專利名稱：激光精密探測(cè)液位的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密探測(cè)液位的方法和裝置，特別是使用激光精密探測(cè)水位的方法和裝置。
目前，測(cè)量液位的方法很多，主要有壓力法，電容法，聲學(xué)法，浮子法等等。但上述方法的測(cè)量精度不高，在有些場(chǎng)合難以達(dá)到使用要求。并且上述方法中有些傳感器要置于液體之中，這就給設(shè)備密封帶來一定困難。本發(fā)明測(cè)量精度明顯優(yōu)于上述方法，而且是無接觸測(cè)量，對(duì)液體設(shè)備的密封無影響。
在檢索的文獻(xiàn)中，亦有采用光學(xué)探測(cè)液位的報(bào)道，但由于它們未考慮液面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，故探測(cè)精度不高，另外有的未采用激光器做光源，故受雜光等影響，使測(cè)量精度難以提高。
使用激光器件做光源時(shí)，由于激光器能量集中，單色性好，擴(kuò)散角小，可以使測(cè)控范圍加大;增加濾光片，對(duì)雜光有強(qiáng)抑制，提高了精度。如可以使用激光器作光源用反射式測(cè)量熔融狀玻璃和鋼水的液位。這種探測(cè)方法用于控制玻璃或鋼水的澆鑄有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。另外也有使用某種射線替代光源作液位探測(cè)的。但以上各種方法探測(cè)液位精度均只達(dá)到幾毫米的量級(jí)，在有些應(yīng)用場(chǎng)合如反應(yīng)堆的水位測(cè)量上滿足不了精度要求。
本發(fā)明的任務(wù)是考慮了液位面精細(xì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新的液位測(cè)量方法，提供一種精密測(cè)量液位特別是測(cè)量水位的裝置，其探測(cè)精度達(dá)到±0.1mm，分辨力達(dá)到±0.01mm。
本發(fā)明是基于下述原理和方法的。一般液體或水在玻璃或石英容器中，由于毛細(xì)現(xiàn)象，形成液體的虹吸掛壁現(xiàn)象，即由于虹吸現(xiàn)象液面將攀附器壁出現(xiàn)高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出現(xiàn)下凹的N部分，如

圖1所示。圖1中(1)是M部分，(2)是水平面，(3)是N部分。當(dāng)一束平行光平行于水面照射時(shí)，由于M與N這兩部分對(duì)光線的斜向反射，使容器另一側(cè)形成的光學(xué)圖象呈現(xiàn)圖2所示的情況，即中間暗兩端亮的影象。上部的影象部分(4)由于光垂直器壁照射，使成象光亮;下部影象部分(7)由于水是均勻介質(zhì)，故成象也清晰。中間部分(5)由于M和N兩部分的作用，使這區(qū)間的光線反射到另外方向，形成暗象。我們稱這種現(xiàn)象為液位的“棱鏡效應(yīng)”。這種液位的特有現(xiàn)象就構(gòu)成了精確探測(cè)液位的光學(xué)基礎(chǔ)，即本發(fā)明的基礎(chǔ)。圖2中(5)和(7)的交界線(6)記為“L”線，則L線的高度標(biāo)示了液位的高度。L的高度與真實(shí)的液面高度有一個(gè)恒定的差值。多次實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于水來說，這一差值約為1mm左右，可以精確測(cè)定。本發(fā)明使用激光光源，提高了抗干擾能力。在光學(xué)圖象一邊，使用電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件置于象面上，則可測(cè)出“L”線的高度，從而精確測(cè)出液位高度。
本發(fā)明提供的探測(cè)液位的方法，由于考慮了液面與容器之間相互作用的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而使經(jīng)典的光學(xué)方式測(cè)液位的方法提高精度1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。精度達(dá)到±0.1mm，分辨率達(dá)±0.01mm。且單向重復(fù)性很高。依據(jù)本發(fā)明的方法制作的激光精密探測(cè)液位的裝置，在水位探測(cè)中，精度達(dá)到±0.1mm量級(jí)，分辨力達(dá)到±0.03mm，完全滿足反應(yīng)堆水位精密測(cè)控的要求。
下面結(jié)合本發(fā)明提供的原理方法制作的精密水位探測(cè)裝置的附圖來進(jìn)行更詳細(xì)地說明。
圖3是激光精密水位計(jì)構(gòu)造示意圖;
圖4是激光精密水位計(jì)的電子線路方框圖;
