CN113252142A - 一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法。该系统包括：光纤飞秒激光器、泵浦光路、探测光路、太赫兹探测器、采集卡以及计算机；光纤飞秒激光器通过两根光纤，将激光分别输入至泵浦光路以及探测光路；泵浦光路内的反射器与待测密闭容器相互平行，泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波，经反射器，垂直入射至待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至太赫兹探测器，并由太赫兹探测器将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至采集卡，采集卡将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至计算机内，并由计算机根据含有液位信息的太赫兹时域信号确定待测密闭容器的液位。本发明能够降低测量误差，提高白酒液位的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量领域，特别是涉及一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法。
背景技术
白酒是世界上最古老的馏出物之一，在中国占有不可替代的地位。数百年来，白酒一直是中国最受欢迎的酒精饮料之一，其销售收入仍在增长。近年来，为了满足高端白酒市场需求，不少白酒企业大量存储新酿制的白酒，以增加年份、改善口味、提升价值。因此，需要对存储库房大量白酒的状态进行监测，其中液位是其重要指标之一。由于中国绝大多数白酒都是采用几百～几千升的PE膜封口的瓦缸进行存储，对液位的测量方式和仪器提出了特殊的要求。首先，瓦缸易碎，因此需要使用非接触测量的方式；其次，PE膜能保证缸中白酒处于稳定状态，因此测量时不能移动；最后，有些白酒价值很高，因此需要低能量、高精度液位测量技术。目前，大多液位检测传感为接触式，比如压力式液位计、磁致伸缩液位计、浮子式传感器、电容式传感器、光纤液位计等，不能满足白酒液位量要求。非接触式液位检测传感有：超声波液位计、雷达液位计、微波液位计、光学液位计等，这类检测方式需要开启密封容器的PE膜，容易受到灰尘、蒸汽、气泡、液体的介电常数和温度变化的影响，导致测量误差，也不能满足白酒液位的测量要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法，以解决现有的非接触式液位检测方式测量误差，不能满足密闭容器中白酒液位的测量要求的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，包括：光纤飞秒激光器、泵浦光路、探测光路、太赫兹探测器、采集卡以及计算机；
所述光纤飞秒激光器通过两根光纤，将激光分别输入至所述泵浦光路以及所述探测光路；所述泵浦光路以及所述探测光路分别与所述太赫兹探测器相连接，所述太赫兹探测器、所述采集卡以及所述计算机依次相连接，所述计算机还与所述探测光路相连接；
所述泵浦光路内的反射器与待测密闭容器相互平行，所述泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波，经所述反射器，垂直入射至所述待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述太赫兹探测器，并由所述太赫兹探测器将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述采集卡，所述采集卡将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机内，并由所述计算机根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号确定所述待测密闭容器的液位。
可选地，输入至所述泵浦光路的激光功率为60mw，输入至所述探测光路的激光功率为20mw。
可选地，所述太赫兹探测器具体包括：光导天线、电流放大器以及锁相放大器；
所述反射器输出的太赫兹波通过所述光导天线上的硅透镜聚焦在所述光导天线的背面，所述探测光路输出的激光照射在所述光导天线正面的间隙上，所述光导天线的电极上形成的电流通过所述电流放大器输出到所述锁相放大器中，所述锁相放大器将电流信号输出到采集卡，并由所述采集卡将所述电流信号以及所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机，由所述计算机采集得到太赫兹时域波形。
可选地，所述探测光路包括长程延迟线以及短程延迟线；
所述长程延迟线分别与所述短程延迟线以及所述计算机相连接；所述长程延迟线用于对所述计算机采集的太赫兹时域波形进行粗扫，确定所述太赫兹时域波形的主峰位置以及反射峰位置；
