CN110361074B - 一种光电式液位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式液位检测装置，属于液位检测技术领域，用于测量透明液体的液位高度，包括透明液体容器、光源、聚光柱透镜、滤光片、阵列光电检测器件以及信号采集处理单元，透明液体容器连通容置待测液体的本体容器，光源为发散光源，其位于透明液体容器的底部，光源发射出的发散光束用于从透明液体容器底部入射进入待测液体中，并从透明液体容器的侧壁出射，聚光柱透镜紧邻透明液体容器的外壁，滤光片设置在聚光柱透镜出射光方向上，阵列光电检测器件设置在滤光片出射光方向上，信号采集处理单元连接阵列光电检测器件，用于处理电信号，从而获得液位高度。本发明装置是一种高精度，结构简单，低成本的光电式液位检测装置。

Description

一种光电式液位检测装置

技术领域

本发明涉及液位检测技术领域，具体涉及一种基于液体波导的光电式液位检测装置。

背景技术

液位检测在很多智能控制和工业生产等设备中有很广泛的应用，现有的应用较广的液位检测方法主要有电容式，超声波式，光纤式等。

电容式液位检测是将电容浸入液体中，液位发生变化时，电容两极之间的介质材料和数量发生变化导致电容值发生变化，检测电容变化可以间接检测液位变化，但是由于检测电容的精度不高且电路中噪声较大，难以实现高精度液位测量，并且电容式液位检测是带电气属性的接触式测量，不能测量易燃易爆的液体。

超声波式液位检测属于非接触测量，检测液位时装置发射脉冲超声波打到液体表面反射回波，检测回波反射的时间就可以间接测量液位，但由于声速太快且反射回波比较杂乱，超声波式液位检测难以实现高精度液位检测且存在检测盲区，一般的超声波液位检测装置都大于±1mm的误差。

光纤式液位检测原理是通过将特定的光纤浸入液体时有效折射率发生变化来检测液位，例如将长周期光纤光栅浸入液体时光纤光栅的有效折射率变化会引起谐振波长会发生变化，将宽光谱光源入射光纤光栅，对应谐振波长的光波会被滤除，光纤光栅的谐振波长会随着浸入液体的光纤光栅长度变化而变化，然后通过检测分析谐振波长来检测液位(参考文献Khaliq S,James S W,Tatam R P.Fiber-optic liquid-level sensor using along-period grating[J].Optics letters,2001,26(16):1224-1226.)这种类型的光纤液位检测虽然精度很高，但是需要特定的光纤和光谱仪来分析光谱，结构复杂且成本很高。

因此，需要开发一种新型的、结构简单、成本低廉的液位检测装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液体波导的光电式液位检测装置，其将常见的光学结构进行巧妙的连接，形成一种高精度，结构简单，低成本的光电式液位检测装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种光电式液位检测装置，其用于测量透明液体的液位高度，其包括透明液体容器、光源、聚光柱透镜、滤光片、阵列光电检测器件以及信号采集处理单元，其中，

透明液体容器连通容置待测液体的本体容器，并且该透明液体容器的高度足够高以能通过透明液体容器观测到实际液位，即直观上，肉眼能观察到液位，待测液体在透明液体容器中容器壁处形成倾斜的液体表面，

光源为发散光源，其位于透明液体容器的底部，光源发射出的发散光束用于从透明液体容器底部入射进入待测液体中，并从透明液体容器的侧壁出射，出射光携带有待测液体液位高度信息，

