CN110763305A - 一种光电式液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式液位测量方法，属于光电检测技术领域，其采用导光板与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板上用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置的面为导光板液位面，待测液体液位线落于导光板液位面内，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位，导光板上与导光板液位面相对且平行的面为导光板采光面。该方法基于已有的光学原理，利用导光板设计一种新型的光电式液位测量方法，该方法测量精确可靠，操作便利，能较好地在工程实践中运用。

Description

一种光电式液位测量方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种光电式高精度抗干扰性强的液位测量方法及装置。

背景技术

液位测量在生物，化学加工制备，燃料监测等领域中有很广泛的应用，现有的液位测量系统按原理分类主要包含电容式，超声波式和光纤式。

电容液位测量系统的基本原理为：电容两电极之间的填充液体会导致电容改变，通过测量浸入液体电容器的电容大小即可得到液位高。电容液位测量应用有较大的局限性，存在测量易受电磁干扰，必须将电容浸入液体中测量，测量装置易被腐蚀，无法测量易燃易爆液体等缺点。

超声波液位测量利用超声波传感器探测液体表面反射回波传输的时间来测量液位，由于声波的传播速度较快，且除了液体表面以外还存在其他的反射回波，所以，超声波液位测量难以实现高精度稳定液位测量。且声速受到密度，压力，温度等因素影响，无法适应多变环境。

近年来，随着光纤传感器的快速发展，光纤在液位测量领域的应用也越来越热门，光纤式液位测量通过将特殊光纤浸入液体时有效折射率发生变化来检测液位，如利用各种光纤光栅在液体中有效折射率改变导致光纤光栅中心波长飘移来测量液位，虽然光纤液位测量相比之前的液位测量方法有一定的优势，如可测量易燃易爆液体，抗电磁干扰，但是还是存在一些缺点，如必须浸入液体测量，难以适应不同折射率液体，需要光谱仪导致成本较高，不方便维护等。

因此，需要开发出一种新型的液位检测装置或者方法，要求其使用方便、测量精确、成本低廉、维护方便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光电式液位测量方法，其目的在于，基于已有的光学原理，利用导光板设计一种新型的光电式液位测量方法，该方法测量精确可靠，操作便利，能较好地在工程实践中运用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光电式液位测量方法，其采用导光板与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板上用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置的面为导光板液位面，待测液体液位线落于导光板液位面内，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位，导光板上与导光板液位面相对且平行的面为导光板采光面。

进一步的，射入导光板内光束的光轴与液位面的夹角为70°～90°，或者射入导光板内光束光轴与液位面的夹角为0°～20°。

进一步的，射入导光板内光束与液位面的夹角为80°～90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°～10°。

进一步的，射入导光板内光束与液位面的夹角为90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°。

进一步的，通过聚光柱透镜采集导光板采光面的出射光，通过滤光片滤除杂散光后，再通过阵列光电器件采集携带有液位信息的光线，并将该光线转换为电信号，最后通过信号采集处理单元采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。

进一步的，其具体包括如下步骤：

首先，测量无光情况下阵列光电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，以防止暗电流噪声对液位检测的影响，

接着，开启光源后进行液位测量，多次读取同一液位阵列光电器件的光强曲线并进行信号平均处理，用于减小阵列光电检测器件及其驱动电路中的散粒噪声的影响，增加液位测量的精确度，

然后，获得包含液位信息的光强后计算液位。

进一步的，液位计算的方法包括两种，分别为差分法和阈值法，其中，

差分法是将整个光强曲线的像素光强减去前一位像素的光强或者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一阶差分曲线，差分曲线最大的像素位置或者反向差分时最小的像素位置) 即为液位位置，

阈值法中，选定设定的光强阈值，阵列光电传感器件从上至下第一个光强低于该阈值的像素点位置即为液位位置。

本发明的工作原理为：

光源发出光从上侧面(导光板入射面)入射导光板，当导光板背面(导光板液位面)与空气接触时，光在导光板内从上至下传输，大部分在导光板反面(无导光微结构一面，也即导光板液位面)发生全反射，同时由于导光板正面的导光微结构的存在，光线从导光板正面均匀出射。

当导光板背面与液体接触时，由于液体折射率较大，破坏光线在导光板反面的全反射，光会从导光板液位面折射到液体中，导致在导光板内接触液体的部分和接触空气的部分有较大的光强差，该光强变化特性同样会出现在导光板正面(也即导光板采光面)出射光中，正面出射光通过聚光透镜和滤光片后被阵列光电检测器件接收，最后数据采集与处理单元通过检测出射光光强变化位置计算出液位。

