液位数据检测装置及方法与流程

本发明涉及排水管网领域，具体而言，涉及一种液位数据检测装置及方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，人们对雨水、污水、中水、河道、湖泊、道路等市政与水利领域的液位监测需求越来越大。近些年，我国多个城市在每年雨季都会发生内涝事件，呈现了发生范围广、积水深度大、积水时间长的特点。内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。

准确地监测液位数据是解决城市内涝事件的基础。现有技术主要采用超声波传感器直接收发超声波的方式获得需要检测的水域的液位数据。然而，这种方式存在超声波回波(反射波)能量值小，从而存在检测的液位数据不准确的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种液位数据检测装置及方法，旨在提高获得待测水域的准确的液位数据的准确度。

第一方面，本发明实施例提供了一种液位数据检测装置，包括：超声波传感器、控制器和超声波聚波罩；

所述超声波聚波罩包括一个曲面；

所述控制器与所述超声波传感器连接；所述曲面的凹面与所述超声波传感器相对，且所述曲面的凹面能够将所述超声波传感器发出的超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并能够将沿着所述第一反射波束方向平行进入所述凹面的超声波汇聚到所述超声波传感器上；

所述控制器控制所述超声波传感器发出超声波，所述超声波到达所述曲面的凹面，所述曲面将所述超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将所述超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到所述超声波传感器上；所述超声波传感器将所述第二反射波转成电信号发送至所述控制器；所述控制器根据所述电信号获得所述待测水域的液位数据。

可选的，所述曲面是从一抛物面上截取的曲面，所述超声波传感器设置在所述曲面的焦点上。

可选的，所述超声波聚波罩还包括第一平板、第二平板和第三平板，所述第一平板与所述第二平板平行设置，所述第三平板与所述第一平板和所述第二平板垂直设置，所述曲面设置在所述第一平板、所述第二平板和所述第三平板之间。

可选的，所述曲面包括四个边缘，其中两个边缘可以与所述抛物面的母线重合，另外两个边缘所在平面与所述抛物面的轴线垂直；

所述曲面的可以与所述抛物面的母线重合的两个边缘分别与所述第一平板和所述第二平板连接，所述曲面的另外两个边缘的其中一个边缘与所述第三平板连接。

可选的，所述第一平板和第二平板包括第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘，所述第一边缘与所述三边缘平行，所述第四边缘与所述第一边缘和所述第三边缘垂直；

所述第一平板与所述第二平板平行，所述第一平板的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘分别与所述第二平板的第一边缘、第二边缘第三边缘和第四边缘相对；

所述第一平板和所述第二平板的第二边缘呈抛物线，所述抛物线与所述抛物面的母线重合，以使所述曲面可以与所述第一平板和所述第二平板紧密贴合；

所述第三平板与所述第一平板和所述第二平板的第一边缘紧密贴合。

可选的，所述第一平板、所述第二平板、所述第三平板和所述曲面一体成型。

可选的，所述装置还包括保护箱体，所述控制器设置在所述保护箱体内；

所述超声波聚波罩通过所述第四边缘与所述保护箱体的外壁连接；

所述超声波传感器设置在所述保护箱体外壁上，且被所述超声波聚波罩包围。

可选的，所述装置还包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制器连接；

所述压力传感器用于检测所述超声波传感器的盲区范围内的压力，将检测得到的压力信号发送至所述控制器；所述控制器根据所述压力信号获得所述待测水域的液位数据。

可选的，所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接；

所述温度传感器用于检测超声波发波路径上的环境温度，将检测得到的温度信号发送至所述控制器，所述控制器根据所述温度信号补偿所述液位数据。

第二方面，本发明实施例提供了一种液位数据检测方法，应用上述任一项所述的液位数据检测装置，包括：

所述控制器控制所述超声波传感器发出超声波，所述超声波到达所述曲面的凹面，所述曲面将所述超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将所述超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到所述超声波传感器上；

