CN111189512A - 基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法 - Google Patents

基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法。本发明由激光测距模块、数字水平仪、角度调节仪、气泡水平仪、微处理器、显示模块、存储器、电源模块、电池、外壳等组成；当透明液面处于静止时，激光测距模块垂直向液面发射平行光束，激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；微处理器将收到的激光模块测量的距离信息进行折射率计算，得到液体的液位和折射率，并发送给显示模块。本发明能够将透明液体液位和折射率(角度)测量转化为距离的测量，很好地解决了角度的测量这一难点，具有结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。

Description

基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法
技术领域
本发明涉及透明液体折射率测量技术领域，尤其是基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法。
背景技术
目前，市场主要用到的水位测量仪器设备主要有：接触式和非接触式两种。接触式有浮子式液位计、压力式传感器、电极式水位传感器等。非接触式有超声波传感器、雷达液位计、激光式等。浮子式液位计利用浮子跟踪水位升降，以机械方式直接传动记录，容易腐蚀。压力式传感器，即投入式传感器，容易堵塞。电极式水位传感器(电子水尺)是一种新型的水位测量传感器，安装不方便诸多因素影响。接触式测量方法得到广泛使用，超声波水位传感器应用声波反射的原理来测量水位，容易受到干扰；雷达液位计价格昂贵，推广较少。
折射率是物质最重要的光学参数之一，物质的浓度、纯度、温度以及色散等性质与折射率有一定的关系。尤其对于液体物质而言，折射率的精确测量在液体浓度、纯度鉴定，食品、医药、化工等领域都具有重要的意义。液体折射率常用阿贝折射计、V棱镜折光仪、分光计等仪器进行测量。阿贝折射计、V棱镜折光仪原理分别是测量全反射时的临界角和光线出射后的偏折角来计算折射率的大小，需要和已知折射率的配合棱镜接触，并且测量范围有限(1.3-1.7)。虽然阿贝折射仪精度高，但结构复杂、造价较高；V棱镜折光仪需要校准，价格昂贵；分光计虽然对折射角测量准确，但调试难度大，使用有一定的局限性，在医药业，达不到液体浓度测量的精确度要求。
激光作为人类的一重大发明，被称为“最准的尺”、“最快的刀”、“最亮的光”。激光光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行向一个方向发散，且几乎不衰减，我们一般将激光看作是平行光。利用激光测距使距离测量技术更进一步。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)。激光测距仪在工作时发生器向目标射出一束很细的激光，接收器接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收光传播的时间，计算出从观测者到目标的距离。测量距离实际上是要测量光传播的时间差。
激光测距目前得到广泛使用，大到激光测量月球和卫星，小到家用普通测距，激光测距应用已经飞入寻常百姓家。目前激光式液位计已经获得了不少专利授权，但大部分是依靠液体表面的合作目标(浮子、浮块、浮标)进行反射得到激光测距信息，在一些应用场合中如窨井，浮子或浮块难于安装或者受到其他的干扰。
实用新型专利(一种基于激光测距的液位计，授权号CN204301808U)：使用激光垂直入射静止的液面，会发生镜面反射进行测距，适合于罐体内不透明液体测量(不透光，几乎全部反射)。当激光垂直射向透明液体液面时光的传播方向不变，因此入射光线、折射光线与法线重合，入射角、折射角都为0°，测量透明液体时误差变大：激光光束会穿透液体，镜面反射光束信号很弱，激光接收器收到的光束可能是液体底部的反射光束。
发明专利(一种透明液体液位测量方法及实现装置，授权号CN103644953B)：采用双频测距法，高频用于精测保证测距精度、中频用于粗测保证量程，测量透明液体无反射浮子，利用底部反射光束信号进行测距，并结合初始光程值和折射率差，精确计算出当前液位信息，其算法复杂度增加，设备复杂，价格较贵。
实用新型专利(一种基于激光照射的透明液体折射率测量装置，授权号CN204556500U)：采用图像采集系统，记录待测液体和玻璃板的反射光线图样，分析并确定各反射光线光斑之间的距离，刻度尺测量玻璃板上待测液体薄层的厚度，利用折射定律和几何公式计算待测液体的折射率。
实际测量液体折射率的入射角在实验操作中能准确控制，但要准确测量液体的折射角有一定的难度，而折射角的测量最为关键。本发明提供了一种测量透明液体液位和折射率的装置，能够将角度测量转化为距离(测量激光传播的时间与光速之积得到距离)的测量，很好的解决了折射角的测量问题，且结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。
发明内容
本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置，包括外壳和设置在外壳内的电路系统，所述电路系统包括激光测距模块、数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪、微处理器、显示模块、存储器、电源转换模块、电池，所述激光测距模块、数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪、显示模块、存储器、电源转换模块均与微处理器电性连接，所述电池输出端与电源转换模块电性连接；其中：
所述激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；
所述微处理器将收到的激光模块测量的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块，显示当期折射率测量值；
所述显示模块固定在外壳上部，用于显示当期液位高度和折射率测量值；
