紅外光水位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了紅外光水位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，測(cè)量裝置包括基座、位于基座上部的紅外發(fā)光二極管、為紅外發(fā)光二極管提供能量的微型電池、與紅外發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)和與攝像機(jī)連接的計(jì)算機(jī)，所述基座水平安裝于模型床面。紅外光光強(qiáng)在水體中傳播時(shí)存在能量衰減，且衰減量與穿過(guò)水體距離成正比，本發(fā)明基于上述原理，通過(guò)在模型床面布置紅外光源，紅外光穿過(guò)水體由攝像機(jī)獲取，經(jīng)圖像處理得到光強(qiáng)衰減量，從而計(jì)算得到穿過(guò)水體的距離，經(jīng)轉(zhuǎn)換即為水位。本發(fā)明采用紅外光可減少可見(jiàn)光干擾，且光源成本較低；測(cè)量裝置完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，精度高。本發(fā)明利用紅外光的衰減，既實(shí)現(xiàn)了非接觸式、動(dòng)態(tài)的水位測(cè)量，又實(shí)現(xiàn)了水深測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】紅外光水位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水流試驗(yàn)水位測(cè)量，具體涉及紅外光水位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水位是反映水流特性的基本參量之一，是水利工程模型試驗(yàn)的重要測(cè)量參數(shù)，直接關(guān)系模型試驗(yàn)運(yùn)行、工程效果比選。目前水流試驗(yàn)中水位測(cè)量主要采用水尺、測(cè)針、自動(dòng)跟蹤水位計(jì)、超聲波水位計(jì)和壓阻壓力式水位計(jì)。其中水尺和測(cè)針主要依靠人工測(cè)量水位，自動(dòng)化程度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力；自動(dòng)跟蹤水位計(jì)采用電橋平衡原理追蹤水面，對(duì)于非恒定水流，水位測(cè)量數(shù)據(jù)存在波動(dòng)，影響測(cè)量精度；超聲波水位計(jì)和壓阻壓力式水位計(jì)易受溫度影響，且零點(diǎn)偏離明顯。因此，有必要開(kāi)發(fā)新型高精度水位測(cè)量精度，以提高模型試驗(yàn)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供紅外光水位測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，采用紅外光，通過(guò)攝像機(jī)獲取穩(wěn)定光源經(jīng)水體衰減后的光強(qiáng)，計(jì)算得到紅外光穿過(guò)水體的距離，實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的紅外光水位測(cè)量裝置，包括基座、位于基座上部的紅外發(fā)光二極管、為紅外發(fā)光二極管提供能量的微型電池、與紅外發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)和與攝像機(jī)連接的計(jì)算機(jī)，所述基座水平安裝于模型床面。
[0005]作為優(yōu)選，所述紅外發(fā)光二極管直徑為3mm，發(fā)射管正向電壓1.1V，為增強(qiáng)光強(qiáng)，加大電流至40mA，而激光中心波長(zhǎng)為830~930nm，為提高二極管方向指向性，采用二極管前加凸透鏡，減小方向半值角至1度，攝像機(jī)配置相應(yīng)中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片。
[0006]其中，，激光中心波長(zhǎng)可以為840nm、860nm、880nm、900nm等長(zhǎng)度；最佳方案為:紅外發(fā)光二極管波長(zhǎng)850nm,攝像機(jī)配置中心波長(zhǎng)為850nm的窄帶濾光片。
[0007]基于上述紅外光水位測(cè)量裝置的紅外光水位測(cè)量方法，紅外發(fā)光二極管無(wú)水條件下發(fā)出紅外光，由攝像機(jī)獲得初始光強(qiáng)Wtl，水位測(cè)量時(shí)，紅外光穿過(guò)水體由攝像機(jī)獲取光強(qiáng)r，則紅外光穿過(guò)水體的距離h為:
