專利名稱：收發(fā)一體式線陣ccd光學(xué)液位測(cè)量方法及測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液位測(cè)量方法及裝置，具體地說是一種收發(fā)一體式線陣 CCD光學(xué)液位測(cè)量方法及測(cè)量裝置。
(二)
背景技術(shù)：
液位是工業(yè)過程中最重要和較常見的測(cè)量參數(shù)之一。液位的測(cè)量主要是指氣 一液、液一液、液一固分界面位置測(cè)量技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于化工、石油及動(dòng)力裝 置等液體存儲(chǔ)設(shè)備中?，F(xiàn)有的液位測(cè)量方法有壓力式液位測(cè)量法、浮沉式液位測(cè) 量法、電容液位測(cè)量法及超聲波液位測(cè)量法等，但當(dāng)液體濃度、溫度變化或受環(huán) 境限制時(shí)，上述測(cè)量方法的分辨率低、誤差較大或不能實(shí)施測(cè)量。
隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與光電子技術(shù)的進(jìn)步，電荷耦合器件的精密制造技術(shù)及性 能得到了快速發(fā)展。這使得利用線陣CCD的高分辨力測(cè)量液位的微小變化成為可
能，并為液位測(cè)量提供了新的手段。
目前基于CCD的液位測(cè)量方法主要有 一、基于線陣CCD的激光反射法該 方法的實(shí)現(xiàn)原理是通過一個(gè)激光器在被測(cè)液位的斜上方入射一束激光，反射的光 東被線陣CCD接收，當(dāng)液位變化時(shí)，激光與液面的接觸點(diǎn)發(fā)生變化，這使線陣 CCD所接收光束的像素位置發(fā)生變化，從而測(cè)出液位。這種方法的主要弱點(diǎn)是易 受環(huán)境因素的影響，很難在運(yùn)動(dòng)載體上施用。二、基于線陣CCD的光學(xué)成像法 該方法的實(shí)現(xiàn)原理是利用反射板反射線光源的光線到光源所對(duì)應(yīng)的另一側(cè)，所反 射的光線穿過透明容器并由光學(xué)透鏡成像于CCD上。該方法利用了光學(xué)中的透鏡
成像原理，測(cè)量范圍廣，但是需要物鏡、反射板等器件，占用體積大，此外由于 測(cè)量范圍大，CCD與液面距離較遠(yuǎn)，焦距的調(diào)節(jié)也比較困難，容易產(chǎn)生較大誤差。 三、基于CCD的線光源成像法該方法的實(shí)現(xiàn)原理是將線光源與線陣CCD分布于 柱形透明容器兩側(cè)，線光源所發(fā)射的光通過盛放液體的柱形透明容器后，由于柱 形透明容器的透鏡效應(yīng)，在其等效的透鏡的焦距上即可得到柱形透明容器中液位 信息。該方法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于玻璃管本身是一個(gè)透鏡，線陣CCD與玻璃 管需要有一定的距離，容易產(chǎn)生誤差。另外對(duì)線光源的要求也比較高，使用范圍有限。另外還有對(duì)射式無鏡頭線陣CCD液位測(cè)量方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無需成像透鏡、適用于非粘稠狀液體，具有測(cè)量 穩(wěn)定度高、測(cè)量誤差小等特點(diǎn)的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法。本發(fā)明 的目的還在于提供一種收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法的專用及測(cè)量裝 置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法包括
由密閉于L形箱體中的點(diǎn)光源、線陣CCD及其處理電路構(gòu)成整個(gè)測(cè)量裝置， 將該裝置半浸于待測(cè)液體中，且光源與線陣CCD成L形布放，即光源在線陣CCD 的下方略前處，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光單元和感光單元在一個(gè)箱體中，即收發(fā)一體；線陣 CCD嵌于密閉箱體側(cè)面上的長(zhǎng)、寬與CCD芯片的長(zhǎng)、寬一樣的開槽中并對(duì)開槽與 CCD芯片的縫隙實(shí)行密封，同時(shí)CCD芯片的防護(hù)玻璃略凸出于密閉箱體的這一側(cè) 面；將傳感單元按照使線陣CCD與水平面垂直、同時(shí)液面處于線陣CCD感光區(qū)的 要求置于容器相應(yīng)位置。
由于點(diǎn)光源只有微量光線能直射CCD表面，所以液面下的CCD主要采集點(diǎn)光
源在液體中的散射光，故而光強(qiáng)很弱；浸潤(rùn)效應(yīng)使得液面與CCD的接觸處形成一
個(gè)曲面，由于該曲面的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光源的面積，所以可近似認(rèn)為照射到該曲面 的光線是平行的，在該曲面上， 一部分光線發(fā)生全反射，另一部分發(fā)生反射和折