聚光柱透镜紧邻透明液体容器的外壁，并且聚光柱透镜长度足够长以能同时接收从透明液体容器实际液位上、下处出射的光线，

滤光片设置在聚光柱透镜出射光方向上，用于滤除聚光柱透镜出射光中的杂散光，

阵列光电检测器件设置在滤光片出射光方向上，用于接受经过滤除杂散光的携带有待测液体液位高度信息的光信号，并将该光信号转换成电信号，

信号采集处理单元连接阵列光电检测器件，用于处理电信号，从而获得液位高度。

进一步的，聚光柱透镜、滤光片以及阵列光电检测器件形成一套光学检测单元，

该光学检测单元具有多套，多套光学检测单元沿着透明液体容器的高度方向紧密相邻设置，以能检测各种高低不同的液位。

进一步的，聚光柱透镜与透明液体容器的外壁面平行。

进一步的，其还包括液体导通管，所述液体导通管设置在透明液体容器底部，连通容置待测液体的本体容器的底部，用于将待测液位高度的液体引入至透明液体容器中。

进一步的，透明液体容器的横截面为圆形、矩形或者椭圆形。

进一步的，透明液体容器的横截面中心位于光源出射光束的中轴线上。

进一步的，聚光柱透镜、滤光片以及阵列光电检测器件三者相互平行。

本发明的工作原理为：光源发出的光束从容器底部入射，光束将在容器内透明液体中传输。当容器中存在能够浸润容器壁的液体时，由于液体表面张力的存在，液体表面靠近容器壁处液位会比中间高，由此形成了靠近容器壁处倾斜的液体表面，其光学效果近似于一个三棱镜。光线达到液面时，部分光束将在液面处透射。另外一方面，由于液面处近似三棱镜的存在，部分光束会在此处发生全反射。这两部分光束从容器侧壁透射出，接着通过聚光透镜收集光线，滤光片滤除杂散光，由阵列光电检测器件接收这些光束并转换为电信号，最后由信号采集处理单元进行处理。在这两部分光线中间就会有一个光强较小区域，由此形成了在竖直方向光强曲线上两个光强极大值之间存在光强的极小值，该光强的极小值位置即为液位位置。

基于以上原理，本发明利用较为常见的光学器件，例如光源，容器，聚光柱透镜，滤光片和阵列光电检测器件等，组合设计了本发明中的光电式液位检测装置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

液位检测的精度只受限于阵列光电检测器件的精度，由于目前的阵列光电检测器件如CCD,CMOS等已经达到了极高的精度，像素大小能够达到微米级，选择此类阵列光电检测器件就能够实现高精度液位检测；并且本发明中的液位检测装置核心部分只有光源，容器，聚光柱透镜，滤光片和阵列光电检测器件，属于比较简单易用且价格较低的器件，所以本发明中的装置结构简单，容易维护而且成本较低。

附图说明

图1是本发明装置的光路原理示意图；

图2是本发明装置的结构示意图；

图3是本发明装置进行量程扩展后的结构示意图；

图4是基于本发明装置的液位检测方法的流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-透明液体容器 2-光源

3-聚光柱透镜 4-滤光片

5-阵列光电检测器件 6-信号采集处理单元

7-待测液体 8-液体导通管

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明装置的光路原理示意图，图2是本发明装置的结构示意图，由图可知，本发明提供了一种光电式液位检测装置，其用于测量透明液体的液位高度，其包括透明液体容器1、光源2、聚光柱透镜3、滤光片4、阵列光电检测器件5以及信号采集处理单元6，其中，透明液体容器1连通容置待测液体的本体容器，并且该透明液体容器的高度足够高以能通过透明液体容器1观测到实际液位，即直观上，肉眼能观察到液位，待测液体在透明液体容器1中容器壁处形成倾斜的液体表面，光源2为发散光源，其位于透明液体容器1的底部，光源2发射出的发散光束用于从透明液体容器1底部入射进入待测液体中，并从透明液体容器1的侧壁出射，出射光携带有待测液体液位高度信息，聚光柱透镜3紧邻透明液体容器1的外壁，并且聚光柱透镜3长度足够长以能同时接收从透明液体容器1实际液位上、下处出射的光线，滤光片4设置在聚光柱透镜3出射光方向上，用于滤除聚光柱透镜3出射光中的杂散光，阵列光电检测器件5设置在滤光片4出射光方向上，用于接受经过滤除杂散光的携带有待测液体液位高度信息的光信号，并将该光信号转换成电信号，信号采集处理单元6连接阵列光电检测器件5，用于处理电信号，从而获得液位高度。