所述短程延迟线还分别与所述太赫兹探测器以及所述计算机相连接；所述短程延迟线用于在所述主峰位置以及所述反射峰位置进行微扫，以提高扫描的精度。
一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法应用于一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，包括：光纤飞秒激光器、泵浦光路、探测光路、太赫兹探测器、采集卡以及计算机；所述光纤飞秒激光器通过两根光纤，将激光分别输入至所述泵浦光路以及所述探测光路；所述泵浦光路以及所述探测光路分别与所述太赫兹探测器相连接，所述太赫兹探测器、所述采集卡以及所述计算机依次相连接，所述计算机还与所述探测光路相连接；所述泵浦光路内的反射器与所述待测密闭容器相互平行，所述泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波，经所述反射器，垂直入射至所述待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述太赫兹探测器，并由所述太赫兹探测器将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述采集卡，所述采集卡将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机内，并由所述计算机根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号确定所述待测密闭容器的液位；
所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法包括：
将一个光学反射镜设于待测密闭容器的封口处，获取所述反射器与所述光学反射镜之间的距离以及空气折射率；所述光学反射镜与所述反射器平行；所述距离包括所述反射器内的发射源至所述反射器的发射边界之间的距离，以及所述发射边界至所述光学反射镜之间的距离；
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号；
去除所述光学反射镜，获取所述待测密闭容器的封口处的PE膜的PE膜厚度、PE膜折射率、所述待测密闭容器内乙醇气体的折射率以及白酒的折射率；
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号；
根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号以及所述太赫兹时域参考信号确定所述待测密闭容器的液位。
可选地，所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号，具体包括：
利用所述反射器输出的太赫兹波垂直入射所述光学反射镜，由所述计算机设定所述探测光路内长程延迟线的扫描行程以及扫描补偿，确定所述计算机采集的太赫兹时域信号的峰值位置；
根据所述峰值位置重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长；
基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号。
可选地，所述基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号，具体包括：
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定所述反射器内部的传播系数；
根据所述传播系数以及所述光学反射镜的折射率确定太赫兹频域参考信号；
对所述太赫兹频域参考信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域参考信号。
可选地，所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号，具体包括：
利用所述反射器输出的太赫兹波垂直入射所述待测密闭容器，由所述计算机设定所述探测光路内长程延迟线的扫描行程以及扫描补偿，确定所述计算机采集的太赫兹时域信号的峰值位置以及反射峰位置；
根据所述峰值位置以及所述反射峰位置重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长；
基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号；
可选地，所述基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号，具体包括：
获取所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统内输入至所述反射器的第一太赫兹波；
