專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光的面陣ccd液體密度測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液體密度測量裝置及方法，具體地說是一種基于面陣CXD的與結(jié)構(gòu)光的液體密度測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
在石油、化工、冶金、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域均需要對(duì)溶液密度進(jìn)行測量。傳統(tǒng)的液體密度光學(xué)測量方法中，如阿貝折射儀測量范圍相對(duì)較小，且不能實(shí)現(xiàn)在線與自動(dòng)測量；而用旋光儀測密度，只適用于旋光性的溶液，也無法實(shí)現(xiàn)在線與自動(dòng)測量，由于要靠人眼來判斷三分視場的亮度是否相同，容易產(chǎn)生較大的誤差；用線陣CCD測量液體密度，數(shù)據(jù)采集發(fā)生在一維的空間上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受溫度，震動(dòng)等因素影響，容易造成數(shù)據(jù)無法采集或者產(chǎn)生較大誤差。目前基于CCD的液體密度測量方法主要有一、基于線陣CCD的光學(xué)折射法該方法的實(shí)現(xiàn)原理是讓一束平行光斜入射到裝有待測溶液的矩形玻璃的一個(gè)側(cè)面，并從另一面射出，由CCD接收。出射光與入射光平行但不在同一直線上，即出射光相對(duì)于入射光有一側(cè)向位移。由于溶液折射率受密度變化影響，導(dǎo)致這一側(cè)向位移隨液體密度的改變而變化。因此，可以根據(jù)位移量測出液位。這種方法采用LED作為光源，玻璃和液體不能過厚，否則減弱光信號(hào)，且靈敏度不高，入射角的變化增加測量誤差。二、基于線陣CCD的棱鏡最小偏向角法該方法的實(shí)現(xiàn)原理是將溶液盛入空心三棱鏡中，一束激光入射到三棱鏡上，從另一面出射的光相對(duì)于入射光有一偏向角，記錄出射光在滿足最小偏向角情況下在CCD上成像的位置。當(dāng)溶液密度發(fā)生變化時(shí)，液體折射率改變，進(jìn)而導(dǎo)致最小偏向角改變，在CCD上的成像出現(xiàn)位移。通過測量最小偏向角與密度之間的關(guān)系，用查表方式可以測出液體密度。該方法將最小偏向角與密度之間的關(guān)系近似為線性進(jìn)行擬合，且在測量偏向角時(shí)誤差較大， 易受外界環(huán)境影響，靈敏度不高。三、基于線陣CCD的利用梯形棱鏡的光學(xué)折射法，該方法以激光作為光源，入射光透過液體射入梯形棱鏡的一端，在玻璃內(nèi)部經(jīng)過多次的反射之后從另一端射出，再透過液體由CXD接收。CXD上像斑便可與液體密度建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，從像斑就可以測出液體的密度。該方法利用線陣CCD數(shù)據(jù)采集量小，抗干擾能力相對(duì)較低。面陣CCD像元成二維排列，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD表面(靶面)后，光學(xué)信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，有著可直接獲取二維圖像信息，測量圖像直觀的優(yōu)點(diǎn)。利用液體折射率隨著液體濃度變化的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)光光源產(chǎn)生的平行光束作為入射光源，面陣CCD作為折射光線接收端獲取特征圖像，建立液體濃度與特征圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以簡便的測量出液體的濃度。該方法不僅具有光學(xué)測量時(shí)相對(duì)簡便，易于使用，受液體流動(dòng)和溫度變化影響極小、可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于面陣CCD相比線陣CCD能更多得采集有效特征數(shù)據(jù)，光源位置輕微變化時(shí)也可以準(zhǔn)確測量，因此該方法還具有精度高，性噪比高，系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡便，易于使用，具有具有精度高、性噪比高，受液體流動(dòng)和溫度變化影響極小，可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作的基于結(jié)構(gòu)光的面陣 CCD液體密度測量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種液體密度測量方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量裝置包括包括箱體定位結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)光光源3、梯形棱鏡2、面陣CCD4、電路單元5，其特征是 箱體定位結(jié)構(gòu)1與梯形棱鏡2寬度一致，梯形棱鏡2置于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部下表面，梯形棱鏡2的敏感斜面6下端與箱體定位結(jié)構(gòu)1下表面的左邊緣重合，梯形棱鏡2的測量斜面8 上端與箱體定位結(jié)構(gòu)1的中部端面7右側(cè)邊緣重合，箱體定位結(jié)構(gòu)1與梯形棱鏡2組成密閉結(jié)構(gòu)；梯形棱鏡2的敏感斜面6暴漏于待測液體9中，測量斜面8密封于箱體定位結(jié)構(gòu)1 內(nèi)部密閉空間中；結(jié)構(gòu)光光源3安裝于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)，結(jié)構(gòu)光光源3與梯形棱鏡2的敏感斜面6相對(duì)且垂直于箱體定位結(jié)構(gòu)1底面；電路單元5嵌于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部密閉空間中，面陣CCD 4嵌于電路單元5的下表面，面陣CCD4的數(shù)據(jù)采集面與梯形棱鏡2測量斜面8相對(duì)且垂直于梯形棱鏡2底面。