所述超声波传感器将所述第二反射波转成电信号发送至所述控制器；

所述控制器根据所述电信号获得所述待测水域的液位数据。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明实施例提供了一种液位数据检测装置及方法，所述装置包括：超声波传感器、控制器和超声波聚波罩；超声波聚波罩包括一个曲面；控制器与超声波传感器连接；曲面的凹面与超声波传感器相对，且曲面的凹面能够将超声波传感器发出的超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器上。通过控制器控制超声波传感器发出超声波，超声波到达所述曲面的凹面，曲面将超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到超声波传感器上；超声波传感器将第二反射波转成电信号发送至控制器；控制器根据电信号获得待测水域的液位数据。曲面的凹面能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器上，增强了超声波传感器获得的超声波的回波能量值，从而增强了发送到控制器的电信号，控制器根据电信号获得待测水域的液位数据，从而提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度。因此。解决了现有技术中存在的超声波第二反射波能量值小，从而存在检测的液位数据不准确的技术问题，达到了提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度的技术效果。

本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种液位数据检测装置100的结构示意图。

图2示出了本发明实施例提供的一种抛物线的图。

图3示出了本发明实施例提供的一种抛物面的剖面图。

图4示出了本发明实施例提供的一种超声波聚波罩的形状图。

图5示出了本发明实施例提供的一种液位数据检测方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。

要解决和应对城市内涝事件，一方面要靠工程措施，通过规划设计提高标准，完善城市排水防涝系统，并对城市地表的不透水地表进行控制，减少源头径流产生量，增加下游受纳水体的蓄排能力；另一方面要靠管理措施，建立排水监测与预警系统，为政府部门提供排水系统运行的动态监测数据，为大众出行提供精细化的及时预警预报信息，以便科学有效应对不同程度的城市内涝事件。

现有技术中的超声波液位检测方法采用超声波传感器直接收发波的方式，存在超声波回波能量值小、检测距离近以及在检测液位的过程中存在盲区过大或者有检测盲区的技术问题，且对超声波设备的安装要求比较高，故现有技术的液位数据裁量方法不能满足人们需求。因此一种方便、快捷、稳定、方便实施和安装的对液位数据进行检测的装置为人们所急需。

为此，本发明实施例提供了本发明实施例提供了一种液位数据检测装置及方法，用以解决现有技术中存在的超声波回波能量值小、检测距离近以及在检测液位的过程中存在盲区过大或者有检测盲区使得现有技术检测的液位数据不准确的技术问题。

实施例

本发明实施例提供的一种液位数据检测装置100，包括如图1所示的超声波传感器110、控制器120和超声波聚波罩130。

超声波聚波罩130包括一个曲面131，控制器120与超声波传感器110连接，曲面131的凹面与超声波传感器110相对，且曲面131的凹面能够将超声波传感器110发出的超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器110上。

通过控制器120控制超声波传感器110发出超声波，超声波到达所述曲面131的凹面，曲面131将超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到超声波传感器110上；超声波传感器110将第二反射波转成电信号发送至控制器120；控制器120根据电信号获得待测水域的液位数据。

通过采用以上方案，所述装置包括：超声波传感器110、控制器120和超声波聚波罩130；超声波聚波罩130包括一个曲面131；控制器120与超声波传感器110连接；曲面131的凹面与超声波传感器110相对，且曲面131的凹面能够将超声波传感器110发出的超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器110上。通过控制器120控制超声波传感器110发出超声波，超声波到达所述曲面131的凹面，曲面131将超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到超声波传感器110上；超声波传感器110将第二反射波转成电信号发送至控制器120；控制器120根据电信号获得待测水域的液位数据。曲面131的凹面能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器110上，增强了超声波传感器110获得的超声波的回波能量值，从而增强了发送到控制器120的电信号，控制器120根据电信号获得待测水域的液位数据，从而提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度。因此。解决了现有技术中存在的超声波第二反射波能量值小，从而存在检测的液位数据不准确的技术问题，达到了提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度的技术效果。

为了能够实现曲面131的聚波效果，作为一种可选的实施方式，曲面131是从一抛物面上截取的曲面131，超声波传感器110设置在曲面131的焦点上，与曲面131的凹面相对。