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：

光线在固体内部传播，不易受外界环境因素和液体表面波动干扰；利用液体和空气折射率差异较大进行液位测量，对不同折射率液体适用性好；

与液体接触的导光板背面是一个有机玻璃平面，方便清洁维护；

液位测量的精度和量程只限制于阵列光电检测器件的像素大小，选用合适的阵列光电检测器件能够实现高精度液位测量；

本发明的液位测量系统装置结构简单，只包括光源、导光板、聚光透镜、滤光片、阵列光电检测器件和信号采集处理单元，以上器件成本低。

附图说明

图1为本发明所述液位测量装置核心组成部分的结构示意图；

图2为本发明实施例中所述液位测量装置光源从导光板左侧面或右侧面入射的光路结构示意图；

图3为本发明所述液位测量装置实际应用的一种结构示意图；

图4本发明所述液位测量装置使用激光光源的一种实施例结构示意图；

图5为本发明所述液位测量装置扩展量程的一种结构示意图。

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。

本发明提供了一种光电式液位测量方法，其采用导光板与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板上用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置的面为导光板液位面，待测液体液位线落于导光板液位面内，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位，导光板上与导光板液位面相对且平行的面为导光板采光面。

在本发明的一个实施例中，射入导光板内光束的光轴与液位面的夹角为70°～90°，或者射入导光板内光束光轴与液位面的夹角为0°～20°。优选的，射入导光板内光束与液位面的夹角为80°～90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°～10°。作为进一步优选的，射入导光板内光束与液位面的夹角为90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°。

在本发明的又一个实施例中，通过聚光柱透镜采集导光板采光面的出射光，通过滤光片滤除杂散光后，再通过阵列光电器件采集携带有液位信息的光线，并将该光线转换为电信号，最后通过信号采集处理单元采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。

具体的方法如下：

首先，测量无光情况下阵列光电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，以防止暗电流噪声对液位检测的影响，

接着，开启光源后进行液位测量，多次读取同一液位阵列光电器件的光强曲线并进行信号平均处理，用于减小阵列光电检测器件及其驱动电路中的散粒噪声的影响，增加液位测量的精确度，

然后，获得包含液位信息的光强后计算液位。液位计算的方法包括两种，分别为差分法和阈值法，其中，差分法是将整个光强曲线的像素光强减去前一位像素的光强或者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一阶差分曲线，差分曲线最大的像素位置或者反向差分时最小的像素位置)即为液位位置。阈值法中，选定设定的光强阈值，阵列光电传感器件从上至下第一个光强低于该阈值的像素点位置即为液位位置。

本发明提供一种光电式液位测量装置，用于实现如上方法，其包括导光板，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，用于将导光板内的传输的光导出至导光板外，在不同于导光板液位面和不同于导光板采光面的地方向导光板入射光束，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位。导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供外界测量光束入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射。

其中，导光微结构为凹陷或者突起状的散射网点，或者为刻线结构，其对光束具有较强散射作用，且能够有效破坏光在采光面的全反射。导光板材质可为透明导光介质。

实际工程中，本发明的光电式液位测量装置还包括光源、聚光柱透镜、滤光片、阵列光电检测器件和信号采集处理单元，所述聚光柱透镜设置在导光板采光面相对处，以用于收集从导光板采光面出射的光场，还用于将采光面同一水平线上的光束汇聚。滤光片设置在聚光柱透镜出射光方向上，用于滤除杂散光，所述阵列光电检测器件用于采集从滤光片出射的带有液位信号的光线并将其转化为电信号，所述信号采集处理单元用于采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。

使用时，光源用于通过导光板入射面入射至导光板内，所述光源为点光源、线光源或者面光源。

在本发明的一个实施例中，导光板为矩形体状，其两个最大的面分别为导光板液位面和导光板采光面。导光板的材质为有机玻璃或者光学玻璃。

在本发明的有一个实施例中，所述聚光柱透镜、所述滤光片、所述阵列光电检测器分别具有多个，多个聚光柱透镜、多个滤光片、多个阵列光电检测器均各自依次串联，以扩大各自量程。

本发明实施例1如图1所示，图1为本发明所述液位测量装置核心组成部分的结构示意图，光源3选择具有一定发散角的光源(例如LED光源)，光源发出的光从导光板1侧面入射，导光板1反面(图1中左侧)接触待测液体，正面(图1中右侧)有表面微结构2导出导光板1内光线，导光板1反面与空气接触时，光线在导光板内从上至下传输，大部分在导光板反面发生全反射，同时由于导光板正面有特殊排布规律的导光微结构(导光微结构也称为表面微结构2)的存在，光从导光板正面均匀出射。

当导光板1反面与液体接触时，由于液体折射率较大破坏了光在导光板液位面的全反射，导光板液位面接触液体部分内的大部分光线会折射到液体中，导光板内光传输的损耗大幅增加，导致在导光板1内接触液体的部分和接触空气的部分有较大的光强差，导光板内光强在液面位置会剧烈下降，该光强变化特性同样会出现在导光板正面出射光中，正面出射光通过聚光柱透镜4和滤光片5后被阵列光强检测器件6采集，最后数据采集与处理单元7通过检测光强变化的位置计算出液位位置。

