基于光声效应的液位自动测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于光声效应的液位自动测量装置；属于液位测量设备【技术领域】；其技术要点包括具有封闭腔体的测量容器，其中所述测量容器通过导管连接有待测容器；在测量容器上部侧壁上设有透明窗，在透明窗外壁上设有激光器，激光器连接有控制单元，在测量容器内壁上设有与激光器相对的黑色光吸收材料层，控制单元驱动激光器发射激光透过透明窗照射在黑色光吸收材料层上；在测量容器内顶部设有压电传感器，所述压电传感器与控制单元连接，在压电传感器与透明窗之间的测量容器侧壁上设有透气孔；本实用新型旨在提供一种结构合理、制造成本低且测量精度较高的基于光声效应的液位自动测量装置；用于液位自动测量。
【专利说明】基于光声效应的液位自动测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种液位测量装置，更具体地说，尤其涉及一种基于光声效应的 液位自动测量装置。
【背景技术】
[0002] 光声效应是一种光诱导声振动的过程。当物质吸收光后，部分光能量转换成热能， 使物体的温度升高和体积膨胀，如果对入射光进行周期性调制，则在物体内产生周期性振 动，这种周期性振动在空间的传播便形成了声波，声波的频率和入射光的调制频率相同。近 年来，光声效应在监测大气污染、检测物质的吸收谱、测定一些半导体材料的能级跃迀和萤 光物质、光导材料的量子效率、监测光化学过程等方面得到广泛应用。但光声效应应用于液 位测量方面目前还是空白。
[0003] 现有液面高度测量有浮子式液位测量、磁致伸缩液位测量、压差式液位测量、光纤 式液位等方法，但这些方法都是接触式测量；雷达液位测量、超声波液位测量等方法虽不是 接触式测量，但成本不低、精度不高。本实用新型提供一种非接触式、实时、成本低、精度高 等液位测量方法。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构合理、制造成本 低且测量精度较高的基于光声效应的液位自动测量装置。
[0005] 本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于光声效应的液位自动测量装置， 包括具有封闭腔体的测量容器，其中所述测量容器通过导管连接有待测容器；在测量容器 上部侧壁上设有透明窗，在透明窗外壁上设有激光器，激光器连接有控制单元，在测量容器 内壁上设有与激光器相对的黑色光吸收材料层，控制单元驱动激光器发射激光透过透明窗 照射在黑色光吸收材料层上；在测量容器内顶部设有压电传感器，所述压电传感器与控制 单元连接，在压电传感器与透明窗之间的测量容器侧壁上设有透气孔。
[0006] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，所述控制单元由微型计算机及与微 型计算机连接的显示屏、按键装置和驱动电路组成；微型计算机分别与激光器和压电传感 器连接。
[0007] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，所述驱动电路由NPN型三极管Q1、 稳压二极管D8和限流电阻R16组成；NPN型三极管Q1与激光器连接，稳压二极管D8和限 流电阻R16并联后与激光器连接。
[0008] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，在压电传感器和控制单元之间设有 前置电路，所述前置电路由话筒、第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、电容C8、电容 C9、电容C11、电容C13、电容C14、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电 阻R11和电阻R13组成；话筒、电容C13、第一运算放大器OP1的正相输入端、第二运算放大 器OP2的正相输入端和电容C9依序连接；电阻R2和电容C8并联后与电阻R8串联并与话 筒连接；电容Cl 1 一端接地，另一端与电阻R10串联后与第一运算放大器0P1的反相输入端 连接，电阻R3和电阻R7并联后连接在电容C11和电阻R10之间；电阻R11 -端连接在电容 C11和电阻R10之间，另一端连接在电容C13和第一运算放大器0P1的正相输入端之间；电 阻R5连接在第一运算放大器0P1的反相输入端和输出端之间；电容C14和电阻R13串联后 连接在第一运算放大器0P1的正相输入端和第二运算放大器0P2的正相输入端之间。