曲面131的聚波原理在于：对于抛物面，从抛物面的焦点发出的超声波到达抛物面的凹面，抛物面的凹面对超声波的反射均沿着第一反射方向。对于沿着第一反射方向的反方向射入抛物面的凹面的超声波，若制成抛物面的材料的反射性能够好，则抛物面能够将沿着第一反射方向的反方向射入抛物面的凹面的超声波全部反射到抛物面的焦点处。具体的，如图2所示。因为抛物面是以抛物线为母线沿着轴线旋转获得的，在此我们通过抛物线来阐述抛物面对超声波的反射原理。

图2中，直线nt是抛物线x²＝-2*p*y在点p(x0，y0)处的切线，抛抛物线x²＝-2*p*y的导数，即切线斜率方程为：切线方程：抛物线x²＝-2*p*y上一点(x0，y0)处的切线方程抛物线的焦点是准线的方程是根据抛物线的定义知：由抛物线方程，令x＝x0，线x0²＝-2*p*y0，即由抛物线切线方程：令x＝0，即当x＝0时，所以t点坐标为(0，-y0)。直线所以pf＝ft，得∠ftp＝∠fpt，又因为抛物线切线与从焦点发出超声波波的反射波的夹角相等，即∠fpt＝∠mpn，所以∠ftp＝∠mpn，故而得到：mp平行于y轴。

所以抛物线具有这样的性质：如果抛物线曲面131的反射性能足够好，且超声波传感器110位于抛物线的焦点上，则平行于抛物线的对称轴(y轴)行进并撞击其抛物线的凹面的超声波被反射到其焦点(即超声波传感器110)上，而不管抛物线在哪里发生反射。相反，从焦点(超声波传感器110)处的点源产生的超声波被反射成平行于y轴的超声波束。

因为抛物面是以抛物线为母线沿着轴线旋转获得的，所以抛物面具有与抛物线一样的性质。为此，从抛物面的交点发出的超声波到达曲面131的凹面，曲面131的凹面对超声波的反射均沿着第一反射方向。对于沿着第一反射方向的反方向射入曲面131的凹面的超声波，若制成曲面131的材料的反射性能够好，则曲面131能够将沿着第一反射方向的反方向射入曲面131的凹面的超声波全部反射到曲面131的焦点处，即发射到超声波传感器110上，进而增强了超声波传感器110接收到的返回波的数量，从而提高了超声波传感器110接收到的返回波的能量值。将抛物线进行旋转后，获得三维的抛物面，则抛物面的焦点为(0，0，-60)。只要将超声波传感器110放在焦点(0，0，-60)，对着抛物线罩(增强型超声波聚波罩130)发波，根据抛物面性质，增强型超声波聚波罩130就会对收发波起到增强聚波的效果。其中，所采用的坐标系是以抛物面的顶点为原点建立坐标系。

但是，抛物面是一个具有腔体的曲面131，为了便于安装，本发明采用的抛物面满足条件：抛物面母线x²＝-2*p*y，x大于等于0，p等于120。如图3所示。图3中的抛物面母线的焦点是(0，60)，准线的方程是y＝60，x取值范围0至165。因此，只要将超声波传感器110放在焦点(0，60)上，对着抛物面(曲面131)发波，根据抛物线性质，超声波聚波罩130就会对发出的超声波和接收到的超声波起到增强聚波的效果。

通过实验得出，当y>＝-17.6时。抛物面对超声波的收发波(发出超声波和接收超声波)的增强和聚波效果较差，要求制成超声波聚波罩130的材料有很好的反射性能，其对超声波的收发波增强和聚波效果才能达到预设效果，对超声波聚波罩130的制作工艺要求高，较难以实现。为此，需要将当y>＝-17.6时的抛物面截掉。则截掉后的抛物面的母线为母线x²＝-2*p*y，x大于等于0，p等于120，y>＝-17.6。如图3所示。

因为，超声波传感器110只能正对一个方向，因此，具有360的抛物面的只有部分对超声波传感器110起到聚波的效果。而制作反射的曲面131的成本高，为此，将聚波效果差的抛物面去除，直接做成平面。