本发明实施例2如图2所示，图2为本发明实施例中所述液位测量装置光源从导光板左侧面或右侧面入射的光路结构示意图，实施例2为本发明在实际测量时一种可行的实施例。

本发明实施例3如图3所示，图3为本发明所述液位测量装置实际应用的一种结构示意图，实施例3在本发明实施例1的基础上加上了容器8 和液体连通管9，导光板1与容器8共同构成一个盛装待测液体的容器，液位测量容器8底部有液体连通管9，可以将液体连通管9与盛装液体的主容器连通，使得主容器和液位测量的容器8中液位相通，通过测量液位测量容器8中的液位就可以测得待测容器中的液位。

本发明实施例3即如图3所示，与本发明实施例1不同之处在于：光源换成均匀阵列散射光源3，并从导光板左侧面或者右侧面射入，实施例3 的优点在于均匀阵列光源3从侧面入射，导光板上散射微结构2只需要均匀排布即可实现导光板反面接触空气时导光板正面垂直方向上均匀出光，且相比实施例1均匀度更高。同时，光在到达阵列光电探测器之前会先传输一段距离，在液位面接触液体时，导光板内光强损耗较大，所以光传输一段距离会导致光强大幅度下降；而在液位面接触空气时，导光板内光束损耗较小，光传输一段距离的损耗较小，所以此时阵列光电探测器探测到的液体和空气部分的光强界限更加明显，更容易区分液体和空气。

本发明实施例4如图4所示，图4本发明所述液位测量装置使用激光光源的一种实施例结构示意图，与本发明实施例1不同之处在于：光源换成发散角较小的激光，并在导光板侧面加上斜耦合透镜10使激光以一定的角度入射导光板1，由于激光发散角很小，在导光板接触液体时绝大部分激光都会立刻出射到液体中，所以在液位附近导光板内的光强变化更加剧烈，导光板反面的液体和空气有更明显的区分度。

更具体的，图4装置中提供了一种高区分度的光电式液位测量装置，其包括导光板、光源和斜耦合透镜，其中，光源为激光，导光板用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板为实心整体，能透光，导光板具有两个相对平行的面，分别为导光板液位面和导光板采光面，导光板液位面用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，且待测液体液位线落于导光板液位面内，导光板采光面处设置有导光微结构，导光微结构对光束具有较强散射作用，且能有效破坏光在导光板采光面的全反射，

导光板还具有相对设置的两个面，分别为导光板入射面和导光板出射面，导光板入射面用于供激光光源入射进导光板，导光板出射面处具有吸光性能或者设置有透光结构，以保证射入该导光板出射面的光线不被反射，斜耦合透镜设置在导光板入射面附近，用于使激光光源以设定的角度入射至导光板内，激光发散角小从而在导光板接触液体时由于全反射临界角改变而使绝大部分激光都出射到液体中。其还包括聚光柱透镜、滤光片、阵列光电检测器件和信号采集处理单元，所述聚光柱透镜设置在导光板采光面相对处，以用于收集从导光板采光面出射的光场，同时还用于将采光面同一水平线上的光束汇聚。所述滤光片设置在聚光柱透镜出射光方向上，用于滤除杂散光，所述阵列光电检测器件用于采集从滤光片出射的带有液位信号的光线并将其转化为电信号，所述信号采集处理单元用于采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。图4的实施例中，所述斜耦合透镜为三角棱镜。

进一步的，工作时，激光向导光板入射光束，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使大部分光束在导光板液位面接触液体处折射进液体，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位。

对于图4实施例的扩展，所述聚光柱透镜、所述滤光片、所述阵列光电检测器分别具有多个，多个聚光柱透镜、多个滤光片、多个阵列光电检测器均各自依次串联，以扩大各自量程。

本发明实施例5如图5所示，图5为本发明所述液位测量装置扩展量程的一种结构示意图，实施例5提供了一种扩展量程的方法，本发明中液位测量装置的量程取决于阵列光电探测器件的量程，当单个阵列光电探测器件的量程不够时，可以通过增加滤光片和柱透镜来扩展量程，滤光片5 和阵列光电传感器件6的数量来扩大量程，图5中仅展示了2个柱透镜4， 2个滤光片5和2个阵列光电传感器6的结构示意图，可以增加更多阵列光电传感器件来进一步扩展量程。

本发明中，导光微结构也称为表面微结构，其用于破坏导光板采光面全反射并散射光束使得液位面无水时采光面均匀出光。其具体的结构可以是凹陷或者突起散射网点，刻线结构。可以采用激光雕刻，化学腐蚀，注塑成型，和内部扩散方式制备这样的微结构。

