专利名称：基于结构光的面阵ccd液体密度测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种液体密度测量装置及方法，具体地说是一种基于面阵CXD的与结构光的液体密度测量装置及测量方法。
背景技术：
在石油、化工、冶金、食品、医药等工业领域均需要对溶液密度进行测量。传统的液体密度光学测量方法中，如阿贝折射仪测量范围相对较�。也荒苁迪衷谙哂胱远饬浚欢眯庖遣饷芏龋皇视糜谛庑缘娜芤海参薹ㄊ迪衷谙哂胱远饬浚捎谝咳搜劾磁卸先质映〉牧炼仁欠裣嗤菀撞洗蟮奈蟛睿挥孟哒驝CD测量液体密度，数据采集发生在一维的空间上，由于系统结构受温度，震动等因素影响，容易造成数据无法采集或者产生较大误差。目前基于CCD的液体密度测量方法主要有一、基于线阵CCD的光学折射法该方法的实现原理是让一束平行光斜入射到装有待测溶液的矩形玻璃的一个侧面，并从另一面射出，由CCD接收。出射光与入射光平行但不在同一直线上，即出射光相对于入射光有一侧向位移。由于溶液折射率受密度变化影响，导致这一侧向位移随液体密度的改变而变化。因此，可以根据位移量测出液位。这种方法采用LED作为光源，玻璃和液体不能过厚，否则减弱光信号，且灵敏度不高，入射角的变化增加测量误差。二、基于线阵CCD的棱镜最小偏向角法该方法的实现原理是将溶液盛入空心三棱镜中，一束激光入射到三棱镜上，从另一面出射的光相对于入射光有一偏向角，记录出射光在满足最小偏向角情况下在CCD上成像的位置。当溶液密度发生变化时，液体折射率改变，进而导致最小偏向角改变，在CCD上的成像出现位移。通过测量最小偏向角与密度之间的关系，用查表方式可以测出液体密度。该方法将最小偏向角与密度之间的关系近似为线性进行拟合，且在测量偏向角时误差较大， 易受外界环境影响，灵敏度不高。三、基于线阵CCD的利用梯形棱镜的光学折射法，该方法以激光作为光源，入射光透过液体射入梯形棱镜的一端，在玻璃内部经过多次的反射之后从另一端射出，再透过液体由CXD接收。CXD上像斑便可与液体密度建立对应关系，从像斑就可以测出液体的密度。该方法利用线阵CCD数据采集量�。垢扇拍芰ο喽越系�。面阵CCD像元成二维排列，当光学系统成像在CCD表面(靶面)后，光学信号可以转换成电信号，有着可直接获取二维图像信息，测量图像直观的优点。利用液体折射率随着液体浓度变化的特点，将结构光光源产生的平行光束作为入射光源，面阵CCD作为折射光线接收端获取特征图像，建立液体浓度与特征图像的对应关系，可以简便的测量出液体的浓度。该方法不仅具有光学测量时相对简便，易于使用，受液体流动和温度变化影响极小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点，同时由于面阵CCD相比线阵CCD能更多得采集有效特征数据，光源位置轻微变化时也可以准确测量，因此该方法还具有精度高，性噪比高，系统稳定性高等优点
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简便，易于使用，具有具有精度高、性噪比高，受液体流动和温度变化影响极�。稍诟葱缘榷窳庸ひ祷肪诚鹿ぷ鞯幕诮峁构獾拿嬲� CCD液体密度测量装置。本发明的目的还在于提供一种液体密度测量方法。