另外，角度调节仪、数字水平仪与内部微处理器连接，判断本装置是否水平放置，气泡水平仪用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪确保激光测距模块的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°。
进一步的，所述数字水平仪采用ASIC器件，内置数字双轴倾角传感器，检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器进行通信。
进一步的，所述激光测距模块发射器和接收器的几何中心相距2cm。
一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，包括以下步骤：
步骤1、当透明液面处于静止时，激光测距模块垂直向液面发射平行光束，激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；
步骤2、微处理器将收到的激光模块测量的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块；
步骤3、显示模块显示当期液位高度和折射率测量值。
进一步的，角度调节仪、数字水平仪判断本装置是否水平放置，气泡水平仪用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪确保激光测距模块的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°
进一步的，所述激光测距模块发射器和接收器的几何中心相距2cm。
进一步的，所述数字水平仪检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器进行通信。
本发明的有益效果是：与使用浮子反射的激光液位计相比，具有结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。与传统使用角度来计算折射率相比，本发明将角度测量转化为距离的测量(测量激光传播的时间与光速之积得到距离)，很好地解决了角度的测量这一难点，且结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明采用基于激光测距的透明液体液位和折射率测量的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置，包括外壳10和设置在外壳10内的电路系统，电路系统包括激光测距模块1、数字水平仪2、气泡水平仪3、角度调节仪4、微处理器5、显示模块6、存储器7、电源转换模块8、电池9，激光测距模块1、数字水平仪2、气泡水平仪3、角度调节仪4、显示模块6、存储器7、电源转换模块8均与微处理器5电性连接，电池9输出端与电源转换模块8电性连接；其中：
激光测距模块1计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器5；
微处理器5将收到的激光模块测量1的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块6，显示当期折射率测量值；
显示模块6固定在外壳10上部，用于显示当期液位高度和折射率测量值；
另外，角度调节仪4、数字水平仪2与内部微处理器5连接，判断本装置是否水平放置，气泡水平仪3用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪2、气泡水平仪3、角度调节仪4确保激光测距模块1的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°。
其中，数字水平仪2采用ASIC器件，内置数字双轴倾角传感器，检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器5进行通信。
其中，激光测距模块1发射器和接收器的几何中心相距2cm。
本发明还提供一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，包括以下步骤：
步骤1、当透明液面处于静止时，激光测距模块垂直向液面发射平行光束，激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；
步骤2、微处理器将收到的激光模块测量的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块；
步骤3、显示模块显示当期液位高度和折射率测量值。
其中，还包括：角度调节仪、数字水平仪判断本装置是否水平放置，气泡水平仪用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪确保激光测距模块的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°
其中，激光测距模块发射器和接收器的几何中心相距2cm。
其中，数字水平仪检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器进行通信。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
(一)透明液体液位测量
如图1所示，本发明由激光测距模块1、数字水平仪2、气泡水平仪3、角度调节仪4、微处理器5、显示模块6、存储器7、电源模块8、电池9、外壳10等组成；
所述显示模块固定在外壳上部，用于显示当期测量值；
所述角度调节仪、数字水平仪与内部微处理器连接，判断本装置是否水平放置；气泡水平仪主要是用于目测本装置放置的水平情况；三者确保激光测距模块的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、折射角约等于0°；
所述数字水平仪采用ASIC器件，具有高分辨率、高精度、大量程、低功耗的数字双轴倾角传感器，可以检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器进行通信；
所述激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；