[0009] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，在前置电路和控制单元之间设有信 号调整电路，所述信号调整电路由第三运算放大器0P3、电阻R4、电阻R6、电阻R12、电容C7、 电容C10、电容C12、二极管D7组成；电阻R6与第三运算放大器0P3的反相输入端连接，电 阻R4连接在第三运算放大器0P3的反相输入端和输出端之间；电容C12和电阻R12并联 后与第三运算放大器0P3的正相输入端连接；第三运算放大器0P3的输出端依序连接电容 C7、二极管D7和电容C10。
[0010] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，所述的黑色光吸收材料层为涂覆在 测量容器内壁上的炭黑涂层。
[0011] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，测量容器和待测容器之间的导管上 设有控制阀。
[0012] 上述的基于光声效应的液位自动测量装置中，所述透气孔的孔径为2?5_。
[0013] 本实用新型采用上述结构后，通过激光器、炭黑层、压电传感器和控制单元配合形 成光声效应自动检测装置。控制单元产生不同频率占空比一定的PWM驱动激光器，压电传 感器反馈检测容器中的共振信号给控制单元，压电传感器接受的信号最大时，信号频率就 是腔体的固有频率。当实验腔体中液位变化时，共振频率随之变化。测量时，通过连接管把 实验容器与待测容器连通，即可实时测量液位。另外，通过信号传输系统，还可实现远距离 液位测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实 用新型的任何限制。
[0015] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0016] 图2是本实用新型控制单元的结构框图；
[0017] 图3是本实用新型控制单元的结构方框图；
[0018] 图4是本实用新型驱动电路的电路图；
[0019] 图5是本实用新型前置电路的电路图；
[0020] 图6是本实用新型信号调整电路的电路图。
[0021] 图中：测量容器1、透明窗la、透气孔lb、待测容器2、激光器3、控制单元4、微型计 算机4a、显示屏4b、按键装置4c、驱动电路4d、黑色光吸收材料层5、压电传感器6、前置电 路7、话筒7a、信号调整电路8、控制阀9。
【具体实施方式】
[0022] 参阅图1和图2所示，本实用新型的一种基于光声效应的液位自动测量装置，包括 具有封闭腔体的测量容器1，测量容器1通过导管连接有待测容器2,为方便后期的维护，在 测量容器1和待测容器2之间的导管上设有控制阀9,控制阀9在正常工作状态下，处于常 开状态，只有在维护或出现意外情况时才关闭；在测量容器1上部侧壁上设有透明窗la，在 透明窗la外壁上设有激光器3,激光器3连接有控制单元4,在测量容器1内壁上设有与激 光器3相对的黑色光吸收材料层5,所述的黑色光吸收材料层5为涂覆在测量容器1内壁上 的炭黑涂层。当然，也可以采用其他本领域常用的光吸收材料。
[0023] 控制单元4驱动测试频率可变占空比一定的激光器3发射激光透过透明窗la照 射在黑色光吸收材料层5上；在测量容器1内顶部设有压电传感器6,所述压电传感器6与 控制单元4连接，在压电传感器6与透明窗la之间的测量容器1侧壁上设有透气孔lb，透 气孔lb用于平衡测量容器1内外的气压，使测量更准确、透气孔lb的孔径不能过大，否则 外部噪音会影响测量的准确度，透气孔lb的孔径为2?5mm。
[0024] 参阅图3所示，具体地，在本实施例中，所述控制单元4由微型计算机4a及与微型 计算机4a连接的显示屏4b、按键装置4c和驱动电路4d组成；微型计算机4a分别与激光 器3和压电传感器6连接。
[0025] 参阅图4所示，所述驱动电路4d由NPN型三极管Q1、稳压二极管D8和限流电阻 R16组成；NPN型三极管Q1与激光器3连接，稳压二极管D8和限流电阻R16并联后与激光 器3连接。其中，NPN型三极管Q1起到开关的以及恒流源的作用，给激光提供稳定电流，稳 压二极管D8与限流电阻R16组成恒压源，其中限流电阻R16为用于保护稳压二极管D8，PWM 信号通过NPN型三极管Q1的B极驱动整个电路达到调制频率的作用。
