CN115112202B - 一种液位、容量测量方法、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液位、容量测量方法、设备和存储介质，所述测量方法使用激光对液位高度进行间接测量；所述间接测量通过测量多个辅助对象，进一步通过辅助对象计算得到液位高度；所述测量方法修正了激光在不同介质中传播时产生的变化对测距的不利影响，实现激光测距能够在不同透明介质组合中测量透明液体液位高度、容器容量、液体储量的效果，特别是对已盛有透明液体的容器容量测量和液体储量的测量；所述测量方法具有无接触、高精度、易于实施、抗干扰能力强、成本低廉的特点，并且实现对透明液体液位、储量变化的动态监测效果。

Description

一种液位、容量测量方法、设备和存储介质

技术领域

本发明涉及液体测量技术领域，特别是涉及一种非接触式液体液位高度、容器容量、液体储量的测量方法、液体储量的测量方法以及相关设备、存储介质。

背景技术

液位测量是指用一定的方法对液体的高度进行测量，在工农业生产中，液位是一个很重要的参数，由液位结合其他参数可以推算出液体的存储量、质量等信息；在存储、运输液体介质过程中，也需要监测液位，以判断是否有溢出或泄露等意外发生。因此，液位测量广泛应用于石油、化工、医药、食品饮料、水文地质、城市排水等生产生活领域。

现阶段的液位检测可分为接触式和非接触式两种方法。接触式液位计容易受到液体性质的影响发生锈蚀、腐蚀等，也容易因为接触造成对液体的接触污染；同时在实施上也面临不易实施等问题。

在非接触式的检测装置中，目前有超声波，红外线、激光等液位测量仪表。其中超声波具有代表性，超声波液位测量仪表具有非接触的特点，性能可靠，具有实用价值，因而成为液位检测仪表的一个发展方向，在国内外均得到较为光泛而深入的研究和应用。但是，超声波受温度变化影响较大、模拟量转换精度不足，受检测液面的波动、周围环境影响等因素的制约，超声波液位测量仪表难以达到稳定的高精度测量，而且量程范围越大精度制约因素越多，应用实施的要求高、难度大。

激光式测量则是由激光光源向被测液面发射激光，经反射后接收反射光，测量出从发射到接收的时间差、相位差等方式计算出测量的距离。由于激光的指向性好、聚焦好，测量的稳定度和量程以及精度都很高，而且激光式测量仪表体积小、易携带、非常容易实施。但是由于激光会穿过透明液体，因此激光式测量常用于测量不透明液体，对于透明液体液面的测量常借助在液面上或液面下放置可反射参照物等方式来完成，这样的方式对于环境制约较多的场景也不易使用和实施。

在实际应用中，急需一种对透明液体，如：含酒精饮料、汽油、液态天然气等实现低成本、高精度、非接触式的液位测量方法，以较低的成本解决能适应透明特征和满足液体存储、运输等恶劣环境条件的液位测量方法，并将其推向实用化。

发明内容

本发明为所要解决的技术问题是提供一种液位、容量测量方法、设备和存储介质，具有无接触、高精度、易于实施、抗干扰能力强、成本低廉的特点，并且实现对透明液体液位、储量变化的动态监测，是一种适用场景广泛的液位、容量、储量测量技术解决方案。

由于光线能够穿过透明物体会发生折射现象，激光测距的位置和数值存大较大偏差，因此传统激光测距方案存在不能对透明物体进行测量的偏见。

本发明的技术解决方案利用光的传播特性，同时采用技术方案修正光线在不同介质中传播时产生的变化对测距的不利影响，达到使激光测距能够在不同透明介质组合中测量的效果，从而实现对液位、容量、储量的测量。

本发明提供了一种液位测量方法，技术原理如下：

光线从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，根据折射定律，光从真空射入某种介质发生折射时，入射角α_(x)的正弦与出射角β_(x)的正弦之比叫做这种介质的绝对折射率，简称折射率，折射率常用符号n表示，

n＝sinα_(x)/sinβ_(x)；

进一步光从气体射入液体发生折射时，

n_液体/n_气体＝sinα_(x)/sinβ_(x)；

公式中n_气体为光在气体中的折射率，n_液体为光在液体中的折射率；

如果取n_气体的值为1.0，则可进一步简化公式：n_液体＝sinα_(x)/sinβ_(x)。

根据折射定律，某介质的折射率，等于光在真空中的速度c与光在介质中的速度v之比，n＝c/v；

根据n＝c/v可推导出根据速度距离公式s＝vt，进一步推导出

使用激光测距模块进行距离测量，激光测距模块可根据激光反射原理，采用如：脉冲法、三角法、相位法等方法进行测量，激光测距模块基准数值在气体环境中标定。

假设用激光测距模块分别在气体和液体中测量距离为H的AB两点间的距离，则在气体中AB两点间的测量数值为H，在液体中AB两点间的测量数值为Y；由于激光光束在液体中的传播速度和在气体中的传播速度不同，设激光光束在液体中传播的时间为t_液体，激光光束在气体中传播的时间为t_气体；根据速度距离公式s＝vt，因为激光测距模块的速度指标不变，

所以，

所以，代入/>

可推导出，激光测距模块在透明液体中测量数值的修正公式：

H＝Y·n_气体/n_液体

如果取n_气体的值为1.0，则可进一步简化公式为：H＝Y/n_液体。

如图1所示，以测量过程在同一纵截面上发生为例进行说明；有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为气体B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；容器上方有测量点O，位于气体B01环境中，测量点O至液面B03的距离为Kd，即Kd为测量点O的离液高度，测量点O至容器底部上表面的距离为Kt，即Kt为测量点O的离底高度；液面B03至容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度；激光光束B111从测量点O竖直向下射入容器底部上表面的点A，在点A发生反射，与液面B03垂直相交于点C；激光光束B112从测量点O斜射入容器底部上表面的点B，在点B发生反射，与液面B03相交于点D，在点D进入液体时发生折射；激光光束B112在点D进入液体B02的入射角为α_(x)、折射角为β_(x)；激光测距模块发出激光光束的测距数值为CL，其中激光光束在气体B01部分的测量数值为CL1、激光光束在液体B02部分的测量数值为CL2，CL＝CL1+CL2。

本发明提供了第一种液位测量方法，技术解决方案如下：

由于离液高度Kd段位于液面上，容易采用常规方法完成测量，因此本方法以离液高度Kd为测量的辅助对象，假设离液高度Kd的值为已知条件，推导出液位计算公式。

推导过程如下：

测量方式A：任意角度方式测量。

任意角度测量是指：使用激光测距模块从测量点O以任意角度发射激光光束B112对透明液体进行测量，测量时使激光光束B112斜射向容器底部上表面的点B，在点B形成反射，获得激光测距数值CL；使用角度测量模块测量激光光束B112在入射点D的入射角度，入射角度数值等于激光光束B112与竖直向下的直线的夹角角度值α_(x)。

根据余弦函数可推导出激光光束在气体B01部分的激光测距数值CL1，CL1＝Kd/cosα_(x)。

根据折射率公式：n_液体/n_气体＝sinα_(x)/sinβ_(x)，计算出折射角β_(x)的数值。

进一步激光光束B112在液体B02部分的激光测距数值CL2需要进行修正，根据激光测距模块在透明液体中测距的修正公式H＝Y·n_气体/n_液体，可得推导出激光测距数值CL2的修正数值为CL2·n_气体/n_液体；根据余弦函数可计算出液位高度Kh的数值：

