+1)+(n+1-v))。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，包括光源、光纤束和摄像头；其中，光纤束由有效程度各不相同的多条光纤探头组成，该有效长度是指光纤探头的等效垂直长度；每个光纤探头用于代表不同的液面位置，均由一条发送光纤和一条接收光纤组成，所有发送光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤；所有接收光纤汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面工作状态时，进入液体中的光纤探头，接收光纤对应的另一端呈现低亮度，脱离液体的光纤探头，对应端呈现高亮度，摄像头用于对此端面成像，然后对端面图像进行处理，获得液面高度信息。本发明使用时，占用空间小，仅通过对端面图像进行处理，即可获得液面高度信息，其计算精度相对较高，并且稳定性也高，测量时，不会产生安全隐患，此外，该液位传感器的适用性强，测量液体的温度和压力对测量结果不会够成任何影响。

附图说明

图1为电容式液位传感器原理示意图。

图2为光电式液位传感器探测原理示意图，其中图2(a)为在液体脱离棱镜时的探测原理示意图，图2(b)为在液体淹没棱镜时的探测原理示意图。

图3为本发明光纤探头结构与原理示意图，其中图3(a)为在液体脱离光纤探头时的示意图，图3(b)为在液体淹没光纤探头时的示意图。

图4为本发明光纤探头集合集中布置示意图。

图5为图4不同视角的示意图，其中图5(a)为图4的A向示意图图，5(b)为图4的B向示意图，图5(c)为图4的C向示意图。

图6为光纤探头加工过程示意图，其中图6(a)为加工前光纤与模具配合状态示意图，图6(b)为加工中将光纤斜面切割后的示意图，图6(c)为加工后并去掉模具的光纤示意图。

图7为本发明对摄像头采集的图像进行处理的方法示意图。

附图标记说明：

1-光敏元件，2-光源，3-棱镜，4-液体，5-发送光纤，6-接收光纤，7-聚光镜，8-摄像头，9-光纤束，10-光纤保持架，11-模具。

具体实施方式

对于前述的工作原理，可以有多种具体的实施方式。下面从工程实施角度，对本发明做进一步的说明。

如图3至图6所示，本发明提供的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，包括光源2、光纤束9和摄像头8。

所述光源2由发光元件和聚光镜7组成。所述发光元件可以是满足波长和功率要求的任意电光源器件，最合适的器件是LED。所述聚光镜7可以在发光元件功率不变的条件下提高进入光纤的光能量，如果能量足够，也可以省去聚光镜7。

所述光纤束9是由有效程度各不相同的多条光纤探头组成，所述有效长度是指光纤探头的等效垂直长度。所述光纤探头的结构见图3和相关说明。每个光纤探头由一条发送光纤5和一条接收光纤6组成，发送光纤5和接收光纤6的直径可以相同，也可以不同。在光纤探头的探测端发送光纤5和接收光纤6平行布置，间距为0或有微小间隙，端头加工成图3所示的斜面，斜面与光纤光轴夹角大约45度。两斜面的顶点紧邻在一起。逻辑上相邻的光纤探头有最小等效垂直高差，每个光纤探头代表不同的液面位置。不同长度的光纤探头有规律地组合成光纤束9。在光纤束9另一端，所有发送光纤5汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤。所有接收光纤6汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，摄像头8对此端面成像。进入液体4中的光纤探头，接收光纤6对应的另一端呈现低亮度，脱离液体4的光纤探头，对应端呈现高亮度。通过摄像头8对接收光纤6的出光面拍照，对图像进行处理，便可获得液面高度信息。图5是一种可能的空间布置方式。

所述摄像头8可以是满足精度和速度要求的任何摄像头，图像传感器可以是CMOS或CCD元件。此外，每个光纤探头的探测端发送光纤5和接收光纤6周向上还套装有光纤保持架10。

下面先介绍单个光纤探头的结构与原理，然后介绍光纤探头集合的集中布置方案和离散布置方案，以及信号采集与处理方法。

(1)光纤探头结构与原理

图4中，两根光纤的铅直段并列紧密平行布置，端头加工成图示的斜面，斜面与液面夹角大约45度。在液体4脱离光纤端点时，一定发散角内的光线在发送光纤5内斜面处发生全内反射，由侧壁射出，由于光纤平行，由发送光纤5透射出的光线进入接收光纤6，被接收光纤6端点的斜面反射，向光敏元件1方向传播。在液体4淹没光纤端点时时，由于液体4与光纤材料的折射率相近，全内反射条件被破坏，发送光纤5绝大部分光线直接进入液体4，光敏元件1接收到的光能量锐减。于是光电输出可以反映液位。

(2)光纤探头集合集中布置方案

将不同长度的光纤探头有规律地组合成光纤束9，逻辑上相邻的探头有最小等效垂直高差，每个探头代表不同的液面位置。

图4中，所述光源2可以是任何电光源，可以是单个或多个发光元件。所述聚光镜7是将光源2所发出的发散角较大的光线汇聚到有效照明区域内的透镜系统，可以是单个或多个光学透镜，在照度足够的情况下可以省略透镜系统。所述光纤束9是许多条在图4中描述的不同垂直长度光纤探头汇集在一起组成。光纤探头由发送光纤5和接收光纤6组成，发送光纤5和接收光纤6的直径可以相同，也可以不同。在光纤探头的探测端发送光纤5和接收光纤6平行布置，间距为0或有微小间隙，端头加工成图4所示的斜面，斜面与光纤光轴夹角大约45度。两斜面的顶点紧邻在一起。在光纤束9另一端，所有发送光纤5汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤。所有接收光纤6汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，摄像头对此端面成像，进入液体4中的光纤探头，对应的另一端呈现低亮度，脱离液体4的光纤探头，对应端呈现高亮度。对图像进行处理，便可获得液面高度信息。图5是一种可能的空间布置方式。