本发明的目的是这样实现的本发明的基于结构光的面阵CCD液体密度测量装置包括包括箱体定位结构1、结构光光源3、梯形棱镜2、面阵CCD4、电路单元5，其特征是 箱体定位结构1与梯形棱镜2宽度一致，梯形棱镜2置于箱体定位结构1内部下表面，梯形棱镜2的敏感斜面6下端与箱体定位结构1下表面的左边缘重合，梯形棱镜2的测量斜面8 上端与箱体定位结构1的中部端面7右侧边缘重合，箱体定位结构1与梯形棱镜2组成密闭结构；梯形棱镜2的敏感斜面6暴漏于待测液体9中，测量斜面8密封于箱体定位结构1 内部密闭空间中；结构光光源3安装于箱体定位结构1内，结构光光源3与梯形棱镜2的敏感斜面6相对且垂直于箱体定位结构1底面；电路单元5嵌于箱体定位结构1内部密闭空间中，面阵CCD 4嵌于电路单元5的下表面，面阵CCD4的数据采集面与梯形棱镜2测量斜面8相对且垂直于梯形棱镜2底面。本发明的基于结构光的面阵CCD液体密度测量方法是采用所述的基于结构光的面阵CCD液体密度测量装置的液体密度测量方法，将箱体定位结构ι与梯形棱镜2组成密闭结构半浸于盛有待测液体9的容器10中，从结构光光源3发出的结构光光带透过待测液体9入射到梯形棱镜2的敏感斜面6上，经折射后光带在梯形棱镜2内部经过多次反射之后在测量斜面8再次发生折射，出射光带入射到面阵CCD4 上；当液体密度改变时，入射光带折射角发生变化，光束在棱镜内部的反射角也相应发生变化，在面阵(XD4上光带的像斑带随之出现位移；建立面阵(XD4上光带的像斑带与液体密度的对应关系，从而由像斑带位置测出液体的密度。该测量装置及测量方法操作相对简便易于使用，具有具有精度高、性噪比高，受液体流动和温度变化影响极小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点。面阵CCD像元成二维排列，当光学系统成像在CCD表面后，光学信号可以转换成电信号，有着可直接获取二维图像信息，测量图像直观的优点。利用液体折射率随着液体浓度变化的特点，将结构光光源产生的平行光束作为入射光源，面阵CCD作为折射光线接收端获取特征图像，建立液体浓度与特征图像的对应关系，可以简便的测量出液体的浓度。该方法不仅具有光学测量时相对简便，易于使用，受液体流动和温度变化影响极小、可在腐蚀性等恶劣工业环境下工作等优点，同时由于面阵CCD相比线阵CCD能更多得采集有效特征数据，光源位置轻微变化时也可以准确测量，因此该方法还具有精度高，性噪比高，系统稳定性高等优点。
图1是装置的结构示意图；图2是入射光带在梯形棱镜中多次反射后出射的示意图；图3是面阵CXD上光强分布示意图。
具体实施例方式结合图1，基于面阵CCD与结构光的液体密度光学测量装置及测量方法由箱体定位结构1、结构光光源3、梯形棱镜2、面阵CCD4、电路单元5，其特征是箱体定位结构1与梯形棱镜2宽度一致，梯形棱镜2置于箱体定位结构1内部下表面，梯形棱镜2的敏感斜面 6下端与箱体定位结构1下表面的左边缘重合，梯形棱镜2的测量斜面8上端与箱体定位结构1的中部端面7右侧边缘重合，箱体定位结构1与梯形棱镜2组成密闭结构；梯形棱镜 2的敏感斜面6暴漏于待测液体9中，测量斜面8密封于箱体定位结构1内部密闭空间中； 结构光光源3安装于箱体定位结构1内，结构光光源3与梯形棱镜2的敏感斜面6相对且垂直于箱体定位结构1底面；电路单元5嵌于箱体定位结构1内部密闭空间中，面阵CCD 4 嵌于电路单元5的下表面，面阵CCD4的数据采集面与梯形棱镜2测量斜面8相对且垂直于梯形棱镜2底面。电路单元5为面阵CCD 4提供电源驱动，面阵CCD 4将采集到的图像数据传输到电路单元5进行数据处理。将箱体定位结构1与梯形棱镜2组成密闭结构半浸于盛有待测液体9的容器10 中，梯形棱镜2上下表面具有内反功能，从结构光光源3发出的结构光光带透过待测液体9 入射到梯形棱镜2的敏感斜面6上，经折射后光带在梯形棱镜2内部经过多次反射之后在测量斜面8再次发生折射，出射光带入射到面阵CCD4上；当液体密度改变时，入射光带折射角发生变化，光束在棱镜内部的反射角也相应发生变化，在面阵CCD4上光带的像斑带随之出现位移；建立面阵CCD4上光带的像斑带与液体密度的对应关系，从而由像斑带位置测出液体的密度。