Kh＝(CL2·n_气体/n_液体)·cosβ_(x)

即：

Kh＝((CL-Kd/cosα_(x))·n_气体/n_液体)·cosβ_(x)

由此推导出液位计算公式一：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_气体/n_液体

进一步，如果取n_气体的值为1.0，则液位计算公式一简化为液位计算公式二：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)/n_液体

公式中，Kh为液位高度，CL为测量点O至液体底面的激光测距数值，Kd为测量点O至液面的离液高度，α_(x)为激光光束与竖直向下方向的夹角角度，折射角度β_(x)可将α_(x)代入折射率公式计算得出。

测量方式B：近似竖直向下测量。

近似竖直向下测量是指：激光光束方向与竖直向下方向保持一个很小的偏角，仅使激光测距模块接收端能避开液面反射的激光光束，由于激光光束入射角度和折射角度近似为0，入射线和折射线几乎在一条直线上。使用激光测距模块从测量点O近似竖直向下方向发射激光光束B111射入容器底部上表面点A，在点A形成反射，获得激光测距数值CL。

此时激光光束在空气B01部分的激光测距数值CL1等于数值Kd，根据已知的数值Kd，可以计算出激光光束B111在液体B02中的激光测距数值CL2，CL2＝CL-Kd。

进一步根据激光测距模块在透明液体中测距的修正公式H＝Y·n_气体/n_液体，可推导出液位计算公式三，

Kh＝(CL-Kd)·n_气体/n_液体

另一种推导方法：由于此种情况下入射角α_(x)和折射角β_(x)都为0，将α_(x)和β_(x)的值代入上述推导出的激光测距模块液位计算公式一，也可计算出液位高度Kh的数值，

Kh＝(CL-Kd)·n_气体/n_液体

进一步如果取n_气体的值为1.0，则可简化为液位计算公式四：Kh＝(CL-Kd)/n_液体。

以上液位计算方法需要先测量离液高度Kd的值，如果液位高度发生变化，再次测量液位高度需要重新测量离液高度Kd的值。

本发明提供了第二种液位测量方法，技术解决方案如下：

由于测量点O位置固定，本方法以离底高度Kt为测量的辅助对象，假设离底高度Kt的值为已知条件，推导出液位计算公式。

测量点O至容器底部上表面的离底高度Kt相对固定，只要测量点O不发生变化，离底高度Kt就不会发生变化；因此可以在计算公式中用离底高度Kt替换第一种液位测量方法中离液高度Kd，如果液位高度发生变化，再次测量液位高度时不用再次测量离底高度Kt的数值；离底高度Kt作为辅助对象代入测量计算公式，可以更有效的应对液面发生变化时的动态液位监测需求。

推导过程如下：

测量方式C：任意角度方式测量。

任意角度测量是指：使用激光测距模块从测量点O发射任意角度激光光束B112对透明液体进行测量，测量时使激光光束B112射向容器底部上表面的点B，获得激光测距数值CL；由于激光光束B112斜射入液面进入液体，因此需要使用角度测量模块测量激光光束B112在入射点D的入射角度，入射角度数值等于激光光束B112与竖直向下的直线的夹角角度值α_(x)。

根据折射率公式：n_液体/n_气体＝sinα_(x)/sinβ_(x)，计算出折射角β_(x)的数值。

进一步激光光束B112在液体B02部分的激光测距数值CL2需要进行修正，根据激光测距模块在透明液体中测距的修正公式H＝Y·n_气体/n_液体，可得推导出激光测距数值CL2的修正数值为CL2·n_气体/n_液体；根据余弦函数可计算出液位高度Kh的数值：

Kh＝(CL2·n_气体/n_液体)·cosβ_(x)

进一步激光光束B112在气体B01部分的激光测距数值CL1，根据余弦函数可计算出测量点O离液高度Kd的数值：

Kd＝CL1·cosα_(x)

因为：CL＝CL1+CL2，Kd＝Kt-Kh，

代入可得：

CL＝(Kt-Kh)/cosα_(x)+(Kh/cosβ_(x))·n_液体/n_气体

由此推导出液位计算公式五：

进一步，如果取n_气体的值为1.0，则简化为液位计算公式六：

公式中，Kh为液位高度，CL为测量点O至液体底面的激光测距数值，Kt为测量点O的离底高度，α_(x)为激光光束与竖直向下方向的夹角角度，折射角度β_(x)可将α_(x)代入折射率公式计算得出。

测量方式D：近似竖直向下测量。

近似竖直向下测量是指：激光光束方向与竖直向下方向保持一个很小的偏角，仅使激光测距模块接收端能避开液面的激光反射光线，由于激光光束入射角度和折射角度近似为0，入射线和折射线几乎在一条直线上。使用激光测距模块从测量点O近似竖直向下发射激光光束B111射入容器底部上表面点A，在点A形成反射，获得激光测距数值CL。

此时激光光束在空气B01部分的激光测距数值CL1等于数值Kd，由于Kt＝Kd+Kh、CL＝CL1+CL2；根据激光测距模块在透明液体中测距的修正公式H＝Y·n_气体/n_液体，则CL2＝Kh·n_气体/n_液体；

可推导出：

Kh＝Kt-(CL-Kh·n_气体/n_液体)

化简后可推导出液位计算公式七:

Kh＝(CL-Kt)·n_气体/(n_液体-n_气体)

另一种推导方法：由于此种情况下入射角α_(x)和折射角β_(x)都为0，将α_(x)和β_(x)的值代入上述推导出的激光测距模块液位计算公式二，也可计算出液位高度Kh的数值，

Kh＝(CL-Kt)·n_气体/(n_液体-n_气体)

进一步如果取n_气体的值为1.0，则可简化为液位计算公式八：

Kh＝(CL-Kt)/(n_液体-1)

可选的，第二种液位测量方法使用第一种液位测量方法计算出初始液面高度Kh，再用初始液面高度Kh加上测量点O的离液高度Kd，得到测量点O的离底高度Kt；数值Kt作为第二种液位测量方法的辅助对象，用对应推导出的公式完成液位高度的测量计算；该技术方案当液位变化时不需要重新测量离底高度Kt，可以快速实现对液位变化的动态监测。

本发明提供了一种容量测量方法，技术解决方案如下：

对于已盛放液体的容器容量，以及容器中盛放的液体储量是目前工农业生产中及需要用到的生产数据，现有技术对于已盛放有透明液体的容器，特别是不规则容器容量的测量还缺少有效的技术解决方案，本发明提供了一种容量测量方法，可以对已盛放有透明液体的容器容量进行测量，除此之外还可以对容器中已盛放的透明液体储量进行测量。