[0026] 所述微型计算机4a可以采用单片机、可编程逻辑器件以及其他各种类型的处理 器单独使用或组合使用，主要实现产生频率可变占空比一定的PWM信号和采集离散的反馈 信号，其中产生PWM可采用DDS、直接由处理器产生或处理器结合可编程逻辑器件等方法产 生；压电传感器6可采用驻极体或其他可以检测震动的传感器，采集空腔震动信号通过滤 波、放大和斩波后反馈给微型计算机4a。
[0027] 进一步地，在压电传感器6和控制单元4之间设有前置电路7。参阅图5所示，所 述前置电路7由话筒7a、第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、电容C8、电容C9、电容 C11、电容C13、电容C14、电阻R2、电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R11和 电阻R13组成；话筒7a、电容C13、第一运算放大器OP1的正相输入端、第二运算放大器OP2 的正相输入端和电容C9依序连接；电阻R2和电容C8并联后与电阻R8串联并与话筒7a连 接；电容C11 一端接地，另一端与电阻R10串联后与第一运算放大器OP1的反相输入端连 接，电阻R3和电阻R7并联后连接在电容C11和电阻R10之间；电阻R11 -端连接在电容 C11和电阻R10之间，另一端连接在电容C13和第一运算放大器OP1的正相输入端之间；电 阻R5连接在第一运算放大器OP1的反相输入端和输出端之间；电容C14和电阻R13串联后 连接在第一运算放大器OP1的正相输入端和第二运算放大器OP2的正相输入端之间。前置 电路7主要由两级运算放大器组成，其中电阻R2和电容C8组成应该低通滤波器，用于消除 TDD噪声，电阻R8是MIC，即话筒7a的负载阻抗；电容C13连接MIC与运算放大器起到隔直 通交的作用，去除输入的直流分量；电阻R3和电阻R7组成分压电路，用于提高运算放大器 的静态工作点；电容C11起滤波作用，稳定电阻R3与电阻R7分出来的电压，电阻R11为运 算放大器的反向输入电阻，当话筒7a无信号时，运算放大器的两个输入端电压相等，第一 运算放大器OP1由R10和R5组成同相比例放大电路，放大MIC输出信号，R13与C14组成 选频电路，控制输出的信号频率，第二运算放大器0P2为电压跟随器，提高输出电流，最后 一个C9为隔直通交作用，去除直流分量。
[0028] 并且，在前置电路7和控制单元4之间设有信号调整电路8。参阅图6所示，所述 信号调整电路8由第三运算放大器OP3、电阻R4、电阻R6、电阻R12、电容C7、电容C10、电容 C12、二极管D7组成；电阻R6与第三运算放大器OP3的反相输入端连接，电阻R4连接在第 三运算放大器OP3的反相输入端和输出端之间；电容C12和电阻R12并联后与第三运算放 大器OP3的正相输入端连接；第三运算放大器OP3的输出端依序连接电容C7、二极管D7和 电容C10。其中，电容C12和电阻R12组成高通滤波电路，去除较低频率的信号，电阻R4、电 阻R6与第三运算放大器0P3组成同相比例放大电路，将输入信号放大达到微型计算机4a 可处理范围，通过电容C7隔去直流分量，二极管D7采用硅管，去除反向信号和0. 7V以下信 号，通过电容C10滤波后给微型计算机4a进行AD转换。
[0029] 工作时，控制单元4通过控制激光器3产生频率可变占空比不变的激光照射在黑 色光吸收材料层5上使密封空腔产生共振现象；通过压电传感器6反馈给前置电路7和控 制单元4,控制单元4通过扫频或其他方式找到一定频域内最大共振信号；经过多次检测 并记录共振信号最大的频率与液位，通过线性拟合得到液位与频率呈现二阶多项式函数关 系，从而通过最大共振信号频率的检测，可以得到液位。
[0030] 测量原理：每个腔体都有各自的固有振动频率，腔体体积或形状发生改变时腔体 的固有频率也会发生改变。当腔体内的声波频率与腔体的固有频率相同时，就会发生腔体 固有频率和声波频率耦合现象。这时，腔体内的声波振幅达到极大值，当耦合时一阶耦合声 波幅值的极大值是最大的。
[0031] 实验例