射，從而在CCD與該曲面鄰近處形成明暗突變，如果該曲面是上凹形，則光強(qiáng)由 液面下方向液面上方形成一個(gè)"峰谷峰"的突變模式，如果該曲面是下凸形，則 光強(qiáng)由液面下方向液面上方形成一個(gè)"谷峰"的突變模式；而液面上方，隨著折 射光密度逐漸下降線陣CCD的感光強(qiáng)度也逐漸降低，但要比液面下方的曝光強(qiáng)度 大一些。利用這些光強(qiáng)信號(hào)特性可確定液面位置。
本發(fā)明收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法是通過這樣的裝置來實(shí)現(xiàn)
的
點(diǎn)光源由LED構(gòu)成，由于無成像鏡頭所以線陣CCD的感光線長(zhǎng)度就是有效量 程，處理電路的邏輯功能可由FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)，光源與線陣CCD成L形布放并 集成于L形密閉箱體中；線陣CCD嵌于密閉箱體側(cè)面上的寬度與CCD芯片寬度一樣的開槽中，并在密閉箱體內(nèi)外兩側(cè)對(duì)開槽與CCD芯片的縫隙實(shí)行密封，同時(shí) CCD芯片的防護(hù)玻璃略凸出于密閉箱體的這一側(cè)面；將傳感單元按照使線陣CCD 與水平面垂直、同時(shí)液面處于線陣CCD感光區(qū)的要求置于容器相應(yīng)位置。 本發(fā)明的裝置還可以包括
1、 所述的處理電路包括CCD驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集與處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電 路以及點(diǎn)光源驅(qū)動(dòng)電路。
2、 所述的將傳感單元置于容器相應(yīng)位置是將傳感單元置于盛有待測(cè)液體的 容器中或緊貼于容器的側(cè)壁。
本發(fā)明是一種無需成像透鏡的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法及裝 置，適用于非粘稠狀液體的液位測(cè)量。
該方法利用了液體的浸潤(rùn)效應(yīng)、光學(xué)的折射、反射以及全反射等原理。點(diǎn)光 源與CCD采集電路部分集成在一處，并置于CCD感光區(qū)的下方。由于點(diǎn)光源只有 微量光線能直射CCD表面，所以液面下的CCD主要采集點(diǎn)光源在液體中的散射光， 故而光強(qiáng)很弱；浸潤(rùn)效應(yīng)使得液面與CCD的接觸處形成一個(gè)曲面，由于該曲面的 面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光源的面積，所以可近似認(rèn)為照射到該曲面的光線是平行的，在該 曲面上， 一部分光線發(fā)生全反射，另一部分發(fā)生反射和折射，從而在CCD與該曲 面鄰近處形成明暗突變；而液面上方，隨著折射光密度逐漸下降線陣CCD的感光 強(qiáng)度也逐漸降低，但要比液面下方的曝光強(qiáng)度大一些。利用這些光強(qiáng)信號(hào)特性可 確定液面位置。該測(cè)量方法獲得的液面特征非常明顯，是一種無需光學(xué)成像透鏡 的光學(xué)液位測(cè)量方法，具有精度受液體溫度變化和濃度變化的影響極小、收發(fā)一 體、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布放、可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。
(四)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明光路原理示意圖3是本發(fā)明在發(fā)生浸潤(rùn)時(shí)線陣CCD圖像輸出信號(hào)的幅值示意圖4是本發(fā)明在未發(fā)生浸潤(rùn)現(xiàn)象液面與CCD界面呈下凸?fàn)顣r(shí)線陣CCD圖像
輸出信號(hào)的幅值示意圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖1,收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量裝置包括點(diǎn)光源3、線陣CCD