在长度(左右)、高度(上下)、深度(纵深)三个维度构成的空间坐标系中，确定测量点O的位置；以点O为起始点的激光光束围绕点O在纵截面做上下自由度方向旋转，旋转角度记为θ(x)；激光光束围绕点O在横截面上做左右自由度方向旋转，旋转角度记为ω(x)；在纵截面上竖直向下方向为激光光束上下旋转方向的起始角度，即竖直向下方向角度值为0，θ(x)＝0；激光光束上下旋转至竖直向上方向时角度为180度，即激光光束上下旋转的角度θ(x)范围为0-180度；在横截面上取任意一条过点O的射线OQ作为激光光束左右旋转方向的起始线，即起始线上的激光光束角度值为0，ω(x)＝0；激光光束向右旋转直至旋转一圈后回到起点线位置，此时角度值为360度或0度，即激光光束左右旋转的角度ω(x)范围为0-360度。

如图2所示，在过测量点O的纵截面上，有盛放透明液体的不透明容器B04，穿过O点的竖直辅助线B91与液位平面B03垂直相交于点P2、并且与容器底部上表面相交于点Q1，容器内壁与液位平面相交的点Q3，容器左壁与容器底部上表面的连接点Q2，容器纵截面左壁与容器最大容纳液体量的液面相交于点Q4；激光光束B11从位于空气B01中的测量点O斜射向液面，与液面相交于点P1，并从点P1进入液体中发生折射，折射后的激光光束继续射向容器左壁上的被测点Q(θ,ω)形成反射，激光光束在P1点的入射角为θ_(x)，折射角为γ_(x)；被测点Q(θ,ω)与液位平面B03的距离为Za(x)，被测点Q(θ,ω)与点O所在的水平面的距离为Z(x)，被测点Q(θ,ω)与容器底部上表面的距离为Zh(x)，即Zh(x)为被测点Q(θ,ω)在容器内的高度；被测点Q(θ,ω)与过测量点O的竖直线的距离为R(x)；测量点O与穿过点P1的法线B93的距离为Rb(x)，穿过点P1的法线B93与穿过点Q(θ,ω)的竖直辅助线B95的距离为Ra(x)，测量点O与液位平面B03的离液距离为Kd，测量点O与容器底部上表面的离底高度为Kt，液位平面B03与容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度；激光测距模块从测量点O发出的激光光束测量数值为CL，其中位于空气B01中的激光光束段测量数值为CL1，位于液体B02中的激光光束段测量数值为CL2。

如图2所示，在过测量点O的纵截面上，激光光束扫描被测点Q(θ,ω)和测量点O的空间关系可以由被测点Q(θ,ω)与过点O的竖直线之间的距离R(x)、被测点Q(θ,ω)所在水平面与点O之间的距离Z(x)和激光光束与竖直向下方向的夹角角度θ(x)确定。

如图3所示，在高度为Zh(x)的横截面上，有容器B04，点Q(θ,0)为激光光束B11围绕测量点O左右旋转的起始点，点O至点Q(θ,0)的线为左右旋转起始线；激光光束扫描被测点Q(θ,ω)和测量点O的空间关系可以由被测点Q(θ,ω)与过点O的竖直线之间的距离R(θ,ω)、点O至被测点Q(θ,ω)的激光光束与左右旋转起始线的夹角角度ω(x)确定。

本发明提供的容量测量方法采用激光测距方法，对激光光束在透明液体中的测量数据进行修正，获得被测点的测量数据，进一步通过扫描完成对容器内腔空间的数据建模，进一步完成容器容量测量和盛放液体储量的测量。

本方法以Kd为测量的辅助对象，假设Kd的值为已知条件，推导被测点的点坐标计算公式。

当被测点Q(θ,ω)在液面下方时，激光测距数值CL>Kd/cosθ_(x)，计算过程如下：

通过激光测距模块测量出激光光束B11的激光测距数值CL，通过角度测量模块测量出激光光束B11与穿过O点的竖直辅助线B91的夹角θ_(x)，即为激光光束B11在点P1的入射角；进一步取气体中的折射率n_气体≈1，根据折射率公式：n_液体/n_气体＝sinα_(x)/sinβ_(x)，计算出折射角γ_(x)的数值。

根据测量修正公式H＝Y/n_液体，对激光测距数值CL2进行修正。

计算反射点Q(θ,ω)与过点O的竖直线之间的距离R(x)：

Ra(x)＝(CL2·n_气体/n_液体)·sinγ_(x)

Ra(x)＝(CL-Kd/cosθ_(x))·sinγ_(x)·n_气体/n_液体

同时，

Rb(x)＝Kd·tanθ_(x)

由于，

R(x)＝Ra(x)+Rb(x)

可推导出：

R(x)＝(CL-Kd/cosθ_(x))·sinγ_(x)·n_气体/n_液体+Kd·tanθ_(x)

计算反射点Q(θ,ω)所在水平面与点O之间的距离Z(x)：

Za(x)＝(CL-Kd/cosθ_(x))·cosγ_(x)·n_气体/n_液体

由于，

Z(x)＝Kd+Za(x)

可推导出：

Z(x)＝Kd+(CL-Kd/cosθ_(x))·cosγ_(x)·n_气体/n_液体

因此，当CL>Kd/cosθ_(x)时，点坐标计算公式为：

容器空腔空间模型Q[R,Z,ω]为：

当θ_(x)≧θ₃时，激光光束与容器壁的反射点在液面上方，此时测量数值CL≤Kd/cosθ_(x)，可推导出点坐标计算公式：

因此，当CL≤Kd/cosθ_(x)时，容器空腔空间模型Q[R,Z,ω]为：

容量测量方法如下：

以测量点O为中心，使用激光光束上下、左右扫描容器内壁，获得测量点O扫描被测点Q(θ,ω)的激光测距数值CL和角度数值θ、ω，形成点云空间数据Q[θ,ω,CL]；Q[θ,ω,CL]代入推导出的点坐标计算公式得到容器空腔以测量点O为参照的空间模型Q[R,Z,ω]。

进一步，根据空间模型Q[R,Z,ω]，计算出容器空腔不同高度Z(x)的平面面积S(Z(x))。

如图3所示，激光光束从左右旋转起始线开始向右旋转到角度ω(x)，旋转的间隔角度为Δω，由点O、Q(θ,ω)、Q(θ,(ω+Δω))组成的扇形区域的面积近似为：

激光光束按扫描间隔角度Δω扫描360度，根据以上公式进行求和运算，可得横截面的面积：

S_(Z(x))＝∑ΔS_(Z(x))

特别地，当容器形状为桶型容器时，由于容器空腔横截面形状为圆形，仅需在一个纵截面上做上下方向的旋转扫描。将测量点O设置在橫截面的一条直径上，固定左右角度ω，以测量点O为中心，使用激光光束上下扫描容器内壁，获得测量点O扫描被测点Q(θ,ω)的激光测距数值CL和角度数值θ，形成点云空间数据Q[θ,CL]；Q[θ,CL]代入推导出的点坐标计算公式得到容器空腔以测量点O为参照的空间模型Q[R,Z]；根据圆面积计算公式，计算出容器空腔不同高度Z(x)的平面面积S(Z(x))。

进一步，Z(x)最大值为Z(max)，根据Zh(x)＝Z(max)-Z(x)转换坐标值Z(x)为Zh(x)，容器空腔不同高度Zh(x)的平面面积S(Zh(x))，计算出容器空腔不同高度Zh(x)对应的容积V(x)，得到容器空腔的容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))；高度Zh(x)为最大值Zh_max时对应的容积V_max为容器空腔最大容积，即容器容量。