在一个具体的实施例中，本发明中所述液位测量装置具体工作流程如下：

首先，测量无光情况下阵列光电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，以防止暗电流噪声对液位检测的影响。

接着，开启光源后进行液位测量，液位测量时可以高速多次读取同一液位阵列光电器件的光强曲线并进行信号平均处理，用于减小阵列光电检测器件及其驱动电路中的散粒噪声的影响，增加液位测量的精确度。

然后，获得包含液位信息的光强后计算液位，液位计算的方法有两种，差分法和阈值法。

差分法是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一阶差分曲线，差分曲线最大的像素位置(反向差分时最小的像素位置)即为液位位置。由于噪声的存在，一阶差分曲线可靠性较低，可以适当增加差分阶数来提高液位识别的可靠性。

阈值法是选定合适的光强阈值，阵列光电传感器件从上至下第一个光强低于该阈值的像素点位置即为液位位置。

此外，导光板是液晶显示背光模组中非常重要的一部分，应用比较广泛，其作用是将线光源转化为均匀面光源。导光板上导光微结构的作用是破坏光束在导光板内的全反射，导光板的材料大部分使用亚克力(PMMA)，是目前最适合做导光板的材料。导光微结构常用的是凹陷网点，凹下去的形状不确定，有球形，V槽形，或者其他不规则的形状，也有不常用的突起网点，总之是能够有效破坏导光板光束全反射的微结构。导光板微结构的形状一般不重要，对光的散射影响不大，所以设计加工一般不重视形状，大部分加工为类似半球的不规则形状，决定对光的散射作用大小的是微结构的尺寸大小。导光板侧面光入射时，可以按一定规律设计微结构尺寸或者微结构的密集度来实现导光板正面均匀出光。导光板微结加工的方式主要有：激光雕刻，化学刻蚀，注塑成型和内部扩散。其中，激光雕刻优势明显，绝大多数导光板都是激光雕刻加工。

本发明中，在显示背光的应用中需要实现的是无网点一面的均匀出光，在应用到液位测量里面时，由于不方便让导光微结构直接接触液体，所以需要实现有网点一面均匀出光，为此重新设计了导光板排布规律应用到液位测量中。

本发明中，从左侧或者右侧入射光的装置中，由于在同一垂直线上与光源距离一样，所以不需要设计特殊微结构排布规律，均匀尺寸均匀排布即可。光从不同角度入射需要相应设计不同微结构排布。所以从上侧面入射和从左(右)侧面入射应该是不同的方案。

另外，由于微结构的散射作用，在液位面接触空气部分也并不是全部光都会发生全反射，只是相比于接触液体的部分发生全反射的光更多，所以才形成了光强差。

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)

1.一种光电式液位测量方法，其特征在于，其采用导光板与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置，导光板上用于与待测量液位的液体相面接触或者相邻设置的面为导光板液位面，待测液体液位线落于导光板液位面内，通过待测液体液位改变导光板内光束的传输，使导光板内一部分的光束不发生全反射，从而改变导光板采光面出射光的光场，通过检测该出射光光场的变化，进而检测获得待测液体的液位，

导光板上与导光板液位面相对且平行的面为导光板采光面。

2.如权利要求1所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，射入导光板内光束的光轴与液位面的夹角为70°～90°，或者射入导光板内光束光轴与液位面的夹角为0°～20°。

3.如权利要求1所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，射入导光板内光束与液位面的夹角为80°～90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°～10°。

4.如权利要求1所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，射入导光板内光束与液位面的夹角为90°，或者射入导光板内光束与液位面的夹角为0°。

5.如权利要求1-4之一所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，通过聚光柱透镜采集导光板采光面的出射光，通过滤光片滤除杂散光后，再通过阵列光电器件采集携带有液位信息的光线，并将该光线转换为电信号，最后通过信号采集处理单元采集所述电信号，并分析处理该电信号以获得液位高度。

6.如权利要求5所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：

首先，测量无光情况下阵列光电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，以防止暗电流噪声对液位检测的影响，

接着，开启光源后进行液位测量，多次读取同一液位阵列光电器件的光强曲线并进行信号平均处理，用于减小阵列光电检测器件及其驱动电路中的散粒噪声的影响，增加液位测量的精确度，

然后，获得包含液位信息的光强后计算液位。

7.如权利要求6所述的一种光电式液位测量方法，其特征在于，

液位计算的方法包括两种，分别为差分法和阈值法，其中，

差分法是将整个光强曲线的像素光强减去前一位像素的光强或者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一阶差分曲线，差分曲线最大的像素位置或者反向差分时最小的像素位置)即为液位位置，

阈值法中，选定设定的光强阈值，阵列光电传感器件从上至下第一个光强低于该阈值的像素点位置即为液位位置。

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