收发一体式线阵CCD光学液位测量方法及测量装置

摘要

本发明公开一种收发一体式线阵CCD光学液位测量方法及测量装置。由密闭于L形箱体中的点光源、线阵CCD及其处理电路构成液位测量装置，将该测量装置半浸于待测液体中，线阵CCD的感光面与液体直接接触，且由CCD像素组成的像敏线与被测液面垂直，点光源固定于L形密封箱体中CCD传感单元的下方，并稍有探出，由浸润效应形成的曲面使CCD采集到的光强信号发生突变；通过分析线阵CCD芯片测得的光强信号的突变位置确定液位。该测量方法获得的液面特征非常明显，是一种无需光学成像透镜的光学液位测量方法，具有精度受液体温度变化和浓度变化的影响极小、收发一体、结构简单、易于布放、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。

权利要求

1.一种收发一体式线阵CCD光学液位测量方法，其特征是：由密闭于L形密封箱体中的点光源、线阵CCD及处理电路构成液位测量装置，所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及点光源驱动电路，点光源置于L形密闭箱体底部前凸处，线阵CCD嵌于L形密闭箱体侧面宽度与线阵CCD宽度一样的开槽中并在L形密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD的缝隙实行密封、同时保证线阵CCD的防护玻璃略凸出于密闭箱体的这一侧面；将该液位测量装置半浸于待测液体中，线阵CCD的感光面与液体直接接触，且由线阵CCD像素组成的像敏线与被测液面垂直，由浸润效应形成的曲面使线阵CCD采集到的光强信号发生突变；通过分析线阵CCD测得的光强信号的突变位置确定液位。

2.一种用于用于实现如权利要求1所述的收发一体式线阵CCD光学液位测量方法的专用测量装置，其特征是：点光源、线阵CCD、处理电路密封在一个L形密闭箱体之中构成传感单元，且点光源与线阵CCD成L形布放，将点光源置于L形密闭箱体底部前凸处；线阵CCD嵌于密闭箱体侧面宽度与线阵CCD宽度一样的开槽中并在L形密闭箱体内外两侧对开槽与线阵CCD的缝隙实行密封，同时保证线阵CCD的防护玻璃略凸出于L形密闭箱体的这一侧面；传感单元按照使线阵CCD与水平面垂直，同时液面处于线阵CCD感光区的要求置于盛有待测液体的容器中；所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及点光源驱动电路。

说明书

收发一体式线阵CCD光学液位测量方法及测量装置

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种液位测量方法及装置，具体地说是一种收发一体式线阵CCD光学液位测量方法及测量装置。(二)背景技术

[0002] 液位是工业过程中最重要和较常见的测量参数之一。液位的测量主要是指气-液、液-液、液-固分界面位置测量技术，其广泛应用于化工、石油及动力装置等液体存储设备中。现有的液位测量方法有压力式液位测量法、浮沉式液位测量法、电容液位测量法及超声波液位测量法等，但当液体浓度、温度变化或受环境限制时，上述测量方法的分辨率低、误差较大或不能实施测量。

[0003] 随着现代光学技术与光电子技术的进步，电荷耦合器件的精密制造技术及性能得到了快速发展。这使得利用线阵CCD的高分辨力测量液位的微小变化成为可能，并为液位测量提供了新的手段。

[0004] 目前基于CCD的液位测量方法主要有：一、基于线阵CCD的激光反射法：该方法的实现原理是通过一个激光器在被测液位的斜上方入射一束激光，反射的光束被线阵CCD接收，当液位变化时，激光与液面的接触点发生变化，这使线阵CCD所接收光束的像素位置发生变化，从而测出液位。这种方法的主要弱点是易受环境因素的影响，很难在运动载体上施用。二、基于线阵CCD的光学成像法：该方法的实现原理是利用反射板反射线光源的光线到光源所对应的另一侧，所反射的光线穿过透明容器并由光学透镜成像于CCD上。该方法利用了光学中的透镜成像原理，测量范围广，但是需要物镜、反射板等器件，占用体积大，此外由于测量范围大，CCD与液面距离较远，焦距的调节也比较困难，容易产生较大误差。三、基于CCD的线光源成像法：该方法的实现原理是将线光源与线阵CCD分布于柱形透明容器两侧，线光源所发射的光通过盛放液体的柱形透明容器后，由于柱形透明容器的透镜效应，在其等效的透镜的焦距上即可得到柱形透明容器中液位信息。该方法结构相对简单，但是由于玻璃管本身是一个透镜，线阵CCD与玻璃管需要有一定的距离，容易产生误差。另外对线光源的要求也比较高，使用范围有限。另外还有对射式无镜头线阵CCD液位测量方法。(三)发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种无需成像透镜、适用于非粘稠状液体，具有测量稳定度高、测量误差小等特点的收发一体式线阵CCD光学液位测量方法。本发明的目的还在于提供一种收发一体式线阵CCD光学液位测量方法的专用及测量装置。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 本发明的收发一体式线阵CCD光学液位测量方法包括：

