基于CIS的液面测量系统光源研究

　　1　引　言

　　液位测量广泛用于石油、化工、电力等流程工业中,根据不同场合和不同要求可以采用不同的液位测量方法。在使用石油产品蒸馏实验仪时,需要检测玻璃量筒中的馏出液的实时液位,而一般的浮子法、电容法、电感法等在这里均不适用。目前石油产品蒸馏实验仪馏出液体的液位测量工作主要是目测进行,测量精度低且不能实现实时和多路检测。结合对石油产品蒸馏实验仪进行智能化改造的需求,我们研究了用接触式图像传感器(CIS)进行实时液位测量的方法,通过光电非接触方式对玻璃量筒中油品的液位进行实时自动检测,用单片机完成测量　　数据的自动采集、存储和后续数据处理[1]。

　　2　系统组成与工作原理

　　系统硬件主要包括CIS模块、PIC16F877单片机、GAL逻辑器件组成的时序驱动电路以及线状光源等,如图1所示。

　　该系统工作原理是,待测液体流入量筒,线状光源和CIS模块合理地安装在量筒的两侧,图像传感器获得液面以上和液面以下的视频信号,经后续处理,送入单片机完成数据计算、参数分析及液位显示[2]。

　　系统中所用CIS是一种新型的光电图像传感器,其结构如图2所示。它由LED光源阵列、杆状透镜阵列、光电传感器阵列及其电路板、保护玻璃、接口、塑料外壳等组成。该CIS的物理分辨率为200dpi(8 dots/mm),有效扫描长度为216mm,共有1 728个传感器像素单元。

　　3　CIS测量系统中光源的设计分析

　　实验初期,按CIS的一般使用方法,让CIS模块内LED的光线射到量筒表面,通过检测反射光的强弱来获得液面信号。但发现液面上下反射光的光强差别较小,使后续的图像信号处理难以进行。

　　经过进一步实验,注意到液体和空气的折射率不同,量筒中液体柱和空气柱的透射光路就不同,其聚光能力也就不同,也即量筒中液体段和空气段形成透镜的焦距不同。线状光源发出的光透过量筒的空气段和液体段后,所形成的像有很大差别。据此,我们首次提出用CIS检测透射光的方法来测量量筒中的液面位置[3]。

3.1　不同光源对测量精度的影响

　　根据上述测量原理,选用和设计了不同的光源,并对其测量效果进行了对比分析研究。

　　首先,我们将白炽灯置于黑箱中部,在黑箱上刻出一条2mm×300mm的狭缝。白炽灯光线经过狭缝产生线状光源。实验发现,当液面高度保持不变时,液位显示值(数码管显示)却一直在变化,其波动峰值大约为2.5mm。而且随着液面的升高,所测液面数值的波动幅度先由大到小,而后由小变大。为了研究液位显示值为何波动,将液位视频信号滤波之后,通过数字示波器来观察液位变化时CIS的输出信号,如图3所示。