CN211927018U

CN211927018U - 一种新型液位测量装置

Info

Publication number: CN211927018U
Application number: CN202021028494.1U
Authority: CN
Inventors: 李俊昊; 岳伟挺
Original assignee: School of Information Engineering of Hangzhou Dianzi University
Current assignee: School of Information Engineering of Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2030-06-08

Abstract

本实用新型公开了一种新型液位测量装置，包括：机械式测量装置、图像采集装置、视觉处理装置；所述图像采集装置和视觉处理装置连接，所述图像采集装置实时拍摄采集所述机械式测量装置和液位的图像，并传送给所述视觉处理装置；所述视觉处理装置接收并处理所述机械式测量装置和液位的图像。本实用新型提供的一种新型液位测量装置，能够实时得获取水位计和液位的图像信息并进行处理，从而达到监控液位的目的。该测量装置可以应用在湖泊、河海等水位监控中，具备以下优点：第一，不受测量环境背景杂物的影响；第二，安装和操作简便，维护量小；第三，制造简便，经济成本较低；第四，测量实时性好、测量精度高。

Description

一种新型液位测量装置

技术领域

本实用新型涉及液位检测技术领域，具体地说，特别涉及一种新型液位测量装置。

背景技术

水势的实时监控一直被我国水利和农业部门重点关注。目前大多数的液位检测方法普遍采用的是各种水位计，它们被广泛得应用于工业生产和水利工程中，但这些水位计都不能克服水质，水温和环境背景等影响，在日常的安装、使用、维护过程中存在一定的局限性。例如，超声波液位计测试容易有盲区，不可以测量压力溶剂和易挥发性物质；电容式液位计的介电常数不稳定会引起误差；雷达式液位计的价格昂贵，且操作复杂，对环境要求苛刻；静压式液位计受介质密度和温度影响大，精度较低。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种新型液位测量装置。所述技术方案如下：

本实用新型提供了一种新型液位测量装置，包括：机械式测量装置、图像采集装置、视觉处理装置；所述图像采集装置和视觉处理装置连接，所述图像采集装置实时拍摄采集所述机械式测量装置和液位的图像，并传送给所述视觉处理装置；所述视觉处理装置接收并处理所述机械式测量装置和液位的图像；

所述机械式测量装置包括：基座、固定杆、移动杆、浮子；所述固定杆的一端与所述基座连接，另一端通过螺丝杆与所述移动杆连接；所述移动杆的一端通过螺丝杆与所述固定杆连接，另一端与所述浮子连接；

进一步地，所述固定杆的直径为20mm，长度为1200mm。

进一步地，所述移动杆的直径为20mm，长度为1000mm。

进一步地，所述固定杆和移动杆均为塑料材质的空心杆。

进一步地，所述螺丝杆采用M8口径的不锈钢全牙通丝螺杆。

进一步地，所述浮子的直径为110mm，采用塑料材质。

进一步地，所述基座采用水泥浇筑的圆盘。

进一步地，所述图像采集装置采用工业相机。

进一步地，所述视觉处理装置采用计算机。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实用新型提供的一种新型液位测量装置，能够实时得获取水位计和液位的图像信息并进行处理，从而达到监控液位的目的。该测量装置可以应用在湖泊、河海等水位监控中，在水资源的监控中具有实用价值，具备以下优点：第一，不受测量环境背景杂物的影响；第二，安装和操作简便，维护量小；第三，制造简便，经济成本较低；第四，测量实时性好、测量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例的一种新型液位测量装置的示意图；

图2是本实用新型实施例的一种新型液位测量装置的测量原理图；

图3是本实用新型实施例的一种新型液位测量装置的系统流程图；

图4是本实用新型实施例的一种新型液位测量装置的矩形分割原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型提供了一种新型液位测量装置，参见图1，包括：机械式测量装置、图像采集装置2、视觉处理装置1；所述图像采集装置2和视觉处理装置1连接，所述图像采集装置2实时拍摄采集所述机械式测量装置和液位的图像，并传送给所述视觉处理装置1；所述视觉处理装置1接收并处理所述机械式测量装置和液位的图像；

所述机械式测量装置包括：基座3、固定杆4、移动杆6、浮子7；所述固定杆4的一端与所述基座3连接，另一端通过螺丝杆5与所述移动杆6连接；所述移动杆6的一端通过螺丝杆5与所述固定杆4连接，另一端与所述浮子7连接；