如图7所示，本发明对摄像头采集的图像进行处理的方法如下：

设图像的像素坐标为P(X,Y)，图像中光纤端面圆心坐标为G(u,v)，光纤半径等于或小于d个像素值，光纤端面排成m行n列。由G(0,0)G(0,1)…G(1,0)G(1,1)…，直到G(M,N)，光纤长度单调递增，相邻两光纤长度差为h。光纤G(u,v)圆心对应的像素坐标为：

X＝2du+X0

Y＝2dv+Y0

对以X,Y为中心，半径为d的局部区域内的像素亮度值积分，并与由实验确定的阈值比较，对光纤G(u,v)的亮度作二值化处理，1代表亮，即该光纤测量端在空气中；0为暗，即光纤测量端在液体中。

则，液体深度H则为：

H＝h((m-u)(n+1)+(n+1-v))

实际上光纤端面也可以不按行列整齐排列。只要保证每隔高度h有一根光纤探头进入液体即可。通过标定实验，可以获得每根光纤的深度值。

(3)光纤探头集合分散布置方案

在此方案中，照明端和图像接收端按照(2)中的描述不变，但是各光纤探头的探测端按需要可分散布置在液体储箱的整个三维空间内，此种布置可以探测液体4在储箱内的三维分布，可以在液体4动荡的情况下，以一定的精度计量液体体积(例如军用飞机在机动飞行时)。

实施例

假设应用条件是，液体最大深度1米，测量分辨率1mm，常温常压，光源波长650nm，液体对光源折射率1.5。

所需探头数量1000个。发送光纤和接收光纤各1000条。在发送端和接收端按32X32排列为方阵。选外径0.5mm的塑料光纤，照明端和图像采集端光纤束截面大小为16X16mm，探测段截面按64X32排列，截面尺寸32X16mm。

目前塑料光纤的材质有PS、PMMA、PC、氟塑料等，可根据液体性质选择光纤。

照明光源可选用1W单颗红光LED，15度角聚光镜。

采用CMOS摄像头,理论上像元数大于1024个就满足要求。镜头焦距大约8mm。

制作的顺序是先加工单个光纤探头，再制作光纤束。

可以用模具11加工斜面，如图6所示。模具可用金属制作。保持器用金属片制作，压力夹紧固定，或胶合。

Claims (9)

1.一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，包括光源(2)、光纤束(9)和摄像头(8)；其中，

光源(2)包括发光元件，其为满足波长和功率要求的任意电光源器件；

光纤束(9)由有效程度各不相同的多条光纤探头组成，该有效长度是指光纤探头的等效垂直长度；每个光纤探头用于代表不同的液面位置，均由一条发送光纤(5)和一条接收光纤(6)组成，在光纤探头的探测端发送光纤(5)和接收光纤(6)平行布置且紧贴在一起；

在光纤束(9)另一端，所有发送光纤(5)汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，照明光线由此端面进入所有光纤；所有接收光纤(6)汇集成束，端面加工成与光纤光轴垂直的平面，摄像头(8)用于对此端面成像，然后对端面图像进行处理，获得液面高度信息；

工作状态时，进入液体(4)中的光纤探头，接收光纤(6)对应的另一端呈现低亮度，脱离液体(4)的光纤探头，对应端呈现高亮度。

2.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，电光源器件选用LED。

3.根据权利要求2所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，光源(2)还包括聚光镜，用于在发光元件功率不变的条件下提高进入光纤的光能量。

4.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，每个光纤探头的发送光纤(5)和接收光纤(6)的直径相同，或者不同。

5.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，光纤探头的探测端，发送光纤(5)和接收光纤(6)均开设有与光纤光轴夹角为45度的斜面，且两斜面的顶点紧邻在一起。

6.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，摄像头(8)采用CMOS或CCD元件。

7.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，光源为普通电光源。

8.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，每个光纤探头的探测端发送光纤(5)和接收光纤(6)周向上还套装有光纤保持架(10)。

9.根据权利要求1所述的一种采用光纤束和图像处理技术的液位传感器，其特征在于，设摄像头(8)采集的端面图像的像素坐标为P(X,Y)，端面图像中光纤端面圆心坐标为G(u,v)，光纤半径等于或小于d个像素值，光纤端面排成m行n列；由G(0,0)G(0,1)…G(1,0)G(1,1)…，直到G(M,N)，光纤长度单调递增，相邻两光纤长度差为h；光纤G(u,v)圆心对应的像素坐标为：

X＝2du+X0

Y＝2dv+Y0

对以X,Y为中心，半径为d的局部区域内的像素亮度值积分，并与由实验确定的阈值比较，对光纤G(u,v)的亮度作二值化处理，1代表亮，即该光纤测量端在空气中；0为暗，即光纤测量端在液体中；

则，液体深度H则为：

H＝h((m-u)(n+1)+(n+1-v))。