所述第一太赫兹波经过所述距离后抵达空气-PE膜界面产生透射，确定第二太赫兹波，并根据所述空气折射率、所述距离以及所述PE膜折射率确定空气内部的传播系数以及空气-PE界面的透射系数；
所述第二太赫兹波经过所述PE膜后抵达PE膜-乙醇气体界面产生透射，确定第三太赫兹波，并根据所述PE膜厚度以及乙醇气体的折射率确定PE膜内部的传播系数以及PE膜-乙醇气体界面的透射系数；
所述第三太赫兹波经过所述乙醇气体后抵达乙醇气体-白酒界面产生反射，确定第四太赫兹波，并根据所述白酒折射率以及所述乙醇气体的距离确定所述乙醇气体内部的传播系数以及乙醇气体-白酒界面的反射系数；所述乙醇气体的距离为所述待测密闭容器的液位；
所述第四太赫兹波经过所述乙醇气体抵达乙醇气体-PE膜界面产生透射，确定透过所述乙醇气体-PE界面的第五太赫兹波，并根据所述PE膜折射率以及所述乙醇气体的折射率确定所述乙醇气体-PE膜界面的透射系数；
所述第五太赫兹波经过所述PE膜抵达PE膜-空气界面产生透射，确定透过所述PE膜-空气界面的第六太赫兹波，并根据所述PE膜的折射率以及所述空气折射率确定所述PE膜-空气界面的透射系数；
所述第六太赫兹波经过空气返回至所述反射器，确定含有液位信息的太赫兹频域信号；
对所述含有液位信息的太赫兹频域信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域信号。
可选地，所述根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号以及所述太赫兹时域参考信号确定所述待测密闭容器的液位，具体包括：
确定所述含有液位信息的太赫兹时域信号相对于所述太赫兹时域参考信号的时域光谱的移动信息；
根据所述移动信息确定所述待测密闭容器的液位。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法，直接通过泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波经反射器，垂直入射至待测密闭容器中，将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至太赫兹探测器中，最后由计算机分析得到待测密闭容器的液位，整个测量过程无需开启待测密闭容器的密封膜，仅依据携带液位信息的太赫兹时域信息即可直接得到待测密闭容器的液位，不受灰尘、蒸汽、气泡、液体的介电常数和温度变化的影响，从而降低了测量误差，提高了密闭容器中白酒液位的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统结构图；
图2为本发明所提供的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法流程图；
图3为本发明所提供的参考信号测量模型示意图；
图4为本发明所提供的白酒液位测量模型示意图；
图5为本发明所提供的延迟时间与液位之间的关系图；
图6为本发明所提供的测试结果的绝对误差和相对误差的关系图。
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做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。
本发明的目的是提供一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及方法，能够降低测量误差，提高密闭容器中白酒液位的测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统结构图，如图1所示，一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，包括：光纤飞秒激光器1、泵浦光路2、探测光路3、太赫兹探测器4、采集卡5以及计算机6；所述光纤飞秒激光器1通过两根光纤，将激光分别输入至所述泵浦光路2以及所述探测光路3；所述泵浦光路2以及所述探测光路3分别与所述太赫兹探测器4相连接，所述太赫兹探测器4、所述采集卡5以及所述计算机6依次相连接，所述计算机6还与所述探测光路3相连接；所述泵浦光路2内的反射器2-2与待测密闭容器相互平行，所述泵浦光路2内太赫兹源2-1输出的太赫兹波，经所述反射器2-2，垂直入射至所述待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述太赫兹探测器4，并由所述太赫兹探测器4将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述采集卡5，所述采集卡5将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机6内，并由所述计算机6根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号确定所述待测密闭容器的液位。