5芯片6、電路單元7(包括CCD驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)釆集與處理和數(shù)據(jù)傳輸功能)，密閉 箱體4、光源3置于L形密閉箱體底部前凸處，在滿足足量向上射出光線的同時(shí) 盡量減少在液體中對(duì)CCD的直射光線，線陣CCD芯片6嵌于密閉箱體4側(cè)面寬度 與CCD芯片6寬度一樣的開槽中并在密閉箱體4內(nèi)外兩側(cè)對(duì)開槽與CCD芯片6的 縫隙實(shí)行密封，同時(shí)保證CCD芯片6的防護(hù)玻璃略凸出于密閉箱體4的這一側(cè)面。 將密閉箱體4置于盛有待測(cè)液體2的容器5中(或緊貼于容器的側(cè)壁)，且使線 陣CCD與水平面垂直，同時(shí)液面1處于線陣CCD感光區(qū)；于是可得線陣CCD圖像 出信號(hào)的幅值示意圖3或圖4。結(jié)合圖3,其中液面上方采集射出液面的折射光 而得到相對(duì)較強(qiáng)且逐漸變化的信號(hào)段9、液面下方采集散射光而得到較弱信號(hào)段 11和浸潤(rùn)效應(yīng)引起的曲面8而引起的光信號(hào)突變段10,通過這些信息可實(shí)現(xiàn)液 位測(cè)量。為擴(kuò)大量程，可引入一個(gè)隨動(dòng)裝置，使密閉箱體7大致跟隨液位運(yùn)動(dòng)并 記錄其位移量，從而實(shí)現(xiàn)大量程液位測(cè)量。對(duì)于不同的待測(cè)液體可以選用譜段不 同的點(diǎn)光源和線陣CCD。
權(quán)利要求
1、一種收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法，其特征是由密閉于L形箱體中的點(diǎn)光源、線陣CCD及其處理電路構(gòu)成液位測(cè)量裝置，將該測(cè)量裝置半浸于待測(cè)液體中，線陣CCD的感光面與液體直接接觸，且由CCD像素組成的像敏線與被測(cè)液面垂直，點(diǎn)光源固定于L形密封箱體中CCD傳感單元的下方，并稍有探出，由浸潤(rùn)效應(yīng)形成的曲面使CCD采集到的光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生突變；通過分析線陣CCD芯片測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)的突變位置確定液位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法，其特征 是所述的CCD釆集到的光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生突變是指CCD獲得的圖像信號(hào)。
3、 一種收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法的專用測(cè)量裝置，其特征是 點(diǎn)光源與線陣CCD、處理電路密封在一個(gè)L形箱體之中，且光源與線陣CCD成L 形布放；線陣CCD嵌于密閉箱體側(cè)面上的長(zhǎng)、寬與CCD芯片的長(zhǎng)、寬一樣的開 槽中并對(duì)開槽與CCD芯片的縫隙實(shí)行密封，同時(shí)CCD芯片的防護(hù)玻璃略凸出于 密閉箱體的這一側(cè)面；傳感單元按照使線陣CCD與水平面垂直、同時(shí)液面處于 線陣CCD感光區(qū)的要求置于容器相應(yīng)位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法的專用測(cè) 量裝置，其特征是所述的處理電路包括CCD驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集與處理電路、 數(shù)據(jù)傳輸電路以及點(diǎn)光源驅(qū)動(dòng)電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法的專 用測(cè)量裝置，將點(diǎn)光源換成線陣光源，并使其與線陣CCD同方向平行放置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種收發(fā)一體式線陣CCD光學(xué)液位測(cè)量方法及測(cè)量裝置。由密閉于L形箱體中的點(diǎn)光源、線陣CCD及其處理電路構(gòu)成液位測(cè)量裝置，將該測(cè)量裝置半浸于待測(cè)液體中，線陣CCD的感光面與液體直接接觸，且由CCD像素組成的像敏線與被測(cè)液面垂直，點(diǎn)光源固定于L形密封箱體中CCD傳感單元的下方，并稍有探出，由浸潤(rùn)效應(yīng)形成的曲面使CCD采集到的光強(qiáng)信號(hào)發(fā)生突變；通過分析線陣CCD芯片測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)的突變位置確定液位。該測(cè)量方法獲得的液面特征非常明顯，是一種無需光學(xué)成像透鏡的光學(xué)液位測(cè)量方法，具有精度受液體溫度變化和濃度變化的影響極小、收發(fā)一體、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布放、可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F23/292GK101504302SQ20091007157
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者霆 孟, 楊依珍, 強(qiáng) 溫, 王偉強(qiáng), 爽 譚, 邵永豐, 玉 黃 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)