具体地，本实施例基于图像和视觉检测的方法，提出了一种新型水位测量系统，该测量系统可以应用在在湖泊、河海等水位监控中。该系统包括机械式测量装置、图像采集和视觉处理系统。首先，设计了一种新型的机械浮子水位计的结构，该装置包括水位计移动杆、浮子和固定杆。其次，通过摄像头和计算机，实时拍摄采集水位计标尺的图像。第三，提出了基于机器视觉的水位检测方法，并基于Halcon软件开发了该方法的应用程序，在图像中完成了识别和测量水位信息。该方法首先利用Blob分析方法选择待检测区域，再将该区域转化为XLD边缘轮廓类型以精确获取边缘信息，然后根据边缘线的端点坐标计算出液位计的移动杆和固定杆相对于水平面的夹角，最后根据角度信息计算出被测液位。实验结果表明：在本测试硬件系统中，该液位测量系统采集和处理一幅图片耗时0.5s，能够满足快速、实时检测的需要；该液位计测试水位深度为0.5m，测量相对误差在2％以内。该系统通过搭建水位桩检测装置，能够实时得获取图像信息并进行处理，从而达到监控液位的目的。

本实施例中，对该新型液位测量装置做了进一步地说明，具体如下：

1、水位测量系统

本测量系统由浮球式水位计、工业相机和机器视觉软件三部分构成。摄像机采集液位和水位仪表的图像。机器视觉软件是基于Halcon软件进行二次开发。经图像处理和视觉检测程序，执行目标识别和液位检测，计算出液位测量结果。用于接收和处理信号的PC机搭载基于x64处理器的64位操作系统、第八代英特尔酷睿i5处理器i5-8265U(CPU主频1.6GHz)、NVIDIA GeForce MX250独立显卡(内含独立GPU处理单元)和8GB DDR42666MHz内存。

1.1水位计构造与功能

视觉处理装置1用于接收和处理信号，图像采集装置2采用工业CCD摄像机，固定杆4的一端与基座3连接，另一端通过螺丝杆5与移动杆6连接；移动杆6的一端通过螺丝杆5与固定杆4连接，另一端与浮子7连接；

本实施例的测量环境中，待测水位高度约0.5m。根据实际水位高度，确定水位计高度。水位计固定杆4和移动杆6的直径均为20mm，长度分别为1200mm和1000mm，均是塑料材质的红色空心杆。两者用于反应水位的实时变化，其材质轻，耐腐蚀，经济成本低。其中的螺丝杆均选用M8口径的不锈钢全牙通丝螺杆。圆形塑料浮子7的直径为110mm，其产生的浮力用于推动移动杆的旋转。浮球水位计的基座3是用水泥浇筑的圆盘，与固定杆相连，用于固定水位检测装置，其厚度为15mm，直径为200mm。

当液位上升时，移动杆6和液面的夹角变小，若此时固定杆4和液面的夹角不变，根据勾股定理，可以利用移动杆6的长度计算出固定杆4暴露在水面上部分的长度。由于固定杆4的长度不变，从而计算出液位的高度，即通过观测固定杆4和移动杆5相对于液面的夹角大小来反映出液位的高低。

1.2测量原理

参见图2，假设相机镜头的光轴垂直于测量装置所形成的平面，则拍摄到的移动杆和固定杆之间的夹角即为真实的平面夹角。由于移动杆6为轻质杆，且浮子的浮力足够大，所以h₁可以近似为恒定值，可得如下计算公式：

h₂＝h₁/sin(θ₂)

L₁＝sin(θ₂)*(L₂+h₂)/sin(θ₃)

若假设O₁到O₃之间的距离为固定杆的长度L，则L₃＝L-L₁为液位的高度。

1.3软件设计

参见图3，通过相机拍摄彩色图像，转化为灰度图像后进行预处理，再分割为固定杆区域和移动杆区域两部分，检测这些区域的边缘像素，再计算出各个杆件相对于液面的角度信息，最后计算出液面的高度，并显示在电脑屏幕上。