容器空腔高度值为Zh(x)，容器内底面的高度为Zh(0)＝0，根据激光光束上下旋转扫描的粒度ΔZh，可计算每段ΔZh高度的容积：

根据以上公式进行求和运算，可得容器空腔的容积：

V_Zh(x)＝∑ΔV_(x)

当Zh(x)＝Zh_max时，V_Zh(x)＝V_max，为容器空腔的最大容积。

当激光光束对容器内腔进行上下、左右扫描时，步进数值Δθ和Δω越小，通过以上方法计算获得的测量精度越高。

进一步，根据本发明内容提供的液位测量方法，测量出当前容器盛放液体的液位高度，代入容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))计算，即可获得当前容器盛放的液体储量。

本发明提供了一种测量设备，包括激光测距模块、辅助测量模块、处理单元和定位点。

激光测距模块根据激光反射原理进行距离测量，用于独立完成激光测距功能，激光测距模块耦合至处理单元。

辅助测量模块包含：水平控制模块、角度测量模块、超声波测距模块中至少一种模块。

水平控制模块用于控制所述测量装置本体在使用时是否处于水平位置，辅助控制所述激光测距模块发出的激光光束方向为近似竖直向下。

角度测量模块用于测量所述激光测距模块发出的激光光束与各轴向的角度，其中一个角度为激光光束与竖直方向的角度，角度测量模块耦合至处理单元。角度测量模块可以为陀螺仪或者MEMS芯片。

超声波测距模块根据超声波反射原理进行距离测量，用于测量从测量点到被测物表面的距离，超声波测距模块通过数据接口与处理单元进行数据交互。

定位点为激光测距模块的测量参照点，设备本体围绕定位点旋转时所述激光测距模块测量起点不变。

可选的，激光测距模块使用时的测量方向不高于测量点所在的水平面。

可选的，处理单元对各模块的数据进行处理，存储计算机可执行程序代码，处理单元执行程序时实现上述提供的任一种测量方法。

可选的，处理单元包含收发器，收发器与外部设备连接完成数据交互。

本发明提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器、收发器；所述收发器耦合至所述处理器，所述处理器控制所述收发器的收发动作，通过收发动作控制外部测量设备，处理器执行程序实现上述提供的液位或/和容量测量方法。

本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令程序，当其在计算机上运行时，使得计算机执行程序实现上述提供的液位或/和容量测量方法。

有益效果：

本发明的一种液位、容量的测量方法、设备和存储介质，克服传统激光测距方案中不能对透明液体进行测量的偏见，创造性实现测量透明液体液位高度、容器容量、液体储量的效果，特别是对已盛有透明液体的容器容量测量和液体储量测量在工农业领域有巨大的作用，解决了现有工农业生产制造过程中难以解决的问题。

本发明的一种液位、容量的测量方法、设备和存储介质，具有非接触，抗干扰性强，测量精度高，体积小，成本低、故障率低的特点，检测精度和误差能达到毫米级、甚至微米级，容易安装和实施，具有广泛的应用价值。

本发明的一种液位、容量的测量方法、设备和存储介质，实现动态监测，能够对无光照的液面进行检测，同时做到无人值守24小时不间断的检测。通过无线装置能够实施远程监控检测，对工业生产、工业检测等领域的准确检测提供了一种新型、稳定而高效的检测手段和工具，对社会的发展有着重大的现实意义。

附图说明：

图1为一种液位测量方法原理图；

图2为一种容量测量方法原理图1；

图3为一种容量测量方法原理图2；

图4为一种液位测量方法和设备的实施例一；

图5为一种液位测量方法和设备的实施例二；

图6为一种液位测量方法和设备的实施例三；

图7为一种测量设备的安装示意图；

图8为一种容量测量方法和设备的实施例；

具体实施方式：

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例一：一种液位测量方法和设备

如图4所示，有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为空气B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；容器上方有固定位置的测量点O，测量点O位于空气B01环境中，测量点O至液面B03的距离为Kd，即Kd为测量点O的离液高度，液面B03至容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度，测量点O至容器底部上表面的距离为Kt，即Kt为离底高度，Kt＝Kd+Kh；液面B03上放置有可反光的浮漂B27，浮漂B27位于测量点O竖直向下的方向；激光光束B113从测量点O竖直向下射入容器，在浮漂B27的上表面发生反射，测量点O至浮漂B27的上表面的距离为Kd2，浮漂B27的上表面与液面的距离为Kd1；激光光束B111从测量点O近似竖直向下射入容器B04底部上表面的点A，在点A发生反射，与液面B03近似垂直相交于点C；激光测距模块发出激光光束的测距数值为CL。

实施例一的测量装置包含有激光测距模块和方向控制模块；激光测距模块用激光反射原理进行测距，激光测距基准数值在空气环境标定，用于在透明介质中测距，获得测量数值；方向控制模块，用于控制激光光束近似竖直向下方向。

优选的，激光测距模块采用脉冲法、三角法、相位法等方法实现测量，方向控制模块为带角度控制功能的方向控制模块，如：带角度控制功能的三角架、陀螺仪等，方向控制模块与激光测距模块保持固定；测量时，使用方向控制模块控制测量装置，使激光测距模块的激光光束保持近似竖直向下射入液体中，在容器底部上表面形成反射点。

优选的，测量装置采用的方向控制模块为水平方向控制模块，如：水平泡、水平尺或水平仪等，水平方向控制模块与激光测距模块保持固定，并且使发出的激光光束方向与水平方向近似垂直。

根据本发明提供的第一种液位测量方法，具体测量方法如下：

步骤一：固定测量装置，保持测量点O的位置在测量过程中不会发生变化，初步调整测量装置方向使激光光束向下射入液体，在容器B04底部上表面形成反射点。

步骤二：测量计算测量点O至液面B03的距离Kd的数值，Kd作为液位测量的辅助对象。

本例中采用浮漂反射测量方法来测量Kd的数值。

调整测量装置方向使激光光束竖直向下射入液体，在液面上放置浅色漫反射浮漂B27使激光光束形成反射点，浮漂B27在液面上的漂浮高度Kd1为已知；激光测距模块测量出从测量点O至浮漂B27上表面Kd2的数值，即可得到测量点O的离液高度Kd，Kd＝Kd1+Kd2；然后取走浮漂B27。

优选的，本例中浮漂B27可以使用轻质的薄片，使Kd1的数值近似为0，此种情况下Kd≈Kd2，使用激光测距模块测量出从测量点O至浮漂B27上表面Kd2的数值即可。

可选的，本例中采用液面反射测量方法来测量Kd的数值。

调整测量装置方向使激光光束竖直向下射入液体，并且使激光光束在液面的反射光束进入激光测距模块的接收器，即可直接得到测量点O的离液高度Kd。

步骤三、通过调整测量装置方向使激光光束近似竖直向下射入液体，使激光光束在液面的反射光束刚好避开激光测距模块的接收器；使用测量装置直接测量从测量点O至容器B04底部上表面反射点A的激光测距数值CL。