本發(fā)明的基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量方法是采用所述的基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量裝置的液體密度測量方法，將箱體定位結(jié)構(gòu)ι與梯形棱鏡2組成密閉結(jié)構(gòu)半浸于盛有待測液體9的容器10中，從結(jié)構(gòu)光光源3發(fā)出的結(jié)構(gòu)光光帶透過待測液體9入射到梯形棱鏡2的敏感斜面6上，經(jīng)折射后光帶在梯形棱鏡2內(nèi)部經(jīng)過多次反射之后在測量斜面8再次發(fā)生折射，出射光帶入射到面陣CCD4 上；當(dāng)液體密度改變時(shí)，入射光帶折射角發(fā)生變化，光束在棱鏡內(nèi)部的反射角也相應(yīng)發(fā)生變化，在面陣(XD4上光帶的像斑帶隨之出現(xiàn)位移；建立面陣(XD4上光帶的像斑帶與液體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由像斑帶位置測出液體的密度。該測量裝置及測量方法操作相對(duì)簡便易于使用，具有具有精度高、性噪比高，受液體流動(dòng)和溫度變化影響極小、可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)。面陣CCD像元成二維排列，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD表面后，光學(xué)信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，有著可直接獲取二維圖像信息，測量圖像直觀的優(yōu)點(diǎn)。利用液體折射率隨著液體濃度變化的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)光光源產(chǎn)生的平行光束作為入射光源，面陣CCD作為折射光線接收端獲取特征圖像，建立液體濃度與特征圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以簡便的測量出液體的濃度。該方法不僅具有光學(xué)測量時(shí)相對(duì)簡便，易于使用，受液體流動(dòng)和溫度變化影響極小、可在腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于面陣CCD相比線陣CCD能更多得采集有效特征數(shù)據(jù)，光源位置輕微變化時(shí)也可以準(zhǔn)確測量，因此該方法還具有精度高，性噪比高，系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是入射光帶在梯形棱鏡中多次反射后出射的示意圖；圖3是面陣CXD上光強(qiáng)分布示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，基于面陣CCD與結(jié)構(gòu)光的液體密度光學(xué)測量裝置及測量方法由箱體定位結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)光光源3、梯形棱鏡2、面陣CCD4、電路單元5，其特征是箱體定位結(jié)構(gòu)1與梯形棱鏡2寬度一致，梯形棱鏡2置于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部下表面，梯形棱鏡2的敏感斜面 6下端與箱體定位結(jié)構(gòu)1下表面的左邊緣重合，梯形棱鏡2的測量斜面8上端與箱體定位結(jié)構(gòu)1的中部端面7右側(cè)邊緣重合，箱體定位結(jié)構(gòu)1與梯形棱鏡2組成密閉結(jié)構(gòu)；梯形棱鏡 2的敏感斜面6暴漏于待測液體9中，測量斜面8密封于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部密閉空間中； 結(jié)構(gòu)光光源3安裝于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)，結(jié)構(gòu)光光源3與梯形棱鏡2的敏感斜面6相對(duì)且垂直于箱體定位結(jié)構(gòu)1底面；電路單元5嵌于箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部密閉空間中，面陣CCD 4 嵌于電路單元5的下表面，面陣CCD4的數(shù)據(jù)采集面與梯形棱鏡2測量斜面8相對(duì)且垂直于梯形棱鏡2底面。電路單元5為面陣CCD 4提供電源驅(qū)動(dòng)，面陣CCD 4將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娐穯卧?進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將箱體定位結(jié)構(gòu)1與梯形棱鏡2組成密閉結(jié)構(gòu)半浸于盛有待測液體9的容器10 中，梯形棱鏡2上下表面具有內(nèi)反功能，從結(jié)構(gòu)光光源3發(fā)出的結(jié)構(gòu)光光帶透過待測液體9 入射到梯形棱鏡2的敏感斜面6上，經(jīng)折射后光帶在梯形棱鏡2內(nèi)部經(jīng)過多次反射之后在測量斜面8再次發(fā)生折射，出射光帶入射到面陣CCD4上；當(dāng)液體密度改變時(shí)，入射光帶折射角發(fā)生變化，光束在棱鏡內(nèi)部的反射角也相應(yīng)發(fā)生變化，在面陣CCD4上光帶的像斑帶隨之出現(xiàn)位移；建立面陣CCD4上光帶的像斑帶與液體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由像斑帶位置測出液體的密度。