一種微幅液體表面波高實時測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微幅液體表面波高實時測量裝置及測量方法，裝置包括激光器、透明液體槽、光電位置傳感器、平移架、搖桿、螺桿、滑軌、示波器和固定螺母。固定螺母固定在滑軌上；螺桿與固定螺母螺紋旋接，螺桿一端與置于滑軌上的平移架套接，螺桿可在套接處旋轉(zhuǎn)并能帶動平移架平移，另一端與搖桿固定連接；平移架的頂部和底部各有一個水平伸出的架臂，光電位置傳感器和激光器上下正對著安裝在兩個架臂內(nèi)側(cè)面，光電位置傳感器信號輸出端和示波器相連。本發(fā)明用于對微幅液體表面波波幅和頻率等液體表面波特性進行非接觸、高精度、實時測量；它解決了現(xiàn)有技術(shù)中激光折射法不能精確測量微幅液體表面波波幅的問題。
【專利說明】一種微幅液體表面波高實時測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于液體表面波波高和振動頻率的測量的基于光電位置傳感器和半導(dǎo)體激光器的測量裝置和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前液體表面波高接觸式測量方法主要有浮標式和探針式兩種。其中浮標式的測量原理是浮標體隨波浪起伏時，內(nèi)置的垂直加速度傳感器就會輸出反映波面升降加速度變化的信號，對信號進行處理計算就可實現(xiàn)對波高的實時測量；而探針式測量則是利用液體中電容、電阻或壓力隨液位的變化而線性變化的原理進行測量的。不管是浮標還是探針，都會對液體表面波產(chǎn)生干擾，尤其是對微幅液體表面波，使得測量結(jié)果不可靠，另外測量精度也受限于浮標體和探針的尺寸。
[0003]非接觸式測量裝置有CCD攝像式波高儀，雷達測距式波高儀，以及利用激光進行液體表面波測量的各種裝置。CCD攝像式波高儀是通過錄像，并進行圖像分析來測量波高，實現(xiàn)技術(shù)路線較復(fù)雜、不是實時測量，而且價格昂貴。雷達測距式波高儀根據(jù)超聲波或電磁波的反射信息進行浪高測量，受測量原理限制其精度不高。由于激光光束的準直性好和發(fā)散度小，激光特別適用于高精度測量。目前已有利用半導(dǎo)體激光器和硅光電池組成的測量裝置，根據(jù)激光在液體波面處折射的原理，通過硅光電池采集折射激光的周期偏轉(zhuǎn)來測量液體表面波的振動頻率和傳播速度，但是該裝置不能測量液體表面波的波幅。還有基于散射激光多普勒效應(yīng)的探測低頻液體表面波特性的方法和裝置，它的原理是讓液體表面波的散射光和參考光相干涉，然后分析處理采集到的干涉光電信號得到頻譜分析圖，再根據(jù)頻譜分析圖上散射光發(fā)生的多普勒頻移值計算出液體表面波的振幅，測量精度較高，但可測液體表面波頻率較窄，由于該裝置光路復(fù)雜，需較多光學(xué)器件，采集到的信號也需要分析處理，計算量也較大，所以此類裝置造價較為昂貴；而且當(dāng)液體較淺時，由于激光在透明液體中穿透性好，在液體底部的散射光會和液體表面波散射光相混，從而干擾測量結(jié)果，所以該裝置對較淺的透明液體的表面波測量效果不好。
[0004]針對上述技術(shù)背景，需要發(fā)明一套能夠測量微幅液體表面波波幅的測量裝置和測量方法，同時具有實現(xiàn)技術(shù)路線簡便、能夠?qū)崟r分析、測量精度高、非接觸的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微幅液體表面波高實時測量裝置及測量方法，該方法用于微幅液體表面波波幅的實時測量，它解決了現(xiàn)有技術(shù)中激光折射法不能精確測量微幅液體表面波波幅的問題，并且本發(fā)明對深度較淺的透明液體也具有同樣的測量效果。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種微幅液體表面波高實時測量裝置，該裝置包括激光器、透明液體槽、光電位置傳感器、平移架、搖桿、螺桿、滑軌、示波器和固定螺母。其中，所述固定螺母固定在滑軌上。螺桿與固定螺母螺紋旋接，螺桿一端與置于滑軌上的平移架套接，螺桿可在套接處旋轉(zhuǎn)并能帶動平移架平移，另一端與搖桿固定連接；平移架的頂部和底部各有一個水平伸出的架臂，光電位置傳感器和激光器上下正對著安裝在兩個架臂內(nèi)側(cè)面，光電位置傳感器信號輸出端和示波器相連。
[0007]—種微幅液體表面波高實時測量方法,該方法在上述微幅液體表面波高實時測量裝置上實現(xiàn)，包括如下步驟:
(1)通過搖桿旋轉(zhuǎn)螺桿使平移架移動，從而使得平移架的兩架臂一上一下水平伸向透明液體槽；
(2)測量光電位置傳感器距透明液體槽內(nèi)的液體表面的距離Z；