由圖3可以看到，激光器等全部測(cè)量部件都安裝在測(cè)量滑臺(tái)(19)上，測(cè)量滑臺(tái)(19)由步進(jìn)電機(jī)(8)通過蝸輪付(26)、繞線軸(27)、鋼絲繩(24)、滑輪Ⅰ(15)、滑輪Ⅱ(16)、配重(25)組成的升降機(jī)構(gòu)，可以沿玻璃或石英玻璃管制作的水容器管(28)，根據(jù)水位的高低上下移動(dòng)，測(cè)量滑臺(tái)(19)的位置可以由光柵定尺(17)和固定在測(cè)量滑臺(tái)(19)上的光柵動(dòng)尺(23)精確給出。測(cè)量滑臺(tái)(19)隨水位的高低移動(dòng)，最后精確定位在水位面上，其測(cè)量控制系統(tǒng)有三級(jí)，頭一級(jí)是在水容器(28)管壁上安裝的一系列壓力傳感器，圖中畫出了兩個(gè)壓力傳感器Ⅰ(10)，壓力傳感器Ⅱ(9)，它們提供的水位信號(hào)可以使測(cè)量滑臺(tái)(19)在厘米量級(jí)隨動(dòng)水位。第2級(jí)控制是裝在測(cè)量滑臺(tái)(19)上由光敏器件(22)、光欄(21)、反射凹鏡(11)組成的光學(xué)反射式水位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)給出的水位信號(hào)可以使滑量滑臺(tái)在毫米量級(jí)隨動(dòng)水位。第三級(jí)即本發(fā)明提供的探測(cè)方法和裝置系統(tǒng)。安裝在測(cè)量滑臺(tái)(19)上的穩(wěn)定光強(qiáng)的激光器(13)發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器(12)成為平行激光束。該激光束平行水面穿過水容器管(28)，在水容器管(28)另一側(cè)，電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)接收光學(xué)圖象。將L線的位置，即水位的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路輸入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，如L線與實(shí)際液面高度差常量修正等，控制步進(jìn)電機(jī)(8)，使測(cè)量滑臺(tái)(19)準(zhǔn)確到0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，裝有可以濾掉其他雜散光的濾光片(29)。測(cè)量滑臺(tái)(19)的位置可以由光柵動(dòng)尺(23)和光柵定尺(17)精確給出。測(cè)量滑臺(tái)上裝有作導(dǎo)向用的軸承(18)。水容器管(28)有連通管(14)與水箱相連。本實(shí)施例使用的濾光片僅使780μm波長(zhǎng)的激光束通過;CCD器件選用象素寬度為12.6μm、共有2048個(gè)象素單元。通過8位A/D變換器對(duì)每個(gè)象素信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本實(shí)施例提供的激光精密水位計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是分辨力為±0.03mm，精度±0.1mm作為反應(yīng)堆專用水位計(jì)使用。
圖4是激光精密水位計(jì)的電子線路方框圖。圖中圖象傳感器CCD(20)，光敏器件(22)，壓力傳感器Ⅰ(10)和壓力傳感器Ⅱ(9)，及行程開關(guān)(30)提供三級(jí)的水位測(cè)控信號(hào)。這些水位信號(hào)經(jīng)接口電路(32)進(jìn)入微計(jì)算機(jī)A(33)，微計(jì)算機(jī)A(33)對(duì)所有這些信號(hào)綜合處理之后，控制步進(jìn)電機(jī)電源(36)，達(dá)到測(cè)量滑臺(tái)隨水位移動(dòng)，最后精確到0.1mm的量級(jí)定位。光柵動(dòng)尺和光柵定尺在測(cè)量滑臺(tái)最后定位時(shí)，給出的讀數(shù)信號(hào)(31)也通過接口電路(35)輸入微計(jì)算機(jī)A(33)，統(tǒng)一進(jìn)行處理。微計(jì)算機(jī)B(34)，接收微計(jì)算機(jī)A(33)測(cè)得的水位數(shù)值，一方面按要求控制進(jìn)行數(shù)字顯示(41)或發(fā)光管顯示(40)，或通過數(shù)據(jù)輸出(38)將有關(guān)數(shù)據(jù)傳給中心計(jì)算機(jī)(42)，或接受控制鍵盤(39)的輸入，控制微機(jī)A(33)及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行。(37)是本裝置使用的穩(wěn)壓電源。
權(quán)利要求