步骤四：将离液高度Kd、激光测距数值CL代入液位计算公式，计算出液位高度Kh。

根据本发明推导出的液位计算公式：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_气体/n_液体

由于本例中激光光束入射角角度数值α_(x)≈0，折射角角度数值β_(x)≈0，已知常规介质的折射率n_空气和n_液体，再代入测量的离液高度Kd和激光测距数值CL，即可计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例激光光束为从空气中射入液体中，取空气的折射率n_气体≈1，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_液体，计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例采用近似竖直向下测量方式，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd)/n_液体，计算出液位高度Kh。

可选的，对于需要观测液位变化的测量场景，继续根据本发明提供的第二种液位测量方法，具体测量方法如下：

步骤A、计算确定测量点O至容器底部上表面点A的离底高度Kt的数值，Kt作为液位测量的辅助对象。

基于以上方法测量得到的液位高度Kh数值，加上测量已知的测量点O离液高度Kd，即可得到Kt，Kt＝Kd+Kh。

步骤B、使用测量装置直接测量从测量点O至容器B04底部上表面反射点A的激光测距数值CL。

步骤C：将离底高度Kt、激光测距数值CL代入液位计算公式，计算出液位高度Kh。

根据本发明推导出的液位计算公式：

由于本例中激光光束入射角角度数值α_(x)≈0，折射角角度数值β_(x)≈0，已知常规介质的折射率n_气体和n_液体，再代入测量的离底高度Kt和激光测距数值CL，即可计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例激光光束为从空气中射入液体中，取空气的折射率n_气体≈1，也可以根据公式：

计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例采用近似竖直向下测量方式，也可以根据公式：

Kh＝(CL-Kt)/(n_液体-1)，计算出液位高度Kh。

本例的液位测量方法和装置，优点是装置结构非常简单，实施容易，测量计算过程快速，并且可用于观察液面变化的连续测量场景，适用场景广泛。

实施例二：一种液位测量方法和设备

如图5所示，有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为空气B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；容器上方有固定位置的测量点O，测量点O位于空气B01环境中，测量点O至液面B03的距离为Kd，即Kd为测量点O的离液高度，液面B03至容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度，测量点O至容器底部上表面的距离为Kt，即Kt为离底高度，Kt＝Kd+Kh；激光光束B111从测量点O近似竖直向下射入容器B04底部上表面的点A，在点A发生反射，与液面B03近似垂直相交于点C；液面B03与容器B04的容器壁相交于点E，激光光束B113从测量点O射向点E，在点E发生反射，激光光束B113与过测量点O的竖直向下线形成夹角，夹角角度为ɑ1；激光光束B112从测量点O斜射入容器底部上表面的点B，在点B发生反射，与液面B03相交于点D，在点D进入液体时发生折射；激光光束B112在点D进入液体B02的入射角为α_(x)、折射角为β_(x)；激光测距模块发出激光光束的测距数值为CL。

实施例二的测量装置包含有激光测距模块和角度测量模块；激光测距模块用激光反射原理进行测距，用于在透明介质中测距获得测量数值；角度测量模块，用于测量激光光束与竖直向下方向的夹角角度数值；激光测距模块与角度测量模块保持相对位置固定。

激光测距模块与角度测量模块配合使用；在长度(左右)、高度(上下)、深度(纵深)三个维度构成的空间坐标系中，将测量装置固定于测量点O的位置，使激光光束围绕点O向上下、左右两个自由度方向旋转；角度测量模块用于测量出激光光束发射方向在上下自由度旋转时偏离竖直向下方向的角度数值，在左右自由度旋转时偏离预置0度方向的角度数值。

可选的，将测量装置一边固定于测量点O所在的一边，使激光光束围绕点O所在的边向上下方向旋转；角度测量模块用于测量出激光光束发射方向在上下旋转时偏离竖直向下方向的角度数值。

可选的，角度测量模块可采用陀螺仪。

根据本发明提供的第一种测量方法，具体测量方法如下：

步骤一：固定测量装置，确定测量点O的位置；使测量装置发射的激光光束射向液面与容器壁相交的一点。

可选的，固定测量装置的其中一个端点于测量起始点位置附近，使测量起始点保持在点O的位置；围绕测量点O上下、左右旋转测量装置，使测量装置中激光测距模块发射的激光光束射向液面与容器壁相交的点E；本例选择激光光束左右旋转方向偏离角度为0的纵截面为测量参照坐标系。

可选的，旋转测量装置使用双自由度云台装置；固定云台装置在测量点O位置附近，将本测量装置固定在云台装置上，旋转云台使测量点O始终保持位置不变。

可选的，固定测量装置的其中一边于测量起始点所在位置的边线上，该边线垂直于图示的纵截面，使测量点O始终保持位置不变；围绕测量点O所在的边线上下旋转测量装置，使测量装置中激光测距模块发射的激光光束射向液面与容器壁相交的点E。

可选的，上下旋转使用单自由度云台装置控制；固定云台装置在测量起始点位置附近，将本测量装置固定在云台装置上，云台在图示的纵截面上单自由度旋转，旋转云台时测量点O始终保持位置不变。

步骤二：使用测量装置测量出测量点O至反射点E的激光测距数值CL和激光光束B113与竖直向下方向的角度数值ɑ1；根据公式计算出Kd，Kd作为液位测量的辅助对象。

本例中采用激光测距和角度测量的组合方法，使用测量装置中激光测距模块从测量点O向液面B03和容器壁的交点向点E发射激光光束B113，得到激光测距数值CL；同时使用测量装置中角度测量模块测量出激光测距模块发出的激光光束B113与竖直向下方向的角度数值ɑ1。根据余弦函数，代入激光测距数值CL和角度数值ɑ1，即可计算出测量点O的离液高度Kd，Kd＝CL·cosɑ1。

可选的，本例中采用液面反射测量方法来测量Kd的数值。

调整测量装置方向使激光光束竖直向下射入液体，并且使激光光束在液面的反射光束进入激光测距模块的接收器，即可直接得到测量点O的离液高度Kd。

步骤三、使用测量装置直接测量从测量点O至容器B04底部上表面反射点的激光测距数值CL，同时测量激光光束与竖直向下方向的夹角角度数值α_(x)。

控制转动测量装置，使测量装置中激光测距模块发射激光光束B112至容器底部上表面点B，在点B形成反射，并且避免激光光束B112在液面的反射光束进入到测量装置的激光接收器；直接测量得到从测量点O至反射点B的激光测距数值CL；同时使用测量装置中角度测量模块测量出激光光束B112与竖直向下方向的夹角角度数值α_(x)。

可选的，控制转动测量装置，使测量装置中激光测距模块发射激光光束B111保持近似竖直向下的方向射入容器B04中，在容器B04底部上表面形成反射点A；此种情况下角度数值α_(x)≈0。

步骤四：将离液高度Kd、激光测距数值CL和角度数值α_(x)代入液位计算公式，计算出液位高度Kh。

根据发明内容中推导出的液位计算公式：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_气体/n_液体

由于本例中激光光束入射角角度数值为α_(x)，根据折射率公式可计算出折射角角度数值β_(x)，已知常规介质的折射率n_气体和n_液体，再代入测量的离液高度Kd、激光测距数值CL，即可计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例激光光束为从空气中射入液体中，取空气的折射率n_气体≈1，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)/n_液体，计算出液位高度Kh。

可选的，当激光光束近似竖直向下射入液体中时，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd)/n_液体，计算出液位高度Kh。