为了减少超声波聚波罩130内的超声波的能量减损，作为一种可选的实施方式，超声波聚波罩130还包括第一平板、第二平板和第三平板，第一平板与第二平板平行设置，第三平板与第一平板和第二平板垂直设置，曲面131设置在所述第一平板、第二平板和第三平板之间。为了实现上述目的，曲面131是沿着抛物面的母线方向截取下来的部分抛物面。具体的，曲面131包括四个边缘，其中两个边缘可以与抛物面的母线重合，另外两个边缘所在平面与抛物面的轴线垂直；曲面131的可以与抛物面的母线重合的两个边缘分别与第一平板和第二平板连接，曲面131的另外两个边缘的其中一个边缘与第三平板连接。其中，第一平板和第二平板包括第一边缘、第二边缘第三边缘和第四边缘，第一边缘与三边缘平行，第四边缘与第一边缘和所述第三边缘垂直；第一平板与第二平板平行。第一平板的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘分别与第二平板的第一边缘、第二边缘第三边缘和第四边缘相对，第一平板和第二平板的第二边缘呈抛物线，抛物线与抛物面的母线重合，以使曲面131可以与第一平板和第二平板紧密贴合；第三平板与第一平板和第二平板的第一边缘紧密贴合。作为进一步的，第一平板、第二平板、第三平板和曲面131按照上述的边缘的连接方式一体成型，从避免超声波聚波罩130内的超声波外泄，增加了有效超声波的数量，从而提高了有效的超声波的能量，其中，有效的超声波指的是发出到待测水域的超声波或者反射到超声波传感器110上的超声波。

在智能切割制作技术中，通过控制制作超声波聚波罩130的机器按照下述的方式执行制作的操作，以获得一体成型的上述超声波聚波罩130。对于以抛物面的顶点为原点，以抛物面的轴线为为z轴，确定三维坐标系。通过去掉满足x²+y²＝-2*p*z的抛物面中的z大于等于-17.6的部分，即当z大于等于-17.6，y等于-17.6，得到第三平板；去掉抛物面y大于等于45的部分，即当z大于等于45，y等于45，得到第二平板；去掉抛物面y小于等于-45的部分，即当z小于等于-45，y等于-45，得到第一平板。其中，其中抛物面的焦点是(0，0，-60)，x取值范围0至165；y取值范围0至165。则得如图4中的形状。本发明实施例中的一体成型的超声波聚波罩130的形状为如图4中所示的形状。图中的a、b、c和d分别表示第三平板、第二平板、第一平板和曲面131。

作为一种可选的实施方式，所述装置还包括保护箱体160，控制器120设置在保护箱体160内；超声波聚波罩130通过第四边缘与保护箱体160的外壁连接；超声波传感器110设置在保护箱体160外壁上，且被超声波聚波罩130包围。第一平板和第二平板的第三边缘与曲面131和保护箱体160的外壁围成超声波出口。

因为基于超声波传感器110的液位数据检测方式只能获得待测水域的液面的位置，及液面到超声波传感器110的距离，以及根据该距离计算得到的其他液位数据。且因为超声波传感器存在测量盲区，因此，需要在超声波传感器盲区范围内，需要另外一种测量液位的方式，即压力传感器测量液位信息。

作为一种可选的实施方式，液位数据检测装置100还包括压力传感器140；压力传感器140与控制器120连接；压力传感器140用于检测超声波传感器110的盲区范围内的压力，将检测得到的压力信号发送至所述控制器120；控制器120根据压力信号获得所述待测水域的液位数据。其中，超声波传感器110的盲区范围是0至0.25米的范围内。

通过采用以上超声波传感器与压力传感器结合的测量方法，可以有效的避开超声波传感器盲区对测量液位的影响，提高设备整体的稳定性。

因为基于超声波传感器110的液位数据检测方式只能获得待测水域的液面的位置，且因为不可避免的超声波的能量损失的原因，导致基于超声波传感器110的液位数据检测方式获得的液位数据有误差。因此，液位数据检测装置100还需要对超声波传感器110检测的液位数据进行温度补偿。

作为一种可选的实施方式，液位数据检测装置100还包括温度传感器150，温度传感器150与控制器120连接；温度传感器150用于检测超声波发波路径上的环境温度，将检测得到的温度信号发送至控制器120，控制器120根据温度信号补偿液位数据。具体的，补偿基于超声波传感器110获得的液位数据，和补偿基于压力传感器140获得的液位数据。