结合图2，从结构光光源3发出的结构光光带透过待测液体9入射到梯形棱镜2位于箱体定位结构1外部的斜面上；入射光带经折射后在梯形棱镜2中多次反射，从另一个斜面射出。结合图3，出射光带照射到箱体定位结构1内部密闭空间内的面阵CCD4的芯片上，在面阵CCD4上接收到光强。待测液体9密度改变时折射率也随之变化，导致出射光在面阵CCD4的芯片上光强分布发生位移，通过这些位移信息可实现液体密度测量。建立面阵 CCD4上像斑带与液体密度的对应关系，从而由像斑带位置就可以测出液体的密度。利用面阵CCD4上光带特征像素点较多的特点，对数据进行图像处理可以精确测量液体密度。其中 XOZ平面表示CCD所在平面。Y轴表示面阵CCD上接收到的光强。
权利要求
1.一种基于结构光的面阵CCD液体密度测量装置，包括箱体定位结构(1)、结构光光源(3)、梯形棱镜(2)、面阵CCD (4)、电路单元(5)，其特征是箱体定位结构(1)与梯形棱镜 (2)宽度一致，梯形棱镜(2)置于箱体定位结构(1)内部下表面，梯形棱镜(2)的敏感斜面 (6)下端与箱体定位结构(1)下表面的左边缘重合，梯形棱镜(2)的测量斜面(8)上端与箱体定位结构(1)的中部端面(7)右侧边缘重合，箱体定位结构(1)与梯形棱镜(2)组成密闭结构；梯形棱镜(2)的敏感斜面(6)暴漏于待测液体(9)中，测量斜面(8)密封于箱体定位结构(1)内部密闭空间中；结构光光源(3)安装于箱体定位结构(1)内，结构光光源(3) 与梯形棱镜(2)的敏感斜面(6)相对且垂直于箱体定位结构(1)底面；电路单元(5)嵌于箱体定位结构(1)内部密闭空间中，面阵CCD(4)嵌于电路单元(5)的下表面，面阵CCD(4) 的数据采集面与梯形棱镜(2)测量斜面(8)相对且垂直于梯形棱镜(2)底面。
2.一种采用权利要求1所述的基于结构光的面阵CCD液体密度测量装置的液体密度测量方法，其特征是将箱体定位结构(1)与梯形棱镜(2)组成密闭结构半浸于盛有待测液体 (9)的容器(10)中，从结构光光源(3)发出的结构光光带透过待测液体(9)入射到梯形棱镜(2)的敏感斜面(6)上，经折射后光带在梯形棱镜(2)内部经过多次反射之后在测量斜面(8)再次发生折射，出射光带入射到面阵CCD (4)上；当液体密度改变时，入射光带折射角发生变化，光束在棱镜内部的反射角也相应发生变化，在面阵CCD(4)上光带的像斑带随之出现位移；建立面阵CCD(4)上光带的像斑带与液体密度的对应关系，从而由像斑带位置测出液体的密度。
全文摘要
本发明公开一种基于结构光的面阵CCD液体密度测量装置及测量方法。测量装置主要由箱体定位结构、结构光光源、梯形棱镜、面阵CCD、电路单元组成。从结构光光源发出的结构光光带透过待测液体入射到梯形棱镜的敏感斜面上，经折射后光带在梯形棱镜内部经过多次反射之后在测量斜面再次发生折射，出射光带入射到面阵CCD上；当液体密度改变时，入射光带折射角发生变化，光束在棱镜内部的反射角也相应发生变化，在面阵CCD上光带的像斑带随之出现位移；建立CCD上像斑带与液体密度的对应关系，从而由像斑带位置测出液体的密度。该测量方法结构简单，稳定性高，可以实时测量液体密度的变化，并可在强腐蚀性等恶劣工业环境中工作。
文档编号G01N9/24GK102353613SQ201110302220
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者温强, 王启光, 胡静怡, 董明伟 申请人:哈尔滨工程大学
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