(3)激光器發(fā)出激光，當(dāng)液體表面有波動時，激光器發(fā)出的激光到達液面時的入射角會隨波面起伏不停發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光束打在光電位置傳感器感光面的光斑也隨之來回移動；光電位置傳感器采集到的光電信號顯示在示波器上就是一個上下波動的跡線，跡線的波幅就是光斑偏移的最大距離dmax ； (4)轉(zhuǎn)動搖桿使平移架水平移動距離S，此時示波器顯示的波形也會發(fā)生移動，數(shù)出波形移動的周期數(shù)《，則由移動距離計算出液體表面波的波長』，再由?π/』得到波數(shù)左;
(5)最后，由下式可得到液體表面波波幅Jd = dmax其中，/7為液體的折射率。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:1.利用測量折射激光偏轉(zhuǎn)距離的方法測量液體表面波波幅，解決了現(xiàn)有技術(shù)中激光折射法檢測液體表面波不能測量波幅的問題。2.結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)實現(xiàn)比較容易。3.非接觸測量，對被測液體表面波無干擾。4.光電位置傳感器可以連續(xù)輸出光斑位置的模擬信號，實時處理計算輸出信號即可對液體表面波實現(xiàn)實時動態(tài)檢測。
5.可同時對波幅、頻率等液體表面波特性進行檢測。6.激光及光電位置傳感器精度很高，因此所獲得的波幅、頻率等測量結(jié)果也具有很高的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明測量微幅液體表面波波幅的原理的示意圖；
圖2是按照本發(fā)明的一個實施方式測量微幅液體表面波波幅的裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0010]圖1即為本發(fā)明的測量原理示意圖，激光器101從透明液體槽102下豎直向上發(fā)射激光，激光在液面出射后光線隨液體表面波擺動，出射光線打在液面上方距離L處水平放置的光電位置傳感器103的感光面上。
[0011]微幅液體表面波波形近似為正弦波型，波面起伏的跡線可用Jsin W 5)表示，式中，J為液體表面波波幅，z為液體表面波傳播方向上的位置坐標，A為波數(shù)，ω為液體表面波角頻率，?為時間，5為液體表面波初始相位。由圖1可知激光在液體波面的入射角:
a ^ tan σ = (^sin {kx~ ω t+ δ))，=A kcos {kx~ <jit+ δ)(I)
以及激光在液體波面的折射光線和豎直方向所成的夾角: β - a ^ d/L(2)式中，為光斑偏移距離，Z為光電位置傳感器103的感光面與液面的垂直距離。
[0012]根據(jù)折射定律有:
sinβ/sin a =n ^ β/a(3)
式中，為液體的折射率。
[0013]聯(lián) 立式(I)⑵(3)可得光斑偏移距離和液體表面波波幅J關(guān)系式:
d=A (η-1)Lkcos {kx~ ω t+ δ)(4)
由式(4)可得光斑最大偏移距離所以液體表面波波幅:
A = Clniax /(η-1)Lk(5)
由式(5)可以看出感光面上光斑擺動幅度oL?和液體表面波波幅J成正比,通過測量光斑的移動距離可以間接測量液體表面波波幅。
[0014]本發(fā)明的關(guān)鍵構(gòu)件是激光器101和光電位置傳感器103，激光器101和光電位置傳感器103正對著并保持一定距離，測量時兩構(gòu)件分別在透明液體槽102上下。
[0015]下面結(jié)合附圖和一種具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0016]本發(fā)明微幅液體表面波高實時測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置包括激光器201、透明液體槽202、光電位置傳感器203、平移架204、搖桿205、螺桿206、滑軌207、示波器208和固定螺母209。固定螺母209固定在滑軌207上。螺桿206與固定螺母209螺紋旋接，螺桿206 —端與置于滑軌207上的平移架204套接，另一端與搖桿205固定連接；通過搖桿205旋轉(zhuǎn)螺桿206可以使平移架204在帶有標尺的滑軌207上水平移動。平移架204的頂部和底部各有一個水平伸出的架臂，光電位置傳感器(PSD) 203和激光器201上下正對著安裝在兩個架臂內(nèi)側(cè)面，確保射出的激光打在光電位置傳感器203的感光面上，光電位置傳感器203信號輸出端和示波器208相連。待測液體裝在透明液體槽202內(nèi)，透明液體槽202置于光電位置傳感器203和激光器201之間。
[0017]本發(fā)明微幅液體表面波高實時測量方法，包括如下步驟:
1、通過搖桿205旋轉(zhuǎn)螺桿206使平移架204移動，從而使得平移架204的兩架臂一上一下水平伸向透明液體槽202。
[0018]2、測量得到光電位置傳感器203距液體表面的距離Z。
[0019]3、當(dāng)液體表面有波動時，激光器201發(fā)出的激光到達液面時的入射角會隨波面起伏不停發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光束打在光電位置傳感器203感光面的光斑也隨之來回移動；光電位置傳感器203采集到的光電信號顯示在示波器208上就是一個上下波動的跡線，跡線的波幅就是光斑偏移的最大距離dmax。