通过采用以上方案，控制器120根据温度信号补偿液位数据，提高了液位数据检测装置100检测液位数据的准确性。

作为一种可选的实施方式，液位数据检测装置100将液位信息发送至远端的服务器，服务器与控制器进行远程通信，用于展示液位数据。

用户在使用上述液位数据检测装置100时，第一方面，通过超声波传感器110发出超声波，超声波到达曲面131的凹面后，沿着第一反射方向从第一平板和第二平板的第三边缘与曲面131和保护箱体160的外壁围成的超声波出口平行射出，形成第一反射波，第一反射波垂直到达待测水域的页面后，按照出波的方向反射，即沿着第二反射方向，反射回到曲面131的凹面，即形成第二反射波，曲面131的凹面将反射回来的第二反射波发射汇聚到超声波传感器110。超声波传感器110将第二反射波转成电信号发送至控制器120，控制器120根据电信号获得待测水域的液位数据。具体的，获得待测水域的页面到超声波传感器110的距离。第二方面，将压力传感器140设置在待测水域中超声波传感器110的盲区范围内，即设置在待测水域的液面到所述待测水域的底部的范围内，以检测该盲区范围内的压力，将检测得到的压力信号发送至控制器120，控制器120根据压力信号获得待测水域的液位数据。第三方面，通过将温度传感器150设置在待测水域中超声波传感器110的盲区范围内，即设置在待测水域的液面到所述待测水域的底部的范围内，以检测该盲区范围内的水的温度，将检测得到的温度信号发送至控制器120，控制器120根据温度信号补偿液位数据。现实器将液位数据发送至服务器，用户可以通过服务器读出液位数据。

通过采用以上方案，上述液位数据检测装置100结构简单，安装方便，增强超声波回波能量值以及可以获得盲区的液位数据，提高了获得的液位数据的准确性。

针对上述实施例提供一种液位数据检测装置100，本申请实施例还对应提供一种液位数据检测方法，包括如图5所示的s100～s300，以下结合图5对s100～s300进行阐述。

s100：控制器120控制超声波传感器110发出超声波，超声波到达曲面131的凹面，曲面131将超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到超声波传感器110上。

s200：超声波传感器110将第二反射波转成电信号发送至控制器120。

s300：控制器120根据所述电信号获得待测水域的液位数据。

作为一种可选的实施方式，所述方法还包括：压力传感器140检测所述超声波传感器110的盲区范围内的压力，将检测得到的压力信号发送至控制器120；控制器120根据压力信号获得待测水域的液位数据；其中，超声波传感器110的盲区范围指的是一个固定值，本设计盲区范围0至0.25米。

作为一种可选的实施方式，所述方法还包括：温度传感器150检测待测水域的温度，将检测得到的温度信号发送至控制器120，控制器120根据温度信号补偿液位数据。

综上所述，本发明实施例提供了一种液位数据检测装置及方法，所述装置包括：超声波传感器、控制器和超声波聚波罩；超声波聚波罩包括一个曲面；控制器与超声波传感器连接；曲面的凹面与超声波传感器相对，且曲面的凹面能够将超声波传感器发出的超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器上。通过控制器控制超声波传感器发出超声波，超声波到达所述曲面的凹面，曲面将超声波沿着第一反射波束方向平行射出，并将超声波到达待测水域后反射的第二反射波汇聚到超声波传感器上；超声波传感器将第二反射波转成电信号发送至控制器；控制器根据电信号获得待测水域的液位数据。曲面的凹面能够将沿着第一反射波束方向平行进入凹面的超声波汇聚到超声波传感器上，增强了超声波传感器获得的超声波的回波能量值，从而增强了发送到控制器的电信号，控制器根据电信号获得待测水域的液位数据，从而提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度。因此。解决了现有技术中存在的超声波第二反射波能量值小，从而存在检测的液位数据不准确的技术问题，达到了提高了获得待测水域的准确的液位数据的准确度的技术效果。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。