1.一種激光精密探測(cè)液位的方法和裝置，其中激光器(13)發(fā)出的激光束由激光擴(kuò)束器(12)擴(kuò)束為平行光平行液面射過，在液體容器管(28)對(duì)側(cè)有電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)作為圖象接收裝置，整個(gè)上述測(cè)量元件裝置在一個(gè)測(cè)量滑臺(tái)(19)上，測(cè)量滑臺(tái)(19)有由步進(jìn)電機(jī)(8)及其他部件組成的升降系統(tǒng)，其特征是平行激光光束平行液面射過時(shí)，由于液位的棱鏡效應(yīng)，光源對(duì)側(cè)的光學(xué)圖象是亮-暗-亮相間的，中部暗象與下部亮象的分界線L線(6)是清晰的，L線(6)標(biāo)志了液位高度，L線(6)的高度由電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件(20)檢測(cè)，測(cè)量滑臺(tái)(19)隨液位移動(dòng)的控制系統(tǒng)有壓力傳感器系統(tǒng)、光反射檢測(cè)系統(tǒng)和激光精密探測(cè)液位系統(tǒng)三級(jí)，測(cè)量滑臺(tái)(19)的最終位置由光柵尺讀出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的L線(6)，其特點(diǎn)是它的高度與真實(shí)液位高度有一個(gè)差值，對(duì)于一種液體，這個(gè)差值是一個(gè)固定的常數(shù)值且可以由試驗(yàn)精確測(cè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的L線，其特點(diǎn)在于對(duì)水來說，L線與真實(shí)水位的差值為一個(gè)1.0±0.1mm的常量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的L線，其特點(diǎn)是使用棱鏡效應(yīng)測(cè)量L線的方法精度可達(dá)0.1mm分辨力可達(dá)±0.01mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷耦合圖象傳感器(CCD)器件其特點(diǎn)是檢測(cè)到的圖象信號(hào)又經(jīng)一個(gè)8位的A/D變換器對(duì)每個(gè)象素信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，而得到十分之一象素的分辨力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的CCD器件及A/D變換器對(duì)象素的細(xì)分，其特點(diǎn)是使用象素寬度為12.6μm的CCD器件及8位A/D變換器，得到有效分辨力±1.26μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器系統(tǒng)其特征在于等距裝置在水容器管(28)中的壓力傳感器是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光反射檢測(cè)系統(tǒng)其特征在于是由光敏器件(22)，光欄(21)和裝在水容器管另側(cè)的反射凹鏡(11)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光探測(cè)液位系統(tǒng)其特點(diǎn)在于激光器(13)發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器(12)后穿透水容器管(28)，經(jīng)過濾光片(29)才到達(dá)CCD器件(20)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵尺其特征在于是由固定在測(cè)量滑臺(tái)上的光柵動(dòng)尺(23)和固定連接在水容器管(28)上的光柵定尺(17)組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光精密探測(cè)液位的方法和裝置。利用了液位的棱鏡效應(yīng)，使用了電荷耦合圖象傳感器CCD器件作圖象接收裝置，使用了強(qiáng)度穩(wěn)定的激光光源和一系列濾除雜散光的濾光片，使液位探測(cè)精度提高到±0.1mm，分辨力達(dá)到±0.01mm，提供的測(cè)量裝置探測(cè)水位，實(shí)際測(cè)量結(jié)果是精度±0.1mm，分辨力±0.03mm，應(yīng)用于反應(yīng)堆水位精密測(cè)量，取得滿意結(jié)果。
文檔編號(hào)G01F23/28GK1070474SQ9110872
公開日1993年3月31日 申請(qǐng)日期1991年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月10日
發(fā)明者王洪烈, 李小梅, 趙晨 申請(qǐng)人:北京光電技術(shù)研究所