結(jié)合圖2，從結(jié)構(gòu)光光源3發(fā)出的結(jié)構(gòu)光光帶透過待測液體9入射到梯形棱鏡2位于箱體定位結(jié)構(gòu)1外部的斜面上；入射光帶經(jīng)折射后在梯形棱鏡2中多次反射，從另一個(gè)斜面射出。結(jié)合圖3，出射光帶照射到箱體定位結(jié)構(gòu)1內(nèi)部密閉空間內(nèi)的面陣CCD4的芯片上，在面陣CCD4上接收到光強(qiáng)。待測液體9密度改變時(shí)折射率也隨之變化，導(dǎo)致出射光在面陣CCD4的芯片上光強(qiáng)分布發(fā)生位移，通過這些位移信息可實(shí)現(xiàn)液體密度測量。建立面陣 CCD4上像斑帶與液體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由像斑帶位置就可以測出液體的密度。利用面陣CCD4上光帶特征像素點(diǎn)較多的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理可以精確測量液體密度。其中 XOZ平面表示CCD所在平面。Y軸表示面陣CCD上接收到的光強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量裝置，包括箱體定位結(jié)構(gòu)(1)、結(jié)構(gòu)光光源(3)、梯形棱鏡(2)、面陣CCD (4)、電路單元(5)，其特征是箱體定位結(jié)構(gòu)(1)與梯形棱鏡 (2)寬度一致，梯形棱鏡(2)置于箱體定位結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)部下表面，梯形棱鏡(2)的敏感斜面 (6)下端與箱體定位結(jié)構(gòu)(1)下表面的左邊緣重合，梯形棱鏡(2)的測量斜面(8)上端與箱體定位結(jié)構(gòu)(1)的中部端面(7)右側(cè)邊緣重合，箱體定位結(jié)構(gòu)(1)與梯形棱鏡(2)組成密閉結(jié)構(gòu)；梯形棱鏡(2)的敏感斜面(6)暴漏于待測液體(9)中，測量斜面(8)密封于箱體定位結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)部密閉空間中；結(jié)構(gòu)光光源(3)安裝于箱體定位結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)，結(jié)構(gòu)光光源(3) 與梯形棱鏡(2)的敏感斜面(6)相對(duì)且垂直于箱體定位結(jié)構(gòu)(1)底面；電路單元(5)嵌于箱體定位結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)部密閉空間中，面陣CCD(4)嵌于電路單元(5)的下表面，面陣CCD(4) 的數(shù)據(jù)采集面與梯形棱鏡(2)測量斜面(8)相對(duì)且垂直于梯形棱鏡(2)底面。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量裝置的液體密度測量方法，其特征是將箱體定位結(jié)構(gòu)(1)與梯形棱鏡(2)組成密閉結(jié)構(gòu)半浸于盛有待測液體 (9)的容器(10)中，從結(jié)構(gòu)光光源(3)發(fā)出的結(jié)構(gòu)光光帶透過待測液體(9)入射到梯形棱鏡(2)的敏感斜面(6)上，經(jīng)折射后光帶在梯形棱鏡(2)內(nèi)部經(jīng)過多次反射之后在測量斜面(8)再次發(fā)生折射，出射光帶入射到面陣CCD (4)上；當(dāng)液體密度改變時(shí)，入射光帶折射角發(fā)生變化，光束在棱鏡內(nèi)部的反射角也相應(yīng)發(fā)生變化，在面陣CCD(4)上光帶的像斑帶隨之出現(xiàn)位移；建立面陣CCD(4)上光帶的像斑帶與液體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由像斑帶位置測出液體的密度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于結(jié)構(gòu)光的面陣CCD液體密度測量裝置及測量方法。測量裝置主要由箱體定位結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)光光源、梯形棱鏡、面陣CCD、電路單元組成。從結(jié)構(gòu)光光源發(fā)出的結(jié)構(gòu)光光帶透過待測液體入射到梯形棱鏡的敏感斜面上，經(jīng)折射后光帶在梯形棱鏡內(nèi)部經(jīng)過多次反射之后在測量斜面再次發(fā)生折射，出射光帶入射到面陣CCD上；當(dāng)液體密度改變時(shí)，入射光帶折射角發(fā)生變化，光束在棱鏡內(nèi)部的反射角也相應(yīng)發(fā)生變化，在面陣CCD上光帶的像斑帶隨之出現(xiàn)位移；建立CCD上像斑帶與液體密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由像斑帶位置測出液體的密度。該測量方法結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，可以實(shí)時(shí)測量液體密度的變化，并可在強(qiáng)腐蝕性等惡劣工業(yè)環(huán)境中工作。
文檔編號(hào)G01N9/24GK102353613SQ201110302220
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者溫強(qiáng), 王啟光, 胡靜怡, 董明偉 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)