由于激光测距模块发射器和接收器的几何中心相距2cm，当透明液面处于静止时，激光垂直向液面发射平行光束会在透明液面会发生反射和折射(由于液体是透明的，但反射光束能量比较小，折射能量光束比较强，远强于反射光束能量，接收器处理时不予考虑第一反射光束)，折射光束至液体底部时会发生反射(底部放置一个镜子增加光束反射能力)，反射光束出液面时再次发生折射最后折射光束到接收器，因此激光测距模块重点需要处理第二次接收到的折射光束信号，进行测距处理。一般要求测试的高度不小于2m，远大于激光测距模块发射器和接收器的距离，可以近似认为收发激光光束是平行的(实际的激光测速仪也是这样计算的)。微处理器将收到的激光模块测量的“距离”信息进行计算，得到液体的液位高度，并发送给显示模块，显示当期折射率计算值。
具体推导过程如下所示，见图2所示：
激光在空气中传播速度为C；介质为空气高度为h1、折射率为n1、传输时间为t1；介质为液体高度为h2、折射率为n2、传输时间为t2。
总高度为H0＝h1+h2；假设不存在透明液体时有(图2左边所示)，激光在高度h1、h2的空气传输时间分别为t1、t2，即有：h1＝C*t1/n1、h2＝C*t2/n1，
H0＝C*t1/n1+C*t2/n1(1)
存在高度为h1的空气、h2的透明液体时(图2右边所示)传输时间分别为t1、t3，即有：h1＝C*t1/n1、h2＝C*t3/n2，
H0＝C*t1/n1+C*t3/n2(2)
考虑到激光测距模块计算时使用的是激光在空气中传播速度(C/n1)，激光测距模块测量计算“距离”值与实际距离值H0有差别，得到“距离”值为H：
H＝C*t1/n1+C*t3/n1(3)
式(1)与式(2)可得：t2＝t3*n1/n2；
式(1)与式(3)可得：H-H0＝C*t3/n2*(n2-n1)/n1＝h2*(n2-n1)/n1
即h2＝n1*(H-H0)/(n2-n1)。
由上可知，已知空气折射率n1＝1.0003、透明液体折射率n2、空距h1高度信息，再用激光测距测量计算“距离”值H，即可计算出液体的高度信息h2。
本发明的有益效果是：与使用浮子反射的激光液位计相比，具有结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。
(二)透明液体折射率测量
同理可知：
式(1)与式(2)可得：n2＝t3*n1/t2；
式(1)与式(3)可得：H-H0＝C*t3/n2*(n2-n1)/n1＝h2*(n2-n1)/n1
即n2＝n1*(H-H0)/h2+n1。
由上可知，空气折射率n1＝1.0003，可以用米尺测量h1、h2高度信息，再用激光测距测量值“距离”H，即可计算出透明液体的折射率n2。
本发明的有益效果是：与传统使用角度来计算折射率相比，本发明将角度测量转化为距离的测量(测量激光传播的时间与光速之积得到距离)，很好地解决了角度的测量这一难点，且结构简单，测量方法快捷、成本低廉、测量精确度高，在工业生产中有实用意义。
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 (7)

1.一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置，包括外壳(10)和设置在外壳(10)内的电路系统，其特征在于：所述电路系统包括激光测距模块(1)、数字水平仪(2)、气泡水平仪(3)、角度调节仪(4)、微处理器(5)、显示模块(6)、存储器(7)、电源转换模块(8)、电池(9)，所述激光测距模块(1)、数字水平仪(2)、气泡水平仪(3)、角度调节仪(4)、显示模块(6)、存储器(7)、电源转换模块(8)均与微处理器(5)电性连接，所述电池(9)输出端与电源转换模块(8)电性连接；其中：
所述激光测距模块(1)计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器(5)；
所述微处理器(5)将收到的激光模块测量(1)的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块(6)，显示当期折射率测量值；
所述显示模块(6)固定在外壳(10)上部，用于显示当期液位高度和折射率测量值；
另外，角度调节仪(4)、数字水平仪(2)与内部微处理器(5)连接，判断本装置是否水平放置，气泡水平仪(3)用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪(2)、气泡水平仪(3)、角度调节仪(4)确保激光测距模块(1)的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°。
2.如权利要求1所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置，其特征在于：所述数字水平仪(2)采用ASIC器件，内置数字双轴倾角传感器，检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器(5)进行通信。
3.如权利要求1所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量装置，其特征在于：所述激光测距模块(1)发射器和接收器的几何中心相距2cm。
4.如权利要求1所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、当透明液面处于静止时，激光测距模块垂直向液面发射平行光束，激光测距模块计算发射的光束经过空气、透明液体的时间差，进而得到时间差，最后得到精确的距离发送给微处理器；
步骤2、微处理器将收到的激光模块测量的距离信息进行折射率计算，得到液体的折射率，并发送给显示模块；
步骤3、显示模块显示当期液位高度和折射率测量值。
5.如权利要求4所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，其特征在于，还包括：角度调节仪、数字水平仪判断本装置是否水平放置，气泡水平仪用于目测本装置放置的水平情况；数字水平仪、气泡水平仪、角度调节仪确保激光测距模块的激光光束与被测液面垂直，保证光束传播距离最短，入射角、反射角约等于0°。
6.如权利要求4所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，其特征在于：所述激光测距模块发射器和接收器的几何中心相距2cm。
7.如权利要求5所述的一种基于激光测距的透明液体液位和折射率测量方法，其特征在于：所述数字水平仪检测X轴、Y轴的细微倾角变化，通过串口与微处理器进行通信。
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