一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置及方法与流程

1.本发明涉及液位传感器技术领域，特别涉及一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.液位测量是指实时监控待测液面，为监控人员提供信息，液面可以是河道水位、水库水位、海水水位、储水罐水位、储油罐液位、化学溶液液位等。应用场合从水涝监控到大型储油罐储量控制等，广泛应用于农业、环境、石油化工、冶金等行业，是安全检测的重要一环。目前常用的液位计有浮子式液位计、差压式液位计、电容式液位计、超声波液位计和雷达液位计等。
4.雷达液位计分为接触式和非接触式，非接触式即是借助电磁波技术进行非接触式液位测量的仪表，早期雷达采用微波频段，受限于波长，测量的精度不高，近年来随着毫米波技术的发展，雷达液位计开始采用毫米波波段。从信号方式上看又分为脉冲和连续波式，当前连续调频波(fmcw)信号方式是主要的信号模式。在这种信号调制模式下，带宽宽大、频率高、发射功率小优势，因此测试精度高，最高可以达到
±
0.7mm，而国内的产品最高普遍在
±
3mm。因此，毫米波fmcw雷达液位计是实现高精度液位测量的理想装置。
5.发明人发现，目前毫米波的液位计都是针对非接触性测量的，缺少对液位淹没仪器的预判和对后果解决方法。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置及方法，结合毫米波液位非接触测量和高度压力传感器的组合使用，实现对液位的更高精度测量，解决极端情况下的液位暴涨后的测量难题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置。
9.一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置，包括：控制终端以及与控制终端通信的毫米波雷达和高度传感器，控制终端控制毫米波雷达和高度传感器的启闭，并根据毫米波雷达和/或高度传感器测量结果得到当前液位。
10.进一步的，毫米波雷达的射频单元包括微带天线和透镜，微带天线用于发射信号，透镜用于信号聚焦和准直。
11.更进一步的，透镜和微带天线之间留有预设空隙。
12.更进一步的，透镜为双曲面透镜。
13.更进一步的，所述透镜为特氟龙塑料材质。
14.进一步的，高度传感器设置在壳体内，比透镜低出预设距离，壳体的开窗作为高度传感器的液体进入窗口。
15.进一步的，所述高度传感器为高度压力传感器。
16.进一步的，所述控制终端通过5g通信模块与外置控制终端通信。
17.本发明第二方面提供了一种利用融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置的测量方法，包括以下过程：
18.控制终端控制毫米波雷达开启，得到发射天线到液面的第一距离，根据第一距离与发射天线距离液体最底部的第二距离，得到当前第一液位；
19.当液面上升到距离毫米波雷达的透镜预设距离时，控制终端控制毫米波雷达停止工作；
20.控制终端控制高度传感器开启，根据高度传感器的数值得到当前液面到液位测量装置的第三距离，根据第一液位和第三距离，得到当前第二液位。
21.进一步的，当透镜距离液面第四距离厘米时，高度传感器开始进入液体中，并实时测试液位深度；
22.当前的液位深度数据被暂存在控制终端中，并保持预设时间间隔的刷新，此时毫米波测试的数据每间隔预设时间间隔变化的数据与高度压力传感器内间隔预设时间间隔变化的数据作对比，并计算差值；
23.根据液位上升的情况，判断在第四距离到第五距离之间高度刷新的次数，保存每次差值，并取第四距离到第五距离之间高度中多次测量的差值的平均值；
24.当第一液位小于或等于第五距离时，毫米波雷达停止工作，保存当前数据，高度压力传感器不断刷新测试数据；
25.把毫米波雷达的测量值加上高度传感器测量值，再加上平均值作为当前测试的最终液位值。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.1、本发明融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置及方法，结合毫米波液位非接触测量和高度压力传感器的组合使用，实现对液位的更高精度测量，避免了液体淹没测量装置带来的测量失效问题。
28.2、本发明根据液位上升的情况，判断在第四距离到第五距离之间高度刷新的次数，保存每次差值，并取第四距离到第五距离之间高度中多次测量的差值的平均值，在最终的液位中加入了平均值，有效的实现了两种测量方式的融合，极大的降低了测量误差。
29.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1为本发明实施例提供的融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置示意图。
32.图2为本发明实施例提供的透镜设计示意图。
33.图3为本发明实施例提供的信号流转示意图。
34.1、控制终端；2、射频单元；3、微带天线；4、透镜；5、显示屏幕；6、5g通信模块；7、5g
天线；8、供电线缆；9、电池；10、高度传感器；11、警报器；12、外壳。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.实施例1：