[0020]4、轉(zhuǎn)動搖桿205使平移架204水平移動距離，此時示波器208顯示的波形也會發(fā)生移動，數(shù)出波形移動的周期數(shù)《，則由移動距離計算出液體表面波的波長』，再由k=2 /』得到波數(shù)k。
[0021]5、最后此時由式(5)可得到液體表面波波幅J -J = dmax /(n-l)Lk。
[0022]以上只是本發(fā)明的一種測量方法，其中，除了步驟⑷得到波數(shù)左的方法之外，還可用計算的方法求得I例如已知深度為A的水，由示波器上的波形圖得到水波的角頻率ω，則由水波色散關(guān)系(o2=gktanh {kh)，即可求得波數(shù)I其中g(shù)為重力加速度。
[0023]以測量水波波幅為例，已知水的折射率n=l.33。測量時兩架臂一上一下水平伸向透明液體槽202，伸出的方向和水波傳播方向平行。光電位置傳感器203距水表面的距離L可預(yù)先調(diào)整，或者也可直接測量。當(dāng)水面平靜時，激光器201發(fā)出的激光經(jīng)過透明液體槽202的底板和水層后方向不變射向光電位置傳感器203的感光面；當(dāng)水表面有波動時，光線到達水面時入射角不再恒為0°，根據(jù)折射定律，光線出射方向會隨波面起伏不停發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光束打在光電位置傳感器203感光面的光斑也隨之來回移動。光電位置傳感器203采集到的光電信號顯示在示波器208上就是一個上下波動的跡線，跡線的波幅就是光斑偏移的最大距離dmax,轉(zhuǎn)動搖桿205使平移架204水平移動距離A此時示波器208顯示的波形也會發(fā)生移動，數(shù)出波形移動的周期數(shù)《，則移動距離，其中』是水波的波長，所以波數(shù)左二2 π/』=2? Ji/5。此時由式(5)可算得水波波幅尤
[0024]PSD對光非常敏感，對光斑的位置分辨率可以達到微米級，并且能實現(xiàn)連續(xù)的位置模擬信號輸出，所以利用計算機技術(shù)實時處理計算PSD的輸出信號，就可實現(xiàn)對微幅液體表面波波幅的實時動態(tài)測量，所以本測量裝置精度高，響應(yīng)快。下面以一例計算說明波幅的測量精度。
[0025]假設(shè)Ζ=10.00±0.01cm,50±0.0001cm, 2 二2.00±0.01cm,可算得波幅J的中誤差為:mA ^ ±2.5 μ m，波幅 J ^ 0.48 ±0.0025mm。
【權(quán)利要求】
1.一種微幅液體表面波高實時測量裝置，其特征在于，該裝置包括激光器(201)、透明液體槽(202)、光電位置傳感器(203)、平移架(204)、搖桿(205)、螺桿(206)、滑軌(207)、示波器(208)和固定螺母(209)等；其中，所述固定螺母(209)固定在滑軌(207)上；螺桿(206)與固定螺母(209)螺紋旋接，螺桿(206) —端與置于滑軌(207)上的平移架(204)套接，另一端與搖桿(205)固定連接；平移架(204)的頂部和底部各有一個水平伸出的架臂，光電位置傳感器(203)和激光器(201)上下正對著安裝在兩個架臂內(nèi)側(cè)面，光電位置傳感器(203)信號輸出端和示波器(208)相連。
2.—種微幅液體表面波高實時測量方法，該方法在權(quán)利要求1所述微幅液體表面波高實時測量裝置上實現(xiàn)，包括如下步驟: (1)、通過搖桿(205)旋轉(zhuǎn)螺桿(206 )使平移架(204 )移動，從而使得平移架(204 )的兩架臂一上一下水平伸向透明液體槽(202)； (2)、測量光電位置傳感器(203)距透明液體槽(202)內(nèi)的液體表面的距離Z； (3 )、激光器(201)發(fā)出激光，當(dāng)液體表面有波動時，激光器(201)發(fā)出的激光到達液面時的入射角會隨波面起伏不停發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光束打在光電位置傳感器(203)感光面的光斑也隨之來回移動；光電位置傳感器(203)米集到的光電信號顯在波器(208)上就是一個上下波動的跡線，跡線的波幅就是光斑偏移的最大距離d眶； (4)、轉(zhuǎn)動搖桿(205)使平移架(204)水平移動距離S，此時示波器(208)顯示的波形也會發(fā)生移動，數(shù)出波形移動的周期數(shù)《，則由移動距離計算出液體表面波的波長』，再由左=231/』得到波數(shù)左； (5)、最后，由下式可得到液體表面波波幅J:A = dmax其中，/7為液體的折射率。
【文檔編號】G01F23/292GK103697966SQ201310609807
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】王振宇, 聶曉飛, 李富強 申請人:浙江大學(xué)