2、液位测量方法

2.1图像采集

在采集图像之前，先安装相机驱动程序，再打开Halcon自带的图像采集助手，可以直接驱动相机。由于在不同的光线下相机拍摄图像会随色温的变化而不同，所以需要白平衡来获得图像原本的色彩。打开Halcon图像采集窗口中，先检测到相机接口，再连接相机，选择实时采集图像，显示图像成功后，打开自动白平衡，直接插入代码即可在程序中生成真实的图像。

2.2预处理

图像预处理的目的是消除图像中的无关信息，保留有用的真实信息，来增强图像分割和边缘检测的可靠性。其中无关信息指的是待测环境中的杂草等背景，有用信息指的是浮球水位计的固定杆和移动杆信息。

2.2.1基于均值滤波的全局阈值分割

常用的滤波方法有中值滤波，均值滤波和高斯滤波。其中中值滤波是一种非线性平滑技术，可以有效得抑制椒盐噪声和非线性信号；高斯滤波是一种线性滤波，主要用于消除高斯噪声。前两者处理的噪声并非浮球水位计的背景图像中的主要噪声，所以并不适用。背景图像中包含了大量的杂草，且杂草均为不规则区域。均值滤波器的主要应用是去除图像中的“不相”关细节，其中的“不相关”细节在实施例中指的是杂草区域，通常该区域的像素比3×3滤波器模板尺寸较小，用均值滤波可以模糊杂草区域而最大限度得保留住移动杆和固定桩区域的边缘细节。均值滤波又被称为平滑线性滤波，其输出响应是包含在滤波器模板邻域内像素的简单平均。一幅M×N的图像经过一个m×n的(m和n均是奇数)的加权均值滤波器滤波的过程可由下式表示：

f(x,y)是原始图像函数，g(x,y)是滤波器的响应，w(x,y)是滤波器系数，对于3×3的模板，a和b的取值均为1。

对得到的目标区域进行局部阈值处理。设用于阈值图像的偏移量为offset，经过多次重复实验，当偏移量选取70时，可以得到较好的结果，因此offset＝70，f(x,y)≥g(x,y)+offset的区域即为分割后的区域。

2.2.2二值形态学

在形态学中，结构元素是最基本的概念。用B(x)代表结构元素，对于工作区间E中的每一点x，腐蚀和膨胀的定义为^[6]：

腐蚀：

膨胀：

用B(x)对E进行腐蚀的结果就是把结构元素B平移后使B包含于E的所有点构成的集合。用B(x)对E进行膨胀的结果就是把结构元素B平移后使B与E的交集非空的点构成的集合。先腐蚀后膨胀的过程称为开运算。它具有消除细小物体，在纤细处分离物体和平滑较大物体边界的作用。先膨胀后腐蚀的过程称为闭运算。它具有填充物体内细小空洞,连接邻近物体和平滑边界的作用。由于阈值处理后的图像任存在噪声，利用形态学的开运算可以有效得解决这一问题。故调用算子opening_circle对其进行开运算，开环半径选择3.5，能消除大部分得噪声区域，但在一定程度上腐蚀了目标边界。

2.3图像分割

2.3.1裁剪区域

参见图4，调用Halcon算子clip_region_rel截取感兴趣的区域，它通过删除接近区域最小周围矩形的部分来分割。图4中左右两侧分别是矩形分割前后的区域。考虑到浮子的大小，Left、Right、Top和Bottom分别为0，0，120，120。2.3.2选择移动杆和固定杆区域

打开Halcon的特征直方图助手，可以选择区域的特征，如区域的高、宽、面积、旋转角度等。插入select_shape算子，特征选择为区域的方向，最小值和最大值分别设置为1.3904和1.7141，则可以选择出方向夹角在79.67°到98.21°之间的区域，该区域即为固定杆区域。利用difference算子求出分割后区域和固定杆区域的差集，该区域即为移动杆区域。

