CN110726456B - 一种基于楔波频散检测液面位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于楔波频散检测液面位置的方法，所述方法包括以下步骤：建立理想楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；根据所述模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；根据所述楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；根据所述楔形波模态通波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。本发明为测定液面位置提供了一种可靠的方法，为实现液面位置的在线检测提供指导依据。

Description

一种基于楔波频散检测液面位置的方法

技术领域

本发明涉及激光超声检测技术领域，尤其涉及一种液面检测方法。

背景技术

楔形结构材料是一种非常常见的结构材料。厚度非均匀的金属板状结构，特别是金属楔形构件在工业材料及其零部件中有广泛的应用。这种结构也广泛应用于汽车油箱和特别是摩托车行业，更重要的是要适应箱中较为复杂的要求，高度越来越低的几何形状，以确保潜在点火的安全性和抗污染能力。因此，机械设备箱液位传感对测量分辨率高、安全性高、减少频繁维护的需要、降低成本效益要求强烈。目前测量液位的方法有很多，其中有浮子式、静电式、光学式、光纤传感法，超声探测等方法。

浮动类型检测浮动的位置，在液体表面结合电阻传感器，由于其结构简单、成本合理而得到了早期的应用。静电式利用电容，由于液位的增加，同轴电缆与含有液体的储存器之间的变化，只要知道液体的导电性能，即使是高粘度液体也可以用这种类型来测量。该光学传感器包括一种商用激光测距传感器，由光发射器和光探测器组成，光探测器根据液体表面的位置，对光点的光强和位置进行高精度的检测。其中一个光纤传感器有凹槽，利用与光纤芯相似的空气和液体折射率的差值，如果液位增加，由于液体与芯体的接触，信号耗散就会减少，由此获得液面位置。然而，浮动类型的代价很低，精度高，温度变化大，静电式在复杂的几何环境中无法操作，受环境变化影响较大；光学型需要频繁的维护；而光纤传感器的造价过高，应用于汽车油箱水箱的探测很不经济；引导脉冲类型冒着有电火花的危险。

超声类型是利用超声、空气耦合超声、浸没式超声传感器、引导超声经过的时间检测液位的方法。由于其使用简单、安全可靠，在许多应用中得到了广泛的应用。在使用空气耦合和浸没超声的情况下，需要定期进行维护。与此相反，超声引导方法只需要最小的维护量，并且可以鲁棒操作，因为超声波的来源很长一段时间内不需要暴露在液体罐中。引导超声有几种，如表面波、扭转波、横波等。我们特别关注楔形波。楔形波是一种特殊的表面波，主要存在于楔形结构中，沿楔形波导杆传播。由于它的能量集中，可以以较低的衰减传播很远的距离。此外，楔形波的速度相对于其他导波速度较慢，因此认为可以提高测量精度，这与测量设备的时间分辨率密切相关。此外，当楔形波传播的波导浸入液体中时，声波的速度降低。

但是，目前还并未有利用楔波频散特征间接测量液面位置的研究。液面位置测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于楔波频散检测液面位置的方法，以解决现有技术中存在的测量液面位置的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于楔波频散检测液面位置的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)、建立楔形波的导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；

(2)、根据所述模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；

(3)、根据所述楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；

(4)、根据所述楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。

进一步的，所述超声波阵面通过将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来获得。

进一步的，楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系的具体步骤如下：

楔形波传播到液面位置时发生反射与透射现象，同时会发生模态分离；楔形波在传播过程中发生模态分离，产生入射波A1和入射波A2等模态，两模态的传播速度不同，因此到达液面位置的时间不同，入射波A₁模态到达液面位置时，可以观测到楔形波的反射波RA₁₁、透射波TA₁模态和模式分离的TA₂模态；入射波A₂模态在液面处发生反射和透射，其反射波在传播过程中分离出RA₂₁、RA₂₂模态；根据斜率便可以准确测算A₁、RA₁₁、RA₂₁的速度为V₁，A₂、RA₂₂的速度为V₂，TA₁、TA₂的速度分别为V₁’、V₂’。