光纤飞秒激光器1通过两根光纤输出1550nm的光到探测光路3以及泵浦光路2，输出到探测光路3的功率约为20mw，输出到泵浦光路2的功率约为60mw。
泵浦光路2由太赫兹源2-1和反射器2-2组成；所述太赫兹源2-1，通过光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹探测器4中的锁相放大器会输出的一定频率的TTL信号，经放大后为光导天线提供100V左右的偏置电压；所述反射器2-2，由三个太赫兹反射镜和一个太赫兹分束镜构成，可以将太赫兹源2-1输出的太赫兹波垂直入射到密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号收集输出到太赫兹探测器4。
探测光路3由两个延迟线构成，分别为长程延迟线3-1和短程延迟线3-2，长程延迟线3-1有1米以上的行程，可以进行粗扫，得到太赫兹光谱主峰和反射峰的位置；短程延迟线3-2有20厘米左右的行程，精度高，可在主峰及反射峰的位置进行微扫，以提高扫描的精度。
太赫兹探测器4由光导天线、电流放大器和锁相放大器构成，反射器2-2输出的太赫兹波通过光导天线上的硅透镜聚焦在光电导天线的背面，探测光路3输出的光照射在光电导天线正面的间隙上，光导天线电极上形成的微弱电流通过电流放大器输出到锁相放大器中，锁相放大器将电流信号输出到采集卡5，采集卡5将数据传入计算机6，通过计算机6的软件得到包含液位信息的太赫兹时域波形。
利用太赫兹波的皮秒量级脉宽、对无机材料的高穿透能力、毫电子伏特的光子能量等优势，采用反射式太赫兹时域光谱技术，设计一种非接触、无损、高灵敏度、高精度的白酒液位测量系统，该系统可实现密闭容器中白酒液位的测量，具有非接触、无损、精度高、灵敏度高、误差小的优点，可获得米量级的液位变化范围和微米量级的液位精度。
图2为本发明所提供的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法流程图，如图2所示，一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法应用于上述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法包括：
步骤201：将一个光学反射镜设于待测密闭容器的封口处，获取所述反射器与所述光学反射镜之间的距离以及空气折射率；所述光学反射镜与所述反射器平行；所述距离包括所述反射器内的发射源至所述反射器的发射边界之间的距离，以及所述发射边界至所述光学反射镜之间的距离。
步骤202：基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号。
在待测液位的酒桶外顶部的封口同一平面的位置处放置一个光学反射镜，光学反射镜与地面平行，使反射器输出的太赫兹垂直入射光学反射镜，由计算机中的软件设置长程延迟线扫描行程和步长进行粗扫，得到太赫兹时域信号的峰值位置，根据太赫兹时域信号的峰值位置设置长程延迟线和短程延迟线的扫描行程和步长，进行一次完整扫描，确定测量系统的参考信号。
所述确定测量系统的参考信号具体包括：
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定所述反射器内部的传播系数；根据所述传播系数以及所述光学反射镜的折射率确定太赫兹频域参考信号；对所述太赫兹频域参考信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域参考信号。
步骤203：去除所述光学反射镜，获取所述待测密闭容器的封口处的PE膜的PE膜厚度、PE膜折射率、所述待测密闭容器内乙醇气体的折射率以及白酒的折射率。
步骤204：基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号。
使反射器输出的太赫兹波垂直入射待测密闭容器(例如酒桶)，由计算机中的软件设置长程延迟线扫描行程和步长进行粗扫，得到太赫兹时域信号的主峰位置和反射峰位置，根据太赫兹时域信号的主峰位置和反射峰位置，设置长程延迟线和短程延迟线的扫描行程和步长，进行一次完整扫描，确定含白酒液位信息的太赫兹时域信号。