详细的，透明液体容器为透明导光介质。光源应为有一定发散角的光源，也即为发散光源，聚光透镜可以使用焦距合适的平凸柱透镜，用于汇聚同一水平线上的光。滤光片可以滤除环境中影响液位检测的杂散光。阵列光电检测器件可以是任何能够检测到一定空间内光强的线阵或面阵光电检测器件。信号采集和处理单元用于采集处理阵列光电检测器件光强数据并计算出液位。

工作时，光源2发出的光束从容器底部入射，光束将在容器内透明待测液体7中传输(本发明装置只能测量透明液体的液位)。当容器1中存在能够浸润容器壁的待测液体7时，由于液体表面张力的存在，待测液体7表面靠近容器壁处液位会比中间高，由此形成了靠近容器壁处倾斜的液体表面，其光学效果近似于一个三棱镜。光源2发出的光线从容器底部入射时，角度较大的光一部分在容器内射出液体通过聚光透镜3和滤光片4打到的阵列光电检测器件5上，另一部分在上述倾斜液体表面发生全反射后经过同样的路径打到阵列光电检测器件5上，于是两部分光线中间就会有一个光强较小的区域，由此形成了在竖直方向光强曲线上两个光强极大值之间存在光强的极小值，通过数据采集处理单元6检测该极小值所处位置即可以测得液位高度。液体连通管8一端接本发明中液位检测装置的液体容器1，另一端可以接待测液体7的主容器，由于液体连通管8的存在，主容器和装置中的液体容器1液位高度相同，测得液体容器1中的容器即可以测得主容器中的液位高度。

图3是本发明装置进行量程扩展后的结构示意图，由图可知，为了增加本发明中液位检测装置的测量量程，可以增加滤光片、柱透镜和阵列光电传感器件的数量。在实际工程实践中，聚光柱透镜3、滤光片4以及阵列光电检测器件5可形成一套光学检测单元，根据实际工程需要，光学检测单元具有多套，多套光学检测单元沿着透明液体容器1的高度方向紧密相邻设置，以能检测各种高低不同的液位。利用单个信号采集和处理单元同时采集处理多个阵列光电传感器件的信号实现大量程测量，图3中仅展示了两个阵列光电传感器件的装置结构示意图，理论上可以使用无数个阵列光电传感器实现无限量程液位测量。

在本发明的一个实施例中，聚光柱透镜3与透明液体容器1的外壁面平行。实际上，也可以是不平行的，聚光柱透镜3与透明液体容器1的外壁面紧密贴合或者紧密相邻具有微小的窄峰，也是可以的。

在本发明的又一个实施例中，该装置还包括液体导通管8，所述液体导通管8设置在透明液体容器1底部，连通容置待测液体的本体容器的底部，用于将待测液位高度的液体引入至透明液体容器1中。透明液体容器1的横截面为圆形、矩形或者椭圆形。也即，透明液体容器可以是圆柱状的、矩形缸体状的或者椭圆体状的。透明液体容器1的横截面中心可以位于光源2出射光束的中轴线上，也可以稍微偏离些，总之，尽量需要保证光源2的出射光束入射至透明液体容器底部处的光斑大小能完全覆盖住底部。

在本发明的又一个实施例中，聚光柱透镜3、滤光片4以及阵列光电检测器件5三者相互平行。

图4是基于本发明装置的液位检测方法的流程示意图，由图可知，本发明中的装置具体工作流程如下：

为了消除阵列光电检测器件中存在的暗电流噪声，首先需要在无光的情况下检测阵列光电检测器件的光强曲线并保存，将其视为暗电流噪声，在后续的液位测量过程中，读取到光强曲线后都先减去该暗电流噪声来防止暗电流噪声对液位检测的影响。

开启光源，开始液位检测，为了减小阵列光电检测器件及其驱动电路中的散粒噪声，平滑光强曲线，需要高速多次读取同一液位阵列光电器件的光强曲线进行信号平均处理来降低噪声。