楔波传播到波导杆底部时发生反射现象，TA₁’模态可以观测到楔波的反射波RTA₁’；根据斜率便可以准确测算TA₁’、RTA₁’的速度为V₁’。其中，TA₁’模态为液体中传播的声波。

进一步的，液面位置通过如下方法获得：

楔形波导杆角度小于等于45度，楔形波模态的直达波有A₁，A₂模态，反射波有RA₁₁，RA₂₂，RA₂₁模态；假设A₁，A₂模态由激发点传播到液面的时间分别是t₁，t₂，楔尖任意位置RA₁₁，RA₂₁出现的时间差△t₁＝t₂-t₁(A₁，A₂模态到达液面位置的时间差)，因此可得到液面距离激发点为S₁＝V₂V₁△t₁/(V₂-V₁)。

楔形波导杆角度大于45度，楔形波仅有A₁模态，其反射波为RA₁₁模态；距离激发点S’位置取得楔形波模态A₁，RA₁₁出现的时间分别为t₁，t₂，因此可得液面位置距离取点处为S”＝V₁×(t₂-t₁)/2，因此液面距离激发点为S₁＝S’+V₁×(t₂-t₁)/2。

进一步的，楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。

在没有液体的状态下，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，L为激发点距离波导杆底部的距离；在浸入液体中以后，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，H为波导杆浸入液体的深度；因此得到波导杆浸入液体深度

液面位置距离探测点位置L-H。

其中，V₁为A₁模态在空气中的速度，V₁’为A₁模态在液体中的速度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

由于楔形波在插入液体中的波导杆中传播时，会由于液体的附加载荷，从而产生含有可用于判断液面位置的信息，通过楔波模态的直达波与反射波确定液面位置；通过液面回波和波导杆末端回波，本发明能够较好定位液面位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测。

附图说明

图1是本发明提供的利用楔形波检测液面方法的一个实施例的流程示意图；

图2是楔波传播示意图；

图3是浸入有液体中的楔形波导杆在液面处入射波和反射波仿真Bscan图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明提供的测量液面位置的一个实施例的流程示意图，所述方法包括：

步骤一，建立理想楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；

建立楔角为θ理想楔形体波导杆模型，并将部分模型竖直插入液体中。根据热弹理论，材料表面吸收激光能量并转化为热能，在激光作用部分周围产生较大的温度梯度并产生了热膨胀，从而激发超声波。

步骤二，根据所述模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；

由于楔形波导杆的特殊几何结构会产生一种具有频散特征的楔形波，楔形波会沿楔尖传播，沿传播方向等距取100个点，得到这些点的位移随时间变化的数据矩阵。将数据矩阵绘制为Bscan图，楔形波传播到液面位置时发生反射与透射现象，在波导杆底部发生反射现象，同时发生模态分离。

步骤三，根据所述楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；

楔形波导杆角度小于等于45度，楔形波模态的直达波有A₁，A₂模态，反射波有RA₁₁，RA₂₂，RA₂₁模态；假设A₁，A₂模态由激发点传播到液面的时间分别是t₁，t₂，楔尖任意位置RA₁₁，RA₂₁出现的时间差△t₁＝t₂-t₁(A₁，A₂模态到达液面位置的时间差)，因此可得到液面距离激发点为S₁＝V₂V₁△t₁/(V₂-V₁)；

楔形波导杆角度大于45度，楔形波仅有A₁模态，其反射波为RA₁₁模态；距离激发点S’位置取得楔形波模态A₁，RA₁₁出现的时间分别为t₁，t₂，因此可得液面位置距离取点处为S”＝V₁×(t₂-t₁)/2，因此液面距离激发点为S₁＝S’+V₁×(t₂-t₁)/2。

步骤四，根据所述楔形波模态通波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。

在没有液体的状态下，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，L为激发点距离波导杆底部的距离；在浸入液体中以后，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，H为波导杆浸入液体的深度；因此得到波导杆浸入液体深度