所述确定含白酒液位信息的太赫兹时域信号具体包括：获取所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统内输入至所述反射器的第一太赫兹波；所述第一太赫兹波经过所述距离后抵达空气-PE膜界面产生透射，确定第二太赫兹波，并根据所述空气折射率、所述距离以及所述PE膜折射率确定空气内部的传播系数以及空气-PE界面的透射系数；所述第二太赫兹波经过所述PE膜后抵达PE膜-乙醇气体界面产生透射，确定第三太赫兹波，并根据所述PE膜厚度以及乙醇气体的折射率确定PE膜内部的传播系数以及PE膜-乙醇气体界面的透射系数；所述第三太赫兹波经过所述乙醇气体后抵达乙醇气体-白酒界面产生反射，确定第四太赫兹波，并根据所述白酒折射率以及所述乙醇气体的距离确定所述乙醇气体内部的传播系数以及乙醇气体-白酒界面的反射系数；所述乙醇气体的距离为所述待测密闭容器的液位；所述第四太赫兹波经过所述乙醇气体抵达乙醇气体-PE膜界面产生透射，确定透过所述乙醇气体-PE界面的第五太赫兹波，并根据所述PE膜折射率以及所述乙醇气体的折射率确定所述乙醇气体-PE膜界面的透射系数；所述第五太赫兹波经过所述PE膜抵达PE膜-空气界面产生透射，确定透过所述PE膜-空气界面的第六太赫兹波，并根据所述PE膜的折射率以及所述空气折射率确定所述PE膜-空气界面的透射系数；所述第六太赫兹波经过空气返回至所述反射器，确定含有液位信息的太赫兹频域信号；对所述含有液位信息的太赫兹频域信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域信号。
步骤205：根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号以及所述太赫兹时域参考信号确定所述待测密闭容器的液位。
所述步骤205具体包括：确定所述含有液位信息的太赫兹时域信号相对于所述太赫兹时域参考信号的时域光谱的移动信息；根据所述移动信息确定所述待测密闭容器的液位。
在实际应用中，确定测量系统的参考信号时建立参考信号测量模型，图3为本发明所提供的参考信号测量模型示意图，如图3所示，在反射器的下端安装一个反射率为Rm的光学反射镜，输入反射器的第一太赫兹波Ei(ω)经反射镜后输出。
反射器输入和输出的太赫兹波距离反射镜的高度为h，空气折射率为
。根据菲涅尔公式，反射器内部的传播系数Pa(ω,2h)为：
其中，i复数，ω为角频率，c为光速。则反射器输出的频域参考信号Er(ω)为：
Er(ω)＝RmEi(ω)Pa(ω,2h) (2)
忽略频率对折射率的影响，对Er(ω)进行傅里叶逆变换，可得：
其中，na为空气的平均折射率。由公式(3)可知：与输入反射器的太赫兹时域信号Ei(t)相比，反射器输出的太赫兹时域参考信号Er(t)右移2nah/c，即
幅度衰减Rm。
确定含白酒液位信息的太赫兹时域信号时建立白酒液位测量模型，图4为本发明所提供的白酒液位测量模型示意图，如图4所示，输入反射器的第一太赫兹波为Ei(ω)，垂直入射且经过四种不同介质后返回到反射器，反射器输出太赫兹波为Eo(ω)。
Ei(ω)经过长度为h+da的空气后抵达空气-PE膜界面产生透射，PE膜的折射率为
，透过空气-PE膜界面的第二太赫兹波为Eap(ω)。空气内部的传播系数Pa(ω,h+da)和空气-PE膜界面的透射系数Tap(ω)分别为：
Eap(ω)经过厚度为dp的PE膜后抵达PE膜-乙醇气体界面产生透射，乙醇气体的折射率为
透过PE膜-乙醇气体界面的第三太赫兹波为Epe(ω)。PE膜内部的传播系数Pp(ω,dp)和PE膜-乙醇气体界面的透射系数Tpe(ω)分别为：
Epe(ω)经过液位为de的乙醇气体后抵达乙醇气体-白酒界面产生反射，白酒的折射率为
乙醇气体-白酒界面反射的第四太赫兹波为Ele(ω)。乙醇气体内部的传播系数Pe(ω,de)和乙醇气体-白酒界面的反射系数Rel(ω)分别为：
Ele(ω)再次经过乙醇气体抵达乙醇气体-PE膜界面产生透射，透过乙醇气体-PE膜界面的第五太赫兹波为Eep(ω)，乙醇气体-PE膜界面的透射系数Tep(ω)为：
Eep(ω)再次经过PE膜抵达PE膜-空气界面产生透射，透过PE膜-空气界面的第六太赫兹波为Epa(ω)，PE膜-空气界面的透射系数Tpa(ω)为：
最后，Epa(ω)再次经过空气返回反射器，空气内部的传播系数也为Pa(ω,h+da)。反射器输出太赫兹波为Eo(ω)。
综合公式(4)～(11)：
忽略频率对折射率的影响，公式(12)可简化为：
其中，np为PE膜的折射率，ne为乙醇气体的折射率，nl为白酒的折射率，k为常数。
对Eo(ω)进行傅里叶逆变换，可得：
由公式(14)可知：Eo(t)与Ei(t)相比，时域光谱右移2(nah+nada+npdp+nede)/c，幅度衰减了k。Eo(t)与Er(t)相比，时域光谱右移2(nada+npdp+nede)/c。其中，na、da、np、dp、ne为已知量，仅液位de为未知量，而液位de可以根据光谱的右移计算得出。
基于本发明所提供的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统及系统，以内径为116.19mm、高度为300mm的圆柱状玻璃器皿作为容器，用0.1mm厚的PE膜封口。从液位de1＝120mm开始，采用移液枪往玻璃器皿中每次注入10mL的白酒，每次液位变化量Δde＝-0.943mm。采用反射式THz-TDS系统，分别获得其时域光谱，直至液位de119＝7.766mm。采用线性拟合方程y＝a+bx获得了延迟时间与液位之间的关系，如图5所示，其中，a＝6.85，b＝0.15，R2＝1。获得了测试结果的绝对误差和相对误差，如图6所示。结果表明：液位测量绝对误差<±0.04mm，相对误差<0.2％。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，其特征在于，包括：光纤飞秒激光器、泵浦光路、探测光路、太赫兹探测器、采集卡以及计算机；
