一种基于楔波频散检测液面位置的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于楔波频散检测液面位置的方法，所述方法包括以下步骤：建立理想楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；根据所述模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；根据所述楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；根据所述楔形波模态通波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。本发明专利技术为测定液面位置提供了一种可靠的方法，为实现液面位置的在线检测提供指导依据。

A method of detecting liquid level position based on wedge wave dispersion

【技术实现步骤摘要】
一种基于楔波频散检测液面位置的方法
本专利技术涉及激光超声检测
，尤其涉及一种液面检测方法。
技术介绍
楔形结构材料是一种非常常见的结构材料。厚度非均匀的金属板状结构，特别是金属楔形构件在工业材料及其零部件中有广泛的应用。这种结构也广泛应用于汽车油箱和特别是摩托车行业，更重要的是要适应箱中较为复杂的要求，高度越来越低的几何形状，以确保潜在点火的安全性和抗污染能力。因此，机械设备箱液位传感对测量分辨率高、安全性高、减少频繁维护的需要、降低成本效益要求强烈。目前测量液位的方法有很多，其中有浮子式、静电式、光学式、光纤传感法，超声探测等方法。浮动类型检测浮动的位置，在液体表面结合电阻传感器，由于其结构简单、成本合理而得到了早期的应用。静电式利用电容，由于液位的增加，同轴电缆与含有液体的储存器之间的变化，只要知道液体的导电性能，即使是高粘度液体也可以用这种类型来测量。该光学传感器包括一种商用激光测距传感器，由光发射器和光探测器组成，光探测器根据液体表面的位置，对光点的光强和位置进行高精度的检测。其中一个光纤传感器有凹槽，利用与光纤芯相似的空气和液体折射率的差值，如果液位增加，由于液体与芯体的接触，信号耗散就会减少，由此获得液面位置。然而，浮动类型的代价很低，精度高，温度变化大，静电式在复杂的几何环境中无法操作，受环境变化影响较大；光学型需要频繁的维护；而光纤传感器的造价过高，应用于汽车油箱水箱的探测很不经济；引导脉冲类型冒着有电火花的危险。超声类型是利用超声、空气耦合超声、浸没式超声传感器、引导超声经过的时间检测液位的方法。由于其使用简单、安全可靠，在许多应用中得到了广泛的应用。在使用空气耦合和浸没超声的情况下，需要定期进行维护。与此相反，超声引导方法只需要最小的维护量，并且可以鲁棒操作，因为超声波的来源很长一段时间内不需要暴露在液体罐中。引导超声有几种，如表面波、扭转波、横波等。我们特别关注楔形波。楔形波是一种特殊的表面波，主要存在于楔形结构中，沿楔形波导杆传播。由于它的能量集中，可以以较低的衰减传播很远的距离。此外，楔形波的速度相对于其他导波速度较慢，因此认为可以提高测量精度，这与测量设备的时间分辨率密切相关。此外，当楔形波传播的波导浸入液体中时，声波的速度降低。但是，目前还并未有利用楔波频散特征间接测量液面位置的研究。液面位置测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于楔波频散检测液面位置的方法，以解决现有技术中存在的测量液面位置的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于楔波频散检测液面位置的方法，所述方法包括以下步骤：(1)、建立楔形波的导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；(2)、根据所述模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；(3)、根据所述楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；(4)、根据所述楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。进一步的，所述超声波阵面通过将不同扫描点所产生的超声波信号连接起来获得。进一步的，楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系的具体步骤如下：楔形波传播到液面位置时发生反射与透射现象，同时会发生模态分离；楔形波在传播过程中发生模态分离，产生入射波A1和入射波A2等模态，两模态的传播速度不同，因此到达液面位置的时间不同，入射波A1模态到达液面位置时，可以观测到楔形波的反射波RA11、透射波TA1模态和模式分离的TA2模态；入射波A2模态在液面处发生反射和透射，其反射波在传播过程中分离出RA21、RA22模态；根据斜率便可以准确测算A1、RA11、RA21的速度为V1，A2、RA22的速度为V2，TA1、TA2的速度分别为V1’、V2’。