进一步，对于需要观测液位变化的测量场景，继续根据本发明提供的第二种测量方法，具体测量步骤如下：

步骤A、计算确定测量点O至容器底部上表面点A的离底高度Kt的数值，Kt作为液位测量的辅助对象。

基于以上方法测量得到的液位高度Kh数值，加上测量已知的测量点O离液高度Kd，即可得到Kt，Kt＝Kd+Kh。

步骤B、使用测量装置直接测量从测量点O至容器B04底部上表面反射点A的激光测距数值CL。

步骤C：将离底高度Kt、激光测距数值CL代入液位计算公式，计算出液位高度Kh。

根据发明内容中推导出的激光测距模块液位计算公式：

由于本例中激光光束入射角角度数值α_(x)＝0，折射角角度数值β_(x)＝0，已知常规介质的折射率n_空气和n_液体，再代入测量的离底高度Kt和激光测距数值CL，即可计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例激光光束为从空气中射入液体中，取空气的折射率n_气体≈1，也可以根据公式：

计算出液位高度Kh。

可选的，激光光束采用近似竖直向下的角度测量，也可以根据公式：

Kh＝(CL-Kt)/(n_液体-1)，计算出液位高度Kh。

本例的液位测量方法和装置，优点是装置结构简单；可采用任意角度测量，减少实施条件的限制，实施操作非常灵活；可覆盖的测量场景多，可用于观察液面变化的连续测量场景，具有非常广泛的实用性；可扩展性强，功能强大。

实施例三：一种液位测量方法和设备

如图6所示，有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为空气B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；容器上方有固定位置的测量点O，测量点O位于空气B01环境中，测量点O至液面B03的距离为Kd，即Kd为测量点O的离液高度，液面B03至容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度，测量点O至容器底部上表面的距离为Kt，即Kt为离底高度，Kt＝Kd+Kh；超声波波束B13从测量点O竖直向下射向容器液面，在容器液面发生声波反射，超声波波束B13的角度范围为α2；激光光束B112从测量点O斜射入容器底部上表面的点B，在点B发生反射，与液面B03相交于点D，在点D进入液体时发生折射；激光光束B112在点D进入液体B02的入射角为α_(x)、折射角为β_(x)，入射角为α_(x)为已知的固定值；激光测距模块发出激光光束的测距数值为CL。

实施例三的测量装置包含有激光测距模块、超声波测距模块和水平控制模块；激光测距模块用激光光束反射原理进行测距，用于在透明介质中测距，获得测量数值；超声波测距模块用超声波波束反射原理进行测距，用于在单一介质中测距，获得测量数值；水平控制模块用于控制超声波测距模块声波方向，使发出的超声波在有效圆弧角度范围内保证有竖直向下角度的声波射向液面，超声波测距模块用于测量起始点至液面的离液高度Kd的数值测量；激光测距模块与超声波测距模块具有相同的测量起点，激光测距模块采用可旋转预置固定角度方式调节角度，使激光光束方向与竖直向下方向保持预置已知的角度；可旋转预置固定角度方式是指，激光光束和超声波波束以测量起点为圆心，可以按照几个固定角度调整夹角度数，如：10度、20度、30度。

可选的，水平控制模块控制超声波波束圆弧的一端处于竖直向下的方向；激光测距模块可旋转的角度范围在超声波波束圆弧角度范围内，且激光测距模块起始旋转角度为激光光束处于竖直向下方向。

可选的，水平控制模块可以使用水平泡、水平尺或水平仪等。

采用本发明提供的第一种测量方法，具体测量步骤如下：

步骤一：固定测量装置，确定测量点O的位置；使测量装置发出的超声波波束竖直向下射向液面，使激光光束射向容器底部上表面，形成反射点。

步骤二：测量装置使用超声波测距测量点O至液面的离液距离Kd；使用激光测距测量点O至液体底面反射点的激光测距数值CL，同时测量激光光束与竖直向下方向的夹角角度数值α_(x)。

本例中采用同时进行激光测距和超声波测距的组合方法，使用超声波测距模块从测量点O竖直向下向液面B03发射超声波波束B13，由于超声波在到达液面时发生反射，因此可以直接得到测量数值Kd，Kd作为液位测量的辅助对象。

控制转动激光测距模块到固定角度位置，使激光测距模块发出的激光光束B112至容器底部上表面点B，在点B形成反射；直接测量得到从测量点O至反射点B的激光测距数值CL；同时读出激光光束B112与竖直向下方向的固定角度数值α_(x)。

步骤三：将离液高度Kd、激光测距数值CL和角度数值α_(x)代入液位计算公式，计算出液位高度Kh。

根据本发明推导出的液位计算公式：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_气体/n_液体

由于本例中激光光束入射角角度数值为α_(x)，根据折射率公式可计算出折射角角度数值β_(x)，已知常规介质的折射率n_气体和n_液体，再代入测量的离液高度Kd、激光测距数值CL，即可计算出液位高度Kh。

可选的，由于本例激光光束为从空气中射入液体中，取空气的折射率n_气体≈1，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)/n_液体，计算出液位高度Kh。

可选的，当激光光束近似竖直向下射入液体中时，也可以根据公式：Kh＝(CL-Kd)/n_液体，计算出液位高度Kh。

进一步，对于需要观测液位变化的测量场景，由于本例中超声波测距模块可以直接测量出测量点O的离液高度Kd，因此直接使用上述方法反复测量即可。

本例的液位测量方法和装置，优点是结构简单；可采用预置角度测量，减少实施条件的限制，实施操作灵活；可用于观察液面变化的连续测量场景，计算过程简单快捷，具有广泛的实用性。

实施例四：一种液位测量方法和设备

实施例四的测量装置包含有激光测距模块、超声波测距模块和角度测量模块；激光测距模块用激光光束反射原理进行测距，用于在透明介质中测距，获得测量数值；超声波测距模块用超声波波束反射原理进行测距，用于在单一介质中测距，获得测量数值；超声波测距模块用于测量起始点至液面的离液高度Kd数值的测量；角度测量模块，用于测量激光光束与竖直向下方向的夹角角度数值，同时用于控制超声波测距模块声波方向，使发出的超声波在有效圆弧角度范围内保证有竖直向下角度的声波射向液面；激光测距模块与超声波测距模块的位置相对固定，具有相同的测量点O。

如图7所示，有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为空气B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；容器顶部有安装支架B26，测量设备本体B2通过定位点B25安装于支架B26上，并且可围绕定位点B25旋转；测量设备本体B2包含激光测距模块B21、角度测量模块B22、超声波测距模块B23，激光测距模块B21发出激光光束B11，激光光束B11的反向延长线B94通过定位点B25，角度测量模块B22其中一个偏角参照轴向为竖直向下线B12。

激光测距模块与角度测量模块配合使用；在长度(左右)、高度(上下)、深度(纵深)三个维度构成的空间坐标系中，将测量装置固定于测量点O的位置，使激光光束围绕点O向上下、左右两个自由度方向旋转；角度测量模块用于测量出激光光束发射方向在上下自由度旋转时偏离竖直向下方向的角度数值，在左右自由度旋转时偏离预置0度方向的角度数值。