所述光纤飞秒激光器通过两根光纤，将激光分别输入至所述泵浦光路以及所述探测光路；所述泵浦光路以及所述探测光路分别与所述太赫兹探测器相连接，所述太赫兹探测器、所述采集卡以及所述计算机依次相连接，所述计算机还与所述探测光路相连接；
所述泵浦光路内的反射器与待测密闭容器相互平行，所述泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波，经所述反射器，垂直入射至所述待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述太赫兹探测器，并由所述太赫兹探测器将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述采集卡，所述采集卡将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机内，并由所述计算机根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号确定所述待测密闭容器的液位。
2.根据权利要求1所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，其特征在于，输入至所述泵浦光路的激光功率为60mw，输入至所述探测光路的激光功率为20mw。
3.根据权利要求1所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，其特征在于，所述太赫兹探测器具体包括：光导天线、电流放大器以及锁相放大器；
所述反射器输出的太赫兹波通过所述光导天线上的硅透镜聚焦在所述光导天线的背面，所述探测光路输出的激光照射在所述光导天线正面的间隙上，所述光导天线的电极上形成的电流通过所述电流放大器输出到所述锁相放大器中，所述锁相放大器将电流信号输出到采集卡，并由所述采集卡将所述电流信号以及所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机，由所述计算机采集得到太赫兹时域波形。
4.根据权利要求3所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，其特征在于，所述探测光路包括长程延迟线以及短程延迟线；
所述长程延迟线分别与所述短程延迟线以及所述计算机相连接；所述长程延迟线用于对所述计算机采集的太赫兹时域波形进行粗扫，确定所述太赫兹时域波形的主峰位置以及反射峰位置；
所述短程延迟线还分别与所述太赫兹探测器以及所述计算机相连接；所述短程延迟线用于在所述主峰位置以及所述反射峰位置进行微扫。
5.一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法应用于一种密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，包括：光纤飞秒激光器、泵浦光路、探测光路、太赫兹探测器、采集卡以及计算机；所述光纤飞秒激光器通过两根光纤，将激光分别输入至所述泵浦光路以及所述探测光路；所述泵浦光路以及所述探测光路分别与所述太赫兹探测器相连接，所述太赫兹探测器、所述采集卡以及所述计算机依次相连接，所述计算机还与所述探测光路相连接；所述泵浦光路内的反射器与所述待测密闭容器相互平行，所述泵浦光路内太赫兹源输出的太赫兹波，经所述反射器，垂直入射至所述待测密闭容器中，并将含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述太赫兹探测器，并由所述太赫兹探测器将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述采集卡，所述采集卡将所述含有液位信息的太赫兹时域信号输入至所述计算机内，并由所述计算机根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号确定所述待测密闭容器的液位；
所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法包括：
将一个光学反射镜设于待测密闭容器的封口处，获取所述反射器与所述光学反射镜之间的距离以及空气折射率；所述光学反射镜与所述反射器平行；所述距离包括所述反射器内的发射源至所述反射器的发射边界之间的距离，以及所述发射边界至所述光学反射镜之间的距离；
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号；