[0008] 由密闭于L形箱体中的点光源、线阵CCD及其处理电路构成整个测量装置，将该装置半浸于待测液体中，且光源与线阵CCD成L形布放，即光源在线阵CCD的下方略前处，实现了发光单元和感光单元在一个箱体中，即收发一体；线阵CCD嵌于密闭箱体侧面上的长、宽与CCD芯片的长、宽一样的开槽中并对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封，同时CCD芯片的防护玻璃略凸出于密闭箱体的这一侧面；将传感单元按照使线阵CCD与水平面垂直、同时液面处于线阵CCD感光区的要求置于容器相应位置。

[0009] 由于点光源只有微量光线能直射CCD表面，所以液面下的CCD主要采集点光源在液体中的散射光，故而光强很弱；浸润效应使得液面与CCD的接触处形成一个曲面，由于该曲面的面积远远小于光源的面积，所以可近似认为照射到该曲面的光线是平行的，在该曲面上，一部分光线发生全反射，另一部分发生反射和折射，从而在CCD与该曲面邻近处形成明暗突变，如果该曲面是上凹形，则光强由液面下方向液面上方形成一个“峰谷峰”的突变模式，如果该曲面是下凸形，则光强由液面下方向液面上方形成一个“谷峰”的突变模式；而液面上方，随着折射光密度逐渐下降线阵CCD的感光强度也逐渐降低，但要比液面下方的曝光强度大一些。利用这些光强信号特性可确定液面位置。

[0010] 本发明收发一体式线阵CCD光学液位测量方法是通过这样的装置来实现的：

[0011] 点光源由LED构成，由于无成像镜头所以线阵CCD的感光线长度就是有效量程，处理电路的逻辑功能可由FPGA或DSP实现，光源与线阵CCD成L形布放并集成于L形密闭箱体中；线阵CCD嵌于密闭箱体侧面上的宽度与CCD芯片宽度一样的开槽中，并在密闭箱体内外两侧对开槽与CCD芯片的缝隙实行密封，同时CCD芯片的防护玻璃略凸出于密闭箱体的这一侧面；将传感单元按照使线阵CCD与水平面垂直、同时液面处于线阵CCD感光区的要求置于容器相应位置。

[0012] 本发明的装置还可以包括：

[0013] 1、所述的处理电路包括CCD驱动电路、数据采集与处理电路、数据传输电路以及点光源驱动电路。

[0014] 2、所述的将传感单元置于容器相应位置是将传感单元置于盛有待测液体的容器中或紧贴于容器的侧壁。

[0015] 本发明是一种无需成像透镜的收发一体式线阵CCD光学液位测量方法及装置，适用于非粘稠状液体的液位测量。

[0016] 该方法利用了液体的浸润效应、光学的折射、反射以及全反射等原理。点光源与CCD采集电路部分集成在一处，并置于CCD感光区的下方。由于点光源只有微量光线能直射CCD表面，所以液面下的CCD主要采集点光源在液体中的散射光，故而光强很弱；浸润效应使得液面与CCD的接触处形成一个曲面，由于该曲面的面积远远小于光源的面积，所以可近似认为照射到该曲面的光线是平行的，在该曲面上，一部分光线发生全反射，另一部分发生反射和折射，从而在CCD与该曲面邻近处形成明暗突变；而液面上方，随着折射光密度逐渐下降线阵CCD的感光强度也逐渐降低，但要比液面下方的曝光强度大一些。利用这些光强信号特性可确定液面位置。该测量方法获得的液面特征非常明显，是一种无需光学成像透镜的光学液位测量方法，具有精度受液体温度变化和浓度变化的影响极小、收发一体、结构简单、易于布放、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。(四)附图说明

[0017] 图1是本发明的结构示意图；

[0018] 图2是本发明光路原理示意图；

[0019] 图3是本发明在发生浸润时线阵CCD图像输出信号的幅值示意图；

[0020] 图4是本发明在未发生浸润现象液面与CCD界面呈下凸状时线阵CCD图像输出信号的幅值示意图。(五)具体实施方式

[0021] 结合图1，收发一体式线阵CCD光学液位测量装置包括点光源3、线阵CCD芯片6、电路单元7(包括：CCD驱动、数据采集与处理和数据传输功能)，密闭箱体4、光源3置于L形密闭箱体底部前凸处，在满足足量向上射出光线的同时尽量减少在液体中对CCD的直射光线，线阵CCD芯片6嵌于密闭箱体4侧面宽度与CCD芯片6宽度一样的开槽中并在密闭箱体4内外两侧对开槽与CCD芯片6的缝隙实行密封，同时保证CCD芯片6的防护玻璃略凸出于密闭箱体4的这一侧面。将密闭箱体4置于盛有待测液体2的容器5中(或紧贴于容器的侧壁)，且使线阵CCD与水平面垂直，同时液面1处于线阵CCD感光区；于是可得线阵CCD图像出信号的幅值示意图3或图4。结合图3，其中液面上方采集射出液面的折射光而得到相对较强且逐渐变化的信号段9、液面下方采集散射光而得到较弱信号段11和浸润效应引起的曲面8而引起的光信号突变段10，通过这些信息可实现液位测量。为扩大量程，可引入一个随动装置，使密闭箱体7大致跟随液位运动并记录其位移量，从而实现大量程液位测量。对于不同的待测液体可以选用谱段不同的点光源和线阵CCD。