可选的，将测量装置一边固定于测量点O所在的一边，使激光光束围绕点O所在的边向上下方向旋转；角度测量模块用于测量出激光光束发射方向在上下旋转时偏离竖直向下方向的角度数值。

可选的，角度测量模块可采用陀螺仪。

本例的具体测量方法采用实施例二、三相同的方法完成。

本例的液位测量方法和装置，由于超声波波束具有角度范围，因此在测量装置安装时大致角度准确即可精确测量从测量起始点至液位平面的离液高度，无需做精确角度校准，大大提高了方便性；另外本例兼具实施例一、二、三的优点，具有操作非常灵活，适用性非常广泛，功能扩展性非常强的特点。

实施例五：一种容量测量方法和设备

如图8所示，在过测量点O的纵截面上，有盛放透明液体的不透明容器B04，容器上半部为空气B01，容器下半部为透明液体B02，上下交界处为液面B03；穿过O点的竖直辅助线B91与液位平面B03垂直相交于点P2、并且与容器底部上表面相交于点Q1，容器内壁与液位平面相交的点Q3，容器左壁与容器底部上表面的连接点Q2，容器纵截面左壁与容器最大容纳液体量的液面相交于点Q4；激光光束B11从位于空气B01中的测量点O斜射向液面，与液面相交于点P1，并从点P1进入液体中发生折射，折射后的激光光束继续射向容器左壁上的被测点Q(θ,ω)，激光光束在P1点的入射角为θ_(x)，折射角为γ_(x)；被测点Q(θ,ω)与液位平面B03的距离为Za(x)，被测点Q(θ,ω)与点O所在的水平面的距离为Z(x)，被测点Q(θ,ω)与容器底部上表面的距离为Zh(x)，即Zh(x)为被测点Q(θ,ω)在容器内的高度；被测点Q(θ,ω)与过测量点O的竖直线的距离为R(x)；测量点O与液位平面B03的离液距离为Kd，液位平面B03与容器底部上表面的距离为Kh，即Kh为液位高度；激光测距模块从测量点O发出的激光光束测量数值为CL。

实施例五的测量装置包含有激光测距模块和角度测量模块；激光测距模块用激光光束反射原理进行测距，用于在透明介质中测距，获得测量数值；角度测量模块与激光测距模块配合使用，用于测量激光光束在纵截面上下旋转和在横截面左右旋转的角度数值。

优选的，角度测量模块可采用陀螺仪。

在长度(左右)、高度(上下)、深度(纵深)三个维度构成的空间坐标系中，将测量装置固定于测量点O的位置，使激光光束围绕点O向上下、左右两个自由度方向旋转；角度测量模块用于测量出激光光束发射方向在上下自由度旋转时偏离竖直向下方向的角度数值，在左右自由度旋转时偏离预置0度方向的角度数值。

使用双自由度云台装置控制角度；固定云台装置在测量起始点位置附近，将本测量装置固定在云台装置上，旋转云台使测量起始点始终保持在点O的位置；控制云台，带动测量装置在上下、左右两个自由度转动。

可选的，激光测距模块采用多点线阵或面阵激光阵列投射和接收，或者采用3D结构光投射和接收，同时实现在上下、左右两个自由度方向的角度测量。

可选的，使用单自由度云台装置控制角度；固定云台装置在测量起始点位置附近，将本测量装置固定在云台装置上，云台在纵截面上单自由度旋转，旋转云台时测量起始点始终保持在点O的位置；控制云台，带动测量装置在上下自由度转动。

根据本发明提供的容量测量方法，具体测量步骤如下：

步骤一：通过本发明内容提供的液位测量方法，计算出测量点O的离液高度Kd。

步骤二：以测量点O为中心，使用激光光束上下、左右扫描容器内壁，获得测量点O与激光光束在容器内壁上形成的若干反射点Q(θ,ω)的测距数值和角度数值数组Q[θ,ω,CL]；根据推导出的点坐标计算公式对扫描反射点的测量数值进行修正，得到容器空腔以测量点O为参照的空间模型Q[R,Z,ω]。

点坐标计算公式：

当测量数值CL>Kd/cosθ_(x)，容器空腔空间模型Q[R,Z,ω]为：

当测量数值CL≤Kd/cosθ_(x)，容器空腔空间模型Q[R,Z,ω]为：

/>

步骤三：根据以测量点O为参照的空间模型Q[R,Z,ω]，计算得到容器空腔的容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))；高度Zh(x)为最大值时Zh_max对应的容积V_max为容器空腔最大容积，即容器容量。

步骤四：根据本发明内容提供的液位测量方法，测量出当前容器盛放液体的液位高度Kh，代入容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))计算，即可获得当前容器盛放的液体储量。

特别地，当容器形状为桶型容器时，由于容器空腔横截面形状为圆形，步骤二仅需在一个纵截面上做上下方向的旋转扫描，将测量点O设置在橫截面的一条直径上，固定左右角度ω，以测量点O为中心，使用激光光束上下扫描容器内壁，获得测量点O扫描被测点Q(θ,ω)的激光测距数值CL和角度数值θ，形成点云空间数据Q[θ,CL]；Q[θ,CL]代入推导出的点坐标计算公式得到容器空腔以测量点O为参照的空间模型Q[R,Z]；步骤三根据圆面积计算公式和体积计算公式，计算得到容器空腔的容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))。

本例提供一种容量测量方法和装置，可用于对盛放透明液体容器进行容量测量，特别是对于横截面为圆形的容器可以采用单自由度旋转扫描的方式和简单圆面积计算方式快速计算；并且可以根据盛放透明液体的液位高度计算得出容器中盛放液体的液体储量，可广泛使用于现实测量场景。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。

可以理解的是，在本申请的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请的实施例的实施过程构成任何限定。

Claims (14)

1.一种液位测量方法，其特征在于，盛放透明液体的不透明容器内壁上有一被测点B，液面至点B所在水平面的距离Kh为液位高度，测量点O处于液面上方的透明气体中，测量点O至液面的距离Kd为离液高度，测量点O至点B所在水平面的距离Kt为离底高度，使用激光对液位高度Kh进行间接测量；测量时被测点B应该偏离测量点O所在的竖直线；所述间接测量通过测量多个辅助对象，进一步将辅助对象代入液位计算公式，计算得到液位高度Kh；

所述辅助对象包含：

对象一：激光测距数值CL，为测量点O至被测点B的激光测量距离数值CL；

对象二：激光光束偏角值α_(x)，为测量点O射出的激光光束与竖直向下方向的夹角角度α_(x)；

对象三：点O坐标值K(x)，为测量点O在竖直线上相对参照点的坐标值K(x)；

所述对象一的测量采用激光测距方法直接测量，激光测距基准数值在所述透明气体中标定；所述液位计算公式根据光的折射原理和几何数学原理推导得出，所述光的折射原理包含光的角度变化和光的速度变化，所述角度变化满足光从真空进入介质的折射定律n＝sinα_(x)/sinβ_(x)，n为光在介质中的折射率、α_(x)为入射角、β_(x)为出射角，所述速度变化满足光从真空进入介质的折射定律n＝c/v，n为光在介质中的折射率、c为光速、v为光在介质中的速度。