楔波传播到波导杆底部时发生反射现象，TA1’模态可以观测到楔波的反射波RTA1’；根据斜率便可以准确测算TA1’、RTA1’的速度为V1’。其中，TA1’模态为液体中传播的声波。进一步的，液面位置通过如下方法获得：楔形波导杆角度小于等于45度，楔形波模态的直达波有A1，A2模态，反射波有RA11，RA22，RA21模态；假设A1，A2模态由激发点传播到液面的时间分别是t1，t2，楔尖任意位置RA11，RA21出现的时间差△t1＝t2-t1(A1，A2模态到达液面位置的时间差)，因此可得到液面距离激发点为S1＝V2V1△t1/(V2-V1)。楔形波导杆角度大于45度，楔形波仅有A1模态，其反射波为RA11模态；距离激发点S’位置取得楔形波模态A1，RA11出现的时间分别为t1，t2，因此可得液面位置距离取点处为S”＝V1×(t2-t1)/2，因此液面距离激发点为S1＝S’+V1×(t2-t1)/2。进一步的，楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。在没有液体的状态下，探测点接收到A1模态在楔形波导杆底部的反射波时间其中，L为激发点距离波导杆底部的距离；在浸入液体中以后，探测点接收到A1模态在楔形波导杆底部的反射波时间其中，H为波导杆浸入液体的深度；因此得到波导杆浸入液体深度液面位置距离探测点位置L-H。其中，V1为A1模态在空气中的速度，V1’为A1模态在液体中的速度。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：由于楔形波在插入液体中的波导杆中传播时，会由于液体的附加载荷，从而产生含有可用于判断液面位置的信息，通过楔波模态的直达波与反射波确定液面位置；通过液面回波和波导杆末端回波，本专利技术能够较好定位液面位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测。附图说明图1是本专利技术提供的利用楔形波检测液面方法的一个实施例的流程示意图；图2是楔波传播示意图；图3是浸入有液体中的楔形波导杆在液面处入射波和反射波仿真Bscan图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，是本专利技术提供的测量液面位置的一个实施例的流程示意图，所述方法包括：步骤一，建立理想楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；建立楔角为θ理想楔形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)、建立楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；/n(2)、根据步骤(1)得到的模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；/n(3)、根据楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；/n(4)、根据楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)、建立楔形波导杆垂直插入液面，利用激光激发楔形波的模型；
(2)、根据步骤(1)得到的模型沿楔形波传播方向进行B扫描并绘制Bscan图，得到楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系；
(3)、根据楔形波模态在液面位置的直达波与反射波确定液面位置；
(4)、根据楔形波模态通过波导杆底部的反射波及透射波的Bscan图确定该楔形波在空气和液体中的传播速度，根据既定的波导杆尺寸参数和楔形波在空气及液体中的传播时间差来确定液面位置。


2.根据权利要求1所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述楔形波的模态通过将不同扫描点所产生的声波信号连接起来获得。


3.根据权利要求1所述的一种基于楔波频散检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤(2)中楔形波的模态在液面位置的反射波与入射波相互关系，楔形波的模态在波导杆底部反射波与入射波相互关系的具体步骤如下：
楔形波传播到液面位置时发生反射与透射现象，同时会发生模态分离；入射波A1模态到达液面位置时，能够观测到楔形波的反射波RA11、透射波TA1模态和模式分离的TA2模态；入射波A2模态在液面处发生反射和透射，其反射波在传播过程中分离出RA21、RA22模态；根据斜率能够测算A1、RA11、RA21的速度为V1，A2、RA22的速度为V2，TA1、TA2的速度分别为V1’、V2’；
楔形波传播到波导杆底部时发生反射现象，TA1’模态可以观测到楔形波的反射波RTA1’；根据斜率能够测算TA1’、RTA1’的速度为V1’；其中，TA1’模态为...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾静，庞兆行，姜学平，殷澄，韩庆邦，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32