[0008]h=(W0_W，)/F
[0009]其中F為紅外光水體衰減系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)獲得。
[0010]作為優(yōu)選，在標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，獲取初始光強(qiáng)\，調(diào)節(jié)不同水深h，通過(guò)攝像機(jī)分別獲取對(duì)應(yīng)光強(qiáng)W1、W2、……Wn，則衰減系數(shù)為:
[0011]F1=(W0-W1)A1
[0012]F2= (W0-W2) /h2
[0013]......[0014]Fn=(W0-Wn)An
[0015]由FpF2'......Fn平均得到紅外光水體衰減系數(shù)F
[0016]F= (F^F2+......+Fn) /n[0017]在本發(fā)明中，所述的紅外發(fā)光二極管距離模型床面的高度為Iv在實(shí)驗(yàn)前測(cè)得，則水面水位H’:
[0018]H，=H+(hQ+h)*B
[0019]B為模型垂直比尺，H為基座安裝處模型床面高程，在模型試驗(yàn)中都屬已知參數(shù)。
[0020]在本發(fā)明中，紅外光光強(qiáng)在水體中傳播時(shí)存在能量衰減，且衰減量與穿過(guò)水體距離成正比，本發(fā)明基于上述原理，通過(guò)在模型床面布置紅外光源，紅外光穿過(guò)水體由攝像機(jī)獲取，經(jīng)圖像處理得到光強(qiáng)衰減量，從而計(jì)算得到穿過(guò)水體的距離，經(jīng)轉(zhuǎn)換即為水位。
[0021]有益效果:本發(fā)明的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，通過(guò)采用紅外光可減少可見(jiàn)光干擾，且光源成本較低；測(cè)量裝置完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，精度高，而且標(biāo)定簡(jiǎn)單，避免了零點(diǎn)偏離現(xiàn)象。本發(fā)明利用紅外光的衰減，即實(shí)現(xiàn)了非接觸式、動(dòng)態(tài)的水位測(cè)量，又實(shí)現(xiàn)了水深測(cè)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的紅外光水位測(cè)量裝置，包括基座1、位于基座I上面的紅外發(fā)光二極管2、為紅外發(fā)光二極管2提供能量的微型電池3、與紅外發(fā)光二極管2對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)4和與攝像機(jī)4連接的計(jì)算機(jī)5，基座I安裝在模型床面。
[0025]在本發(fā)明中，紅外 發(fā)光二極管2發(fā)光波長(zhǎng)為830~930nm，攝像機(jī)4配置相應(yīng)中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片。
[0026]基于上述紅外光水位測(cè)量裝置的紅外光水位測(cè)量方法，紅外發(fā)光二極管2在無(wú)水條件下發(fā)出紅外光，由攝像機(jī)4獲得初始光強(qiáng)\，水位測(cè)量時(shí)，紅外光穿過(guò)水體由攝像機(jī)4獲取光強(qiáng)r，則紅外光穿過(guò)水體的距離h為:
[0027]h=(W0_W，)/F
[0028]其中F為紅外光水體衰減系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)獲得。
[0029]在標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，獲取初始光強(qiáng)Wtl,調(diào)節(jié)不同水深h，通過(guò)攝像機(jī)4分別獲取對(duì)應(yīng)光強(qiáng)WpW2、……Wn，則衰減系數(shù)為:
[0030]F1= (W0-W1) A1
[0031]F2= (W0-W2) /h2
[0032]......[0033]Fn=(W0-Wn) /hn
[0034]由FpF2、......Fn平均得到紅外光水體衰減系數(shù)F
[0035]F= (F^F2+......+Fn) /n
[0036]在本發(fā)明中，紅外發(fā)光二極管2距離模型床面的高度為Iv則水面水位H’:
[0037]H’ =H+(hQ+h)*B
[0038]B為模型垂直比尺，H為基座安裝處模型床面高程，在模型試驗(yàn)中都屬已知參數(shù)
[0039]實(shí)施例:
[0040]標(biāo)定實(shí)驗(yàn)次數(shù)為4次。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:[0041]試驗(yàn)前，紅外發(fā)光二極管2發(fā)出紅外光，經(jīng)攝像機(jī)4獲取后，輸入計(jì)算機(jī)5轉(zhuǎn)換為灰度圖像，圖像灰度值為225。
[0042]水流試驗(yàn)時(shí)，流態(tài)穩(wěn)定后，米用測(cè)尺人工測(cè)量水深，水深為30cm，攝像機(jī)4犾取此時(shí)紅外發(fā)光二極管2光強(qiáng)后轉(zhuǎn)換為灰度圖像，圖像灰度為155 ；
[0043]改變水深，流態(tài)穩(wěn)定后，采用測(cè)尺人工測(cè)量水深，水深為36cm，攝像機(jī)4獲取此時(shí)紅外發(fā)光二極管2光強(qiáng)后轉(zhuǎn)換為灰度圖像，圖像灰度為140 ；
[0044]依次改變水深，水深分別為40cm、21cm，得到對(duì)應(yīng)灰度值為131、178，則
[0045]F1= (225-154) /30=2.367
[0046]F2= (225-140) /36=2.361
[0047]F3= (225-131) /40=2.35
[0048]F4= (225-178) /20=2.35
[0049]水體衰減系數(shù):
[0050]F= (F1+F2+F3+F4)/4=2.357
[0051]水位測(cè)量時(shí)，紅外光圖像灰度為162，則紅外光穿過(guò)的水體的距離h為
[0052]h= (225-162) /2.357=26.73cm
[0053]對(duì)于垂直比尺B為50的河工模型，當(dāng)紅外光基座I安裝處模型床面的高程H為-3m, h0為2cm,則水面處水位H’為:
[0054]H’ =-3+(2+26.73) *50/100=11.365m
[0055]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.紅外光水位測(cè)量裝置，其特征在于:包括基座(1)、位于基座(1)上部的紅外發(fā)光二極管(2)、為紅外發(fā)光二極管(2)提供能量的微型電池(3)、與紅外發(fā)光二極管(2)對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)(4)和與攝像機(jī)(4)連接的計(jì)算機(jī)(5)，所述基座(1)水平安裝于模型床面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光水位測(cè)量裝置，其特征在于:所述紅外發(fā)光二極管(2)發(fā)光波長(zhǎng)為830~930nm，攝像機(jī)(4)配置相應(yīng)中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片。
3.基于權(quán)利要求1所述的紅外光水位測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于:紅外發(fā)光二極管(2)無(wú)水條件下發(fā)出紅外光，由攝像機(jī)(4)獲得初始光強(qiáng)Wtl，水位測(cè)量時(shí)，紅外光穿過(guò)水體由攝像機(jī)(4)獲取光強(qiáng)Ψ，則紅外光穿過(guò)水體的距離h為:
h=(W0_W，)/F 其中，F(xiàn)為紅外光水體衰減系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)獲得； 基座(1)安裝處模型床面高程為H，所述紅外發(fā)光二極管(2)距離模型床面的高度為%，則實(shí)際水面水位H’為:
H’ =H+(hQ+h)*B 其中，B為模型垂直比尺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量方法，其特征在于:標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，獲取初始光強(qiáng)\，調(diào)節(jié)不同水深h，通過(guò)攝像機(jī)(4)分別獲取對(duì)應(yīng)光強(qiáng)％、W2、……Wn，則衰減系數(shù)為:
F1=(W0-W1)A1
F2=(W0-W2)A2
Fn=(W0-Wn)An` 由Fp F2,……Fn平均得到紅外光水體衰減系數(shù)F F= (FAF2+……+Fn)/n。
【文檔編號(hào)】G01F23/292GK103822690SQ201310671789
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】陳紅, 閆靜, 陳珺, 呂升奇, 袁賽瑜, 房世龍, 李最森, 謝小磊 申請(qǐng)人:河海大學(xué)