液面位置距离探测点位置L-H。

图2是楔形波传播示意图，包括

1)空气中，楔形波沿波导杆传播，主要表现出楔形波的频散现象；

2)楔形波在浸入液体中波导杆部分的传播。在空气与液面的交界处，楔形波发生发射和透射。透射浸入液体中的声波再次出现模态的分离，同时沿波导杆继续传播，在波导杆底部发生反射现象。

图3是浸入有液体中的楔形波导杆在液面出的入射和反射波仿真Bscan图。直角坐标图中应力所在的斜边为纵轴，时间为横轴。

当激光入射到材料上时，所产生的楔形波发生频散，出现A₁，A₂等不同速度传播的模态。以应力在楔尖的距离为纵轴，时间为横轴。

入射波A₁模态到达液面位置时，可以观测到楔形波的反射波RA₁₁、透射波TA₁模态和模式分离的TA₂模态；A₂模态在液面处发生反射和透射，其反射波在传播过程中分离出RA₂₁、RA₂₂模态；根据斜率便可以准确测算A₁、RA₁₁、RA₂₁的速度为V₁，A₂、RA₂₂的速度为V₂，TA₁、TA₂的速度分别为V₁ ^’、V₂ ^’。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)、建立楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；

(2)、根据步骤(1)得到的模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；

(3)、根据楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；

(4)、根据楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置；

所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤(2)中楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系的具体步骤如下：

楔形波传播到液面位置时发生反射与透射现象，同时会发生模态分离；入射波A₁模态到达液面位置时，能够观测到楔形波的反射波RA₁₁、透射波TA₁模态和模式分离的TA₂模态；入射波A₂模态在液面处发生反射和透射，其反射波在传播过程中分离出RA₂₁、RA₂₂模态；根据斜率能够测算A₁、RA₁₁、RA₂₁的速度为V₁，A₂、RA₂₂的速度为V₂，TA₁、TA₂的速度分别为V₁’、V₂’；

楔形波传播到波导杆底部时发生反射现象，TA₁’模态可以观测到楔形波的反射波RTA₁’；根据斜率能够测算TA₁’、RTA₁’的速度为V₁’；其中，TA₁’模态为液体中传播的声波；

其中，V₁，V₂为楔形波导杆在空气中时楔波传播过程中分离的模态的速度，V₁’为楔形波导杆浸入液体中时TA₁’、RTA₁’模态的速度；

所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的液面位置通过如下方法获得：

楔形波导杆角度小于等于45度，楔波模态的直达波有A₁，A₂模态，反射波有RA₁₁，RA₂₂，RA₂₁模态；假设A₁，A₂模态由激发点传播到液面的时间分别是t₁，t₂，楔尖任意位置RA₁₁，RA₂₁出现的时间差Δt₁＝t₂-t₁，Δt₁为A₁，A₂模态到达液面位置的时间差，得到液面距离激发点为S₁＝V₂V₁Δt₁/(V₂-V₁)；

楔形波导杆角度大于45度，楔形波仅有A₁模态，其反射波为RA₁₁模态；距离激发点S’位置取得楔形波模态A₁，RA₁₁出现的时间分别为t₁，t₂，得到液面位置距离取点处为S”＝V₁×(t₂-t₁)/2，液面距离激发点为S₁＝S’+V₁×(t₂-t₁)/2；

所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于所述步骤(4)中的楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置：

在没有液体的状态下，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，L为激发点距离波导杆底部的距离；在浸入液体中以后，探测点接收到A₁模态在楔形波导杆底部的反射波时间

其中，H为波导杆浸入液体的深度；因此得到波导杆浸入液体深度

液面位置距离探测点位置L-H；

其中，V₁为A₁模态在空气中的速度，V₁’为A₁模态在液体中的速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述楔形波的模态通过将不同扫描点所产生的声波信号连接起来获得。

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