[0032] 根据上述方法，取一直径为64mm圆柱形腔体，测量腔体内部不同水位的共振频率 值如下表1所示。
[0033]表1
[0034]
【权利要求】
1. 一种基于光声效应的液位自动测量装置，包括具有封闭腔体的测量容器（1)，其特 征在于，所述测量容器（1)通过导管连接有待测容器（2);在测量容器（1)上部侧壁上设有 透明窗（la)，在透明窗（la)外壁上设有激光器（3)，激光器（3)连接有控制单元（4)，在测 量容器⑴内壁上设有与激光器⑶相对的黑色光吸收材料层（5)，控制单元⑷驱动激光 器（3)发射激光透过透明窗（la)照射在黑色光吸收材料层（5)上；在测量容器（1)内顶部 设有压电传感器（6)，所述压电传感器（6)与控制单元（4)连接，在压电传感器（6)与透明 窗（la)之间的测量容器⑴侧壁上设有透气孔（lb)。
2. 根据权利要求1所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，所述控制 单元（4)由微型计算机（4a)及与微型计算机（4a)连接的显示屏（4b)、按键装置（4c)和驱 动电路（4d)组成；微型计算机（4a)分别与激光器（3)和压电传感器（6)连接。
3. 根据权利要求2所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，所述驱动 电路（4d)由NPN型三极管Q1、稳压二极管D8和限流电阻R16组成；NPN型三极管Q1与激 光器（3)连接，稳压二极管D8和限流电阻R16并联后与激光器（3)连接。
4. 根据权利要求1或2所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，在压 电传感器（6)和控制单元⑷之间设有前置电路（7)，所述前置电路（7)由话筒（7a)、第一 运算放大器0P1、第二运算放大器0P2、电容C8、电容C9、电容C11、电容C13、电容C14、电阻 R2、电阻R3、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻Rl 1和电阻R13组成；话筒（7a)、电容 C13、第一运算放大器0P1的正相输入端、第二运算放大器0P2的正相输入端和电容C9依序 连接；电阻R2和电容C8并联后与电阻R8串联并与话筒（7a)连接；电容C11 一端接地，另 一端与电阻R10串联后与第一运算放大器0P1的反相输入端连接，电阻R3和电阻R7并联 后连接在电容Cl 1和电阻R10之间；电阻Rl 1 -端连接在电容Cl 1和电阻R10之间，另一端 连接在电容C13和第一运算放大器0P1的正相输入端之间；电阻R5连接在第一运算放大器 0P1的反相输入端和输出端之间；电容C14和电阻R13串联后连接在第一运算放大器0P1的 正相输入端和第二运算放大器0P2的正相输入端之间。
5. 根据权利要求4所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，在前置电 路（7)和控制单元（4)之间设有信号调整电路（8)，所述信号调整电路（8)由第三运算放大 器0P3、电阻R4、电阻R6、电阻R12、电容C7、电容C10、电容C12、二极管D7组成；电阻R6与 第三运算放大器0P3的反相输入端连接，电阻R4连接在第三运算放大器0P3的反相输入端 和输出端之间；电容C12和电阻R12并联后与第三运算放大器0P3的正相输入端连接；第三 运算放大器0P3的输出端依序连接电容C7、二极管D7和电容CIO。
6. 根据权利要求1所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，所述的黑 色光吸收材料层（5)为涂覆在测量容器（1)内壁上的炭黑涂层。
7. 根据权利要求1所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，测量容器 (1)和待测容器⑵之间的导管上设有控制阀（9)。
8. 根据权利要求1所述的基于光声效应的液位自动测量装置，其特征在于，所述透气 孔（lb)的孔径为2?5mm〇
【文档编号】G01F23/22GK204241067SQ201420807137
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】卢劲屹, 李惠玲, 朱健, 赖日培, 黄秀平 申请人:嘉应学院