获取并处理完光强曲线后对液位进行识别计算，液位的识别计算算法流程示意图如附图3所示，具体的：

(1)首先求滤波后光强曲线的一阶差分曲线，即将整个光强曲线的像素光强减去前一位像素的光强(也可以取相反方向差分运算)，得到一条长度为阵列光电器件竖直方向像素数量减一的差分曲线。

(2)为了方便后续对波峰波谷位置的判断，需要将得到的差分曲线二值化，选择0作为阈值，差分曲线中大于等于阈值的数据修正为1，小于阈值的数据修正为-1，再将得到的二值化数据进行第二次一阶差分运算，差分方向与第一次差分相同，得到一组只有0,2,和-2的数据，此时2即是波峰，-2即是波谷。

(3)如果检测到的效果是只有两个波峰且之间有一个波谷则说明检测正确，如果检测到的波峰波谷较多说明光强曲线中由噪声引起的微小的波峰波谷影响了目标波峰波谷检测，为了去除这些微小波峰波谷的影响，可以增大第一次差分运算的差分阶数，然后再次进行相同的后续运算直到检测到正确的结果为止；如果检测到的波峰波谷数量小于理论数量说明没有检测到液位，需要调整装置重新检测。

(4)得到正确的波峰波谷后，计算波谷在阵列光电检测器件上竖直方向像素的位置即可以计算出测得的液位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光电式液位检测装置，其特征在于，其用于测量透明液体的液位高度，其包括透明液体容器(1)、光源(2)、聚光柱透镜(3)、滤光片(4)、阵列光电检测器件(5)以及信号采集处理单元(6)，其中，

透明液体容器(1)连通容置待测液体的本体容器，并且该透明液体容器的高度足够高以能通过透明液体容器(1)观测到实际液位，待测液体在透明液体容器(1)中容器壁处形成倾斜的液体表面，透明液体容器为透明导光介质；

光源(2)为发散光源，其位于透明液体容器(1)的底部，光源(2)发射出的发散光束用于从透明液体容器(1)底部入射进入待测液体中，并从透明液体容器(1)的侧壁出射，出射光携带有待测液体液位高度信息，

聚光柱透镜(3)紧邻透明液体容器(1)的外壁，并且聚光柱透镜(3)长度足够长以能同时接收从透明液体容器(1)实际液位上、下处出射的光线，

滤光片(4)设置在聚光柱透镜(3)出射光方向上，用于滤除聚光柱透镜(3)出射光中的杂散光，

阵列光电检测器件(5)设置在滤光片(4)出射光方向上，用于接受经过滤除杂散光的携带有待测液体液位高度信息的光信号，并将该光信号转换成电信号，

信号采集处理单元(6)连接阵列光电检测器件(5)，用于处理电信号，从而获得液位高度。

2.如权利要求1所述的光电式液位检测装置，其特征在于，聚光柱透镜(3)、滤光片(4)以及阵列光电检测器件(5)形成一套光学检测单元，

该光学检测单元具有多套，多套光学检测单元沿着透明液体容器(1)的高度方向紧密相邻设置，以能检测各种高低不同的液位。

3.如权利要求1或2所述的光电式液位检测装置，其特征在于，聚光柱透镜(3)与透明液体容器(1)的外壁面平行。

4.如权利要求3所述的光电式液位检测装置，其特征在于，其还包括液体导通管(8)，所述液体导通管(8)设置在透明液体容器(1)底部，连通容置待测液体的本体容器的底部，用于将待测液位高度的液体引入至透明液体容器(1)中。

5.如权利要求4所述的光电式液位检测装置，其特征在于，透明液体容器(1)的横截面为圆形、矩形或者椭圆形。

6.如权利要求5所述的光电式液位检测装置，其特征在于，透明液体容器(1)的横截面中心位于光源(2)出射光束的中轴线上。

7.如权利要求6所述的光电式液位检测装置，其特征在于，聚光柱透镜(3)、滤光片(4)以及阵列光电检测器件(5)三者相互平行。

Images