本发明涉及一种精密探测液位的方法和装置，特别是使用激光精密探测水位的方法和装置。

目前，测量液位的方法很多，主要有：压力法，电容法，声学法，浮子法等等。但上述方法的测量精度不高，在有些场合难以达到使用要求。并且上述方法中有些传感器要置于液体之中，这就给设备密封带来一定困难。本发明测量精度明显优于上述方法，而且是无接触测量，对液体设备的密封无影响。

在检索的文献中，亦有采用光学探测液位的报道，但由于它们未考虑液面的精细结构，故探测精度不高，另外有的未采用激光器做光源，故受杂光等影响，使测量精度难以提高。

使用激光器件做光源时，由于激光器能量集中，单色性好，扩散角小，可以使测控范围加大;增加滤光片，对杂光有强抑制，提高了精度。如可以使用激光器作光源用反射式测量熔融状玻璃和钢水的液位。这种探测方法用于控制玻璃或钢水的浇铸有其独特的优点。另外也有使用某种射线替代光源作液位探测的。但以上各种方法探测液位精度均只达到几毫米的量级，在有些应用场合如反应堆的水位测量上满足不了精度要求。

本发明的任务是考虑了液位面精细结构的基础上，提出一种新的液位测量方法，提供一种精密测量液位特别是测量水位的装置，其探测精度达到±0.1mm，分辨力达到±0.01mm。

本发明是基于下述原理和方法的。一般液体或水在玻璃或石英容 器中，由于毛细现象，形成液体的虹吸挂壁现象，即由于虹吸现象液面将攀附器壁出现高于水平面的M部分，又由于水分子摩擦力及重力的共同作用，出现下凹的N部分，如图1所示。图1中（1）是M部分，（2）是水平面，（3）是N部分。当一束平行光平行于水面照射时，由于M与N这两部分对光线的斜向反射，使容器另一侧形成的光学图象呈现图2所示的情况，即中间暗两端亮的影象。上部的影象部分（4）由于光垂直器壁照射，使成象光亮;下部影象部分（7）由于水是均匀介质，故成象也清晰。中间部分（5）由于M和N两部分的作用，使这区间的光线反射到另外方向，形成暗象。我们称这种现象为液位的“棱镜效应”。这种液位的特有现象就构成了精确探测液位的光学基础，即本发明的基础。图2中（5）和（7）的交界线（6）记为“L”线，则L线的高度标示了液位的高度。L的高度与真实的液面高度有一个恒定的差值。多次实验证明，对于水来说，这一差值约为1mm左右，可以精确测定。本发明使用激光光源，提高了抗干扰能力。在光学图象一边，使用电荷耦合图象传感器（CCD）器件置于象面上，则可测出“L”线的高度，从而精确测出液位高度。

本发明提供的探测液位的方法，由于考虑了液面与容器之间相互作用的精细结构，从而使经典的光学方式测液位的方法提高精度1到2个数量级。精度达到±0.1mm，分辨率达±0.01mm。且单向重复性很高。依据本发明的方法制作的激光精密探测液位的装置，在水位探测中，精度达到±0.1mm量级，分辨力达到±0.03mm，完全满足反应堆水位精密测控的要求。

下面结合本发明提供的原理方法制作的精密水位探测装置的附图 来进行更详细地说明。

图3是激光精密水位计构造示意图;

图4是激光精密水位计的电子线路方框图;

由图3可以看到，激光器等全部测量部件都安装在测量滑台（19）上，测量滑台（19）由步进电机（8）通过蜗轮付（26）、绕线轴（27）、钢丝绳（24）、滑轮Ⅰ（15）、滑轮Ⅱ（16）、配重（25）组成的升降机构，可以沿玻璃或石英玻璃管制作的水容器管（28），根据水位的高低上下移动，测量滑台（19）的位置可以由光栅定尺（17）和固定在测量滑台（19）上的光栅动尺（23）精确给出。测量滑台（19）随水位的高低移动，最后精确定位在水位面上，其测量控制系统有三级，头一级是在水容器（28）管壁上安装的一系列压力传感器，图中画出了两个：压力传感器Ⅰ（10），压力传感器Ⅱ（9），它们提供的水位信号可以使测量滑台（19）在厘米量级随动水位。第2级控制是装在测量滑台（19）上由光敏器件（22）、光栏（21）、反射凹镜（11）组成的光学反射式水位测量系统。该系统给出的水位信号可以使滑量滑台在毫米量级随动水位。第三级即本发明提供的探测方法和装置系统。安装在测量滑台（19）上的稳定光强的激光器（13）发出的激光束经扩束器（12）成为平行激光束。该激光束平行水面穿过水容器管（28），在水容器管（28）另一侧，电荷耦合图象传感器（CCD）器件（20）接收光学图象。将L线的位置，即水位的数据经过接口电路输入计算机，数据经过计算机处理，如L线与实际液面高度差常量修正等，控制步进电机（8），使测量滑台（19）准确到0.1mm定位在水平面的位置上。在CCD器件之前，装有可以滤掉其他杂散光的滤光片（29）。测量滑台（19）的位 置可以由光栅动尺（23）和光栅定尺（17）精确给出。测量滑台上装有作导向用的轴承（18）。水容器管（28）有连通管（14）与水箱相连。本实施例使用的滤光片仅使780μm波长的激光束通过;CCD器件选用象素宽度为12.6μm、共有2048个象素单元。通过8位A/D变换器对每个象素信号进行细分，可以得到十分之一象素的有效分辨力，即±1.26μm。本实施例提供的激光精密水位计的技术指标是：分辨力为±0.03mm，精度±0.1mm作为反应堆专用水位计使用。

图4是激光精密水位计的电子线路方框图。图中图象传感器CCD（20），光敏器件（22），压力传感器Ⅰ（10）和压力传感器Ⅱ（9），及行程开关（30）提供三级的水位测控信号。这些水位信号经接口电路（32）进入微计算机A（33），微计算机A（33）对所有这些信号综合处理之后，控制步进电机电源（36），达到测量滑台随水位移动，最后精确到0.1mm的量级定位。光栅动尺和光栅定尺在测量滑台最后定位时，给出的读数信号（31）也通过接口电路（35）输入微计算机A（33），统一进行处理。微计算机B（34），接收微计算机A（33）测得的水位数值，一方面按要求控制进行数字显示（41）或发光管显示（40），或通过数据输出（38）将有关数据传给中心计算机（42），或接受控制键盘（39）的输入，控制微机A（33）及整个测试系统的运行。（37）是本装置使用的稳压电源。