去除所述光学反射镜，获取所述待测密闭容器的封口处的PE膜的PE膜厚度、PE膜折射率、所述待测密闭容器内乙醇气体的折射率以及白酒的折射率；
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号；
根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号以及所述太赫兹时域参考信号确定所述待测密闭容器的液位。
6.根据权利要求5所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号，具体包括：
利用所述反射器输出的太赫兹波垂直入射所述光学反射镜，由所述计算机设定所述探测光路内长程延迟线的扫描行程以及扫描补偿，确定所述计算机采集的太赫兹时域信号的峰值位置；
根据所述峰值位置重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长；
基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号。
7.根据权利要求6所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，根据所述距离以及所述空气折射率确定太赫兹时域参考信号，具体包括：
基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离以及所述空气折射率确定所述反射器内部的传播系数；
根据所述传播系数以及所述光学反射镜的折射率确定太赫兹频域参考信号；
对所述太赫兹频域参考信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域参考信号。
8.根据权利要求5所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统，根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号，具体包括：
利用所述反射器输出的太赫兹波垂直入射所述待测密闭容器，由所述计算机设定所述探测光路内长程延迟线的扫描行程以及扫描补偿，确定所述计算机采集的太赫兹时域信号的峰值位置以及反射峰位置；
根据所述峰值位置以及所述反射峰位置重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长；
基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号。
9.根据权利要求8所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述基于重新设定所述长程延迟线以及所述探测光路内短程延迟线的扫描行程以及扫描步长进行微扫，并根据所述距离、所述空气折射率、所述PE膜厚度、所述PE膜折射率、所述乙醇气体的折射率以及所述白酒的折射率确定含有液位信息的太赫兹时域信号，具体包括：
获取所述基于所述密闭容器中白酒液位的非接触式测量系统内输入至所述反射器的第一太赫兹波；
所述第一太赫兹波经过所述距离后抵达空气-PE膜界面产生透射，确定第二太赫兹波，并根据所述空气折射率、所述距离以及所述PE膜折射率确定空气内部的传播系数以及空气-PE界面的透射系数；
所述第二太赫兹波经过所述PE膜后抵达PE膜-乙醇气体界面产生透射，确定第三太赫兹波，并根据所述PE膜厚度以及乙醇气体的折射率确定PE膜内部的传播系数以及PE膜-乙醇气体界面的透射系数；
所述第三太赫兹波经过所述乙醇气体后抵达乙醇气体-白酒界面产生反射，确定第四太赫兹波，并根据所述白酒折射率以及所述乙醇气体的距离确定所述乙醇气体内部的传播系数以及乙醇气体-白酒界面的反射系数；所述乙醇气体的距离为所述待测密闭容器的液位；
所述第四太赫兹波经过所述乙醇气体抵达乙醇气体-PE膜界面产生透射，确定透过所述乙醇气体-PE界面的第五太赫兹波，并根据所述PE膜折射率以及所述乙醇气体的折射率确定所述乙醇气体-PE膜界面的透射系数；
所述第五太赫兹波经过所述PE膜抵达PE膜-空气界面产生透射，确定透过所述PE膜-空气界面的第六太赫兹波，并根据所述PE膜的折射率以及所述空气折射率确定所述PE膜-空气界面的透射系数；
所述第六太赫兹波经过空气返回至所述反射器，确定含有液位信息的太赫兹频域信号；
对所述含有液位信息的太赫兹频域信号进行傅里叶逆变换，确定太赫兹时域信号。
10.根据权利要求5所述的密闭容器中白酒液位的非接触式测量方法，其特征在于，所述根据所述含有液位信息的太赫兹时域信号以及所述太赫兹时域参考信号确定所述待测密闭容器的液位，具体包括：
确定所述含有液位信息的太赫兹时域信号相对于所述太赫兹时域参考信号的时域光谱的移动信息；
根据所述移动信息确定所述待测密闭容器的液位。
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