2.根据权利要求1所述的一种液位测量方法，其特征在于，所述液位计算公式根据测量修正公式对激光光束在透明液体中的距离测量数值进行修正，修正公式为：H＝Y·n_气体/n_液体，其中H为透明气体介质中激光测距的测量值，Y为透明液体中激光测距的测量值，光在透明气体中的折射率为n_气体，光在透明液体介质中的折射率为n_液体；如果取n_气体的值为1.0，则简化修正公式为：H＝Y/n_液体。

3.根据权利要求1-2任一项所述的液位测量方法，其特征在于，所述液位计算公式采用离液高度计算法，离液高度计算法指所述对象三点O坐标值K(x)，取值为所述离液高度Kd的计算方法，所述液位计算公式为：

Kh＝(CL-Kd/cosα_(x))·cosβ_(x)·n_气体/n_液体。

4.根据权利要求3所述的一种液位测量方法，其特征在于，所述离液高度的测量包含以下至少一种方法；

方法1：浮飘反射测量法；使用激光测距装置测量，在液位水平面上放置可漫反射光线的轻薄浮飘，厚度可忽略，所述浮飘静置于竖直向下的激光光束位置形成激光反射点，所述激光测距装置直接测量出离液高度Kd；

方法2：激光直接测量法；使用激光测距装置测量，调整激光光束竖直向下射向液位水平面，使得液位水平面反射的激光光束进入激光测距装置的接收器，所述激光测距装置直接测量出离液高度Kd；

方法3：激光角度测量法；使用激光测距装置和角度测量装置测量，调整激光光束位置使得反射点E刚好位于透明液体液位水平面与不透明容器壁的交接处，所述激光测距装置直接测量出测量点O与反射点E的距离数值CL3，直接测量出激光光束与竖直向下方向的夹角α，代入三角函数公式计算出离液高度Kd；

方法4：超声波测量法；使用超声波测距装置测量，调整超声波波束竖直向下射向液位水平面，使得液位水平面反射的超声波波束进入超声波测距装置的接收器，所述激光测距装置直接测量出离液高度Kd。

5.根据权利要求1-2任一项所述的液位测量方法，其特征在于，所述液位计算公式采用离底高度计算法，离底高度计算法指所述对象三点O坐标值K(x)，取值为所述离底高度Kt的计算方法，所述液位计算公式为：

6.一种容量测量方法，其特征在于，所测量的不透明容器内盛放有透明液体，测量点O处于液面上方的透明气体中；所述测量方法包含点测量方法和容量测量方法；所述点测量方法使用激光对容器内壁上的点进行间接测量，所述间接测量通过测量多个辅助对象，进一步将辅助对象代入点坐标计算公式，计算得到被测点Q(θ,ω)与测量点O在气体环境中的坐标关系；所述容量测量方法使用激光对容器内壁点进行扫描，根据所述点测量方法得到以测量点O为参照的容器空腔的点云空间数据Q[θ,ω,CL]，进一步根据点云空间数据计算出容器空腔的容量模型、容器容量、液体储量；所述辅助对象包含：

对象A：激光测距数值CL，为测量点O至被测点Q(θ,ω)的激光测量距离数值CL；

对象B：上下旋转角度θ(x)，以测量点O为起始点的激光光束围绕点O在纵截面上下自由度方向旋转，角度记为θ(x)；

对象C：左右旋转角度ω(x)，以测量点O为起始点的激光光束围绕点O在横截面上做左右自由度方向旋转，角度记为ω(x)；

对象D：点O坐标值K(x)，为测量点O在竖直线上相对参照点的坐标值K(x)；

所述容器横截面形状为规则形状时，所述辅助对象中仅对象A激光测距数值CL和对象D点O坐标值K(x)为必要测量对象；所述对象A的测量采用激光测距方法直接测量，激光测距基准数值在所述透明气体中标定；所述对象A测量时被测点Q(θ,ω)应该偏离测量点O所在的竖直线；

所述点坐标计算公式根据光的折射原理和几何数学原理推导得出，所述光的折射原理包含光的角度变化和光的速度变化，所述角度变化满足光从真空进入介质的折射定律n＝sinα_(x)/sinβ_(x)，n为光在介质中的折射率、α_(x)为入射角、β_(x)为出射角，所述速度变化满足光从真空进入介质的折射定律n＝c/v，n为光在介质中的折射率、c为光速、v为光在介质中的速度。

7.根据权利要求6所述的一种容量测量方法，其特征在于，所述激光对容器内壁扫描采用点激光、线激光和面激光中至少一种扫描方式。

8.根据权利要求6所述的一种容量测量方法，其特征在于，所述点坐标计算公式采用离液高度计算法，离液高度计算法指所述对象D点O坐标值K(x)，取值为所述离液高度Kd的计算方法，所述点坐标计算公式为：

当测量数值CL>Kd/cosθ_(x)时，

当测量数值CL≤Kd/cosθ_(x)时，

其中R(x)为被测点Q(θ,ω)与过测量点O的竖直线的距离，Z(x)被测点Q(θ,ω)与测量点O所在水平面的距离，θ_(x)为测量点O发出的激光光束与竖直向下方向的角度，γ_(x)为激光光束进入透明液体中的折射角度，n_气体为光在透明气体介质中的折射率，n_液体为光在透明液体介质中的折射率。

9.根据权利要求6-8任一项所述的容量测量方法，其特征在于，所述容量模型为容积高度模型V_Zh(x)＝func(Zh(x))，Zh(x)为容器内腔高度，V_Zh(x)为高度Zh(x)的容器内腔对应容纳的液体体积；当Zh(x)为最大值时，对应的V_max为容器容量；采用权利要求1-5所述的任一种液位测量方法得到容器内盛放的透明液体液位高度，将所述液位高度代入所述容积高度模型计算出容器内盛放的透明液体储量。

10.一种用于实施权利要求1-9任一项所述的测量方法的测量设备，其特征在于，包括激光测距模块、辅助测量模块、处理单元和定位点；所述激光测距模块根据激光反射原理进行距离测量，用于完成激光测距功能；所述激光测距模块耦合至处理单元；辅助测量模块包含水平控制模块、角度测量模块、超声波测距模块中至少一种模块；所述水平控制模块用于控制所述测量装置本体在使用时是否处于水平位置，辅助控制所述激光测距模块发出的激光光束方向为近似竖直向下；所述角度测量模块用于测量所述激光测距模块发出的激光光束与各轴向的角度，其中一个角度为激光光束与竖直方向的角度，所述角度测量模块耦合至处理单元；所述超声波测距模块根据超声波反射原理进行距离测量，用于测量从测量点到被测物表面的距离，超声波测距模块通过数据接口与处理单元进行数据交互；所述处理单元对各模块的数据进行处理；所述定位点为激光测距模块的测量参照点，设备本体围绕定位点旋转时所述激光测距模块测量起点不变。

11.根据权利要求10所述的一种测量设备，其特征在于，所述激光测距模块使用时的测量方向不高于测量点所在的水平面。

12.根据权利要求10所述的一种测量设备，其特征在于，所述角度测量模块为陀螺仪。

13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器、收发器；所述收发器耦合至所述处理器，所述处理器控制所述收发器的收发动作，通过收发动作控制外部测量设备；所述处理器执行程序实现权利要求1-9所述的任一种方法。

14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1-9所述的任一种方法。