40.本发明实施例1提供了一种融合毫米波雷达和高度传感器的液位测量装置，包括：控制终端1以及与控制终端通信的毫米波雷达和高度传感器10，控制终端1控制毫米波雷达和高度传感器的启闭，并根据毫米波雷达和/或高度传感器测量结果得到当前液位。
41.具体的，如图1所示，所述液位测量装置，包括：射频单元2、微带天线3、透镜4、显示屏幕5、5g通信模块6、5g天线7、供电线缆8、电池9、高度传感器10、警报器11和外壳12。
42.其中，以采用单片机作为控制终端1，可以设置为工作和低功耗等待的方式。同时控制毫米波信号的收发，可以设置发射信号的带宽、周期等，与5g通信模块6进行数据传输，接收高度压力传感器的数据。控制终端1对接收的信号处理后，通过5g通信网络进行转发，可以在电脑端或者手机端操作，实现远程查看和监控，并且数据量小，不浪费流量，通讯费用低。
43.射频单元提供120ghz或者77ghz的毫米波连续调频波(fmcw)，其对应的天线部分采用适用于120ghz或者77ghz的透镜集成天线，其构成为：微带天线发射信号，而透镜作为信号聚焦和准直作用，透镜发散角度≤3
°
，增益≥34db，透镜和微带天线之间留有一空隙，间距为6-20mm，作为空气耦合作用，以便实现透镜和微带天线的阻抗匹配，减少反射。
44.透镜设计采用双曲面设计，其设计遵循abbe sine约束条件，采用的公式和示意图如图2所示，具体的计算公式如下：
45.y＝fe·
sin(θ)
46.r+n
·
[(y-r
·
sin(θ))2+(x-r
·
cos(θ))
1/2
]-x＝(n-1)
·
t
[0047]
本实施例所述的双曲面透镜可以实现较高的增益和较大的信号接收面，材质采用特氟龙(ptfe)塑料。
[0048]
高度传感器10采用高度压力传感器，其被设置在在金属壳体内，开窗作为传感器的液体进入窗口，当液位接近透镜时，毫米波测距受限于带宽在0-2.5cm距离内无法分辨，此时可以切换到高度压力传感器工作，压力传感器可以把感应的压力转换成电流的形式输出，根据测试液体的特点，计算出当前设备在液体中的深度，并通过显示屏5显示，或者通过警报器11报警。
[0049]
本实施例中，电池9可以采用锂电池，当然也可以外接电源，例如输电线路中的
220v供电。装置开始工作后，控制终端1控制射频单元发生连续调频波(fmcw)形式的78g或者120g连续调频波，信号带宽5g，可实现2.5cm的分辨率，精度可达到
±
0.7mm，同时保持高度压力传感器处于工作状态，测试当前的大气导致的压力值。
[0050]
信号由透镜输出准直的信号，遇到液体界面一部分被反射，这部分信号由同一透镜天线接收，信号在射频单元中与原信号比较，产生一个单频的中频信号(差频信号)，利用此中频信号的频率即可计算出测量的距离，其计算公式为：
[0051][0052]
式中，r表示测量的距离，c是光速，f
if
是中频，b是带宽，t是信号周期。中频信号经过控制终端处理和转发，一方面可以通过显示屏进行实时、现场显示，一方面可以利用5g通信模块发送通信网络中，发送到电脑端或者手机端，从而实现无线、远距离查看和控制。
[0053]
当液位上升到距离透镜3cm时候，毫米波测试工作停止，控制终端控制射频单元停止工作，保存当前的液位高度，并启动高度压力传感器工作，高度压力传感器是嵌入在包围透镜的外壳上，距离透镜外表面5cm，高度压力传感器根据液位的特征测量其压力，并转换为电压值传输到单片机控制端，控制终端根据公式：
[0054]h高度
＝p
压力
/ρ
密度g重力
[0055]
计算液体深度，与毫米波测试的水位高度相加，从而计算出最终的水位。当液体淹没测试装置的时候，显示屏亮度增加，实时显示当前液位，并发出警报声。
[0056]
其中高度压力传感器是以电压表征高度的，可采用微型压力传感器，传感器输出对应高度的电压值到单片机，单片机通过检测电压值并转换为高度数值，此数值与毫米波信号测量的高度值相加得到最终的水位高度。
[0057]
当液位测量装置被淹没时，由于水中电磁波信号无法传输，通过声波报警和点亮显示屏显示当前的液位。
[0058]
毫米波测试的数据与高度压力传感器测试的数据融合方式为：
[0059]
毫米波测试高度为天线距离液位的距离h1，由已知的河道或者其他场景底部的距离h2，计算出液面高度h3＝h2-h1，测试精度为毫米级，当检测液位h1≤3cm时，存储当前液位高度h3。
[0060]
高度压力传感器位置距离透镜外面5cm处，即当透镜距离液面5cm时，高度压力传感器开始进入液体中，并实时测试液位深度，当前的液位深度数据被暂存在控制终端中，并保持1s刷新一次，此时毫米波测试的数据每1s变化的数据与高度压力传感器内1s变化的数据作对比，并计算差值，根据液位上升的情况，判断在5cm到3cm之间2cm高度刷新的次数，保存每次差值，并取2cm高度中多次测量的差值的平均值
△
h；
[0061]
当液位h1≤3cm时，毫米波测试通道停止工作，保存当前数据，高度压力传感器不断刷新测试数据，此时把毫米波测量值加上高度压力传感器测量值，再加上平均值
△
h作为当前测试的最终值，即液位的高度。
[0062]
可以理解的，本实施例所述的3cm、5cm等具体的距离数值，以及1s等具体的时间数值，本领域技术人员均可以根据具体工况进行选择性设定，这里不再赘述。
[0063]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。