2.3.3转化成“凸性”区域

上述得到两个区域的边界不是连续的，故通过算子shape_trans把区域近似转化成一个“凸性”区域，“凸性”在本文指的是多边形，它平滑了边缘且不改变区域的形状。

2.4边缘检测

XLD(xtended line descriptions)扩展的线性描述，属于亚像素级别，比像素更加精确。利用亚像素边缘轮廓可以得到比像素更加精确的边缘信息。

2.4.1提取区域边缘

选择结构元素大小为5×1的矩形去腐蚀“凸性”区域，调用算子different求出腐蚀区域和“凸性”区域的差集，即为移动杆和固定杆边缘区域。

2.4.2提取边缘灰度图像

在Halcon中上述区域只有位置信息没有像素信息，故调用算子reduce_domain在原灰度图像中截取边缘区域，得到灰度边缘图像。

2.4.3提取亚像素XLD轮廓

调用算子edges_sub_pix提取灰度边缘图像的亚像素边缘轮廓。

2.4.4拟合共线轮廓

由上述算子得到的边缘轮廓并不连续，故调用算子union_collinear_contours_xld拟合近似共线的轮廓线。再调用算子select_contours_xld来选出最其中最长轮廓线。

2.4.5提取轮廓信息

调用算子fit_line_contour_xld得到该轮廓线的端点坐标，坐标形式以数组的形式返回。

2.5实验结果

由上述步骤得到坐标信息可以利用余弦定理分别计算出固定杆和移动杆相对于水平面的角度，其角度分别为θ3和θ2。理论上，最大液位测量高度为L；最小液位测量高度为L-(L2+h2)。考虑到在取到最大值和最小值时不利于分析目标区域，故可近似的将测量范围D设置在L-100mm到L-(L2+h2)+100mm之间。即250mm≤D≤1100mm。部分检测数据与测量结果，如表1所示。

表1液位测量结果

Tab.1 Level measurement results

本实施例提出的一种基于机器视觉技术的液位测量系统算法，通过实验验证了测量效果，测量相对百分误差在1％以内。采用HALCON软件的算子运行统计分析功能，可以计算出本检测系统每处理一张分辨率为1292*964的BMP图像，该系统平均运行时间为0.5s。该视觉检测系统能够有效消除湖泊江河杂草背景的干扰，测量结果和运行时间均能满足常规的湖泊江河的水位监控，实现了对水位的实时、准确地测量。

进一步地，所述固定杆4的直径为20mm，长度为1200mm。

进一步地，所述移动杆6的直径为20mm，长度为1000mm。

进一步地，所述固定杆4和移动杆6均为塑料材质的空心杆。

具体地，固定杆4和移动杆6的直径均为20mm，长度分别为1200mm和1000mm，均是塑料材质的红色空心杆。所述固定杆4和移动杆6用于反应水位的实时变化，其材质轻，耐腐蚀，经济成本低。

进一步地，所述螺丝杆5采用M8口径的不锈钢全牙通丝螺杆。

进一步地，所述浮子7的直径为110mm，采用塑料材质。

具体地，圆形塑料浮子7的直径为110mm，其产生的浮力用于推动移动杆6的旋转。

进一步地，所述固定基座3采用水泥浇筑的圆盘。

具体地，浮球水位计的基座3是用水泥浇筑的圆盘，与固定杆4相连，用于固定水位检测装置，其厚度为15mm，直径为200mm。

进一步地，所述图像采集装置2采用工业相机。

具体地，本实施例中，图像采集装置2采用工业CCD摄像机。

进一步地，所述视觉处理装置1采用计算机。

具体地，所述视觉处理装置1采用计算机，用于接收和处理信号。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种新型液位测量装置，其特征在于，包括：机械式测量装置、图像采集装置、视觉处理装置；所述图像采集装置和视觉处理装置连接，所述图像采集装置实时拍摄采集所述机械式测量装置和液位的图像，并传送给所述视觉处理装置；所述视觉处理装置接收并处理所述机械式测量装置和液位的图像；

所述机械式测量装置包括：基座、固定杆、移动杆、浮子；所述固定杆的一端与所述基座连接，另一端通过螺丝杆与所述移动杆连接；所述移动杆的一端通过螺丝杆与所述固定杆连接，另一端与所述浮子连接。

2.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述固定杆的直径为20mm，长度为1200mm。

3.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述移动杆的直径为20mm，长度为1000mm。

4.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述固定杆和移动杆均为塑料材质的空心杆。

5.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述螺丝杆采用M8口径的不锈钢全牙通丝螺杆。

6.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述浮子的直径为110mm，采用塑料材质。

7.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述基座采用水泥浇筑的圆盘。

8.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述图像采集装置采用工业相机。

9.如权利要求1所述的新型液位测量装置，其特征在于，所述视觉处理装置采用计算机。