基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法及系统。该方法包括：使待测液体产生表面波纹并将预定结构光投影到待测液体表面；分析待测液体表面波纹的条纹所代表的实际高度变化，得到待测液体表面毛细波的波长；基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力，并根据已建立的液体类别与液体表面张力之间的关联关系获得待测液体的类别。本发明专利技术的方法和系统利用液体表面毛细波的特性，提出高精度、低成本并具有普适性的检测机制。

Liquid detection method and system based on structured light to measure surface capillary wave

【技术实现步骤摘要】
基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法及系统
本专利技术涉及液体检测
，尤其涉及一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法及系统。
技术介绍
出于安全的考虑，危险液体检测在各种地铁、机场等公共交通场所是必不可少的；而且现在的人们注重饮食，分析食物成分和热量的需求越来越多，但是现有使用的液体检测设备都非常昂贵，所以在实现物质的检测以及液体浓度，液位的识别的基础上，可以做出便宜、便携的液体检测计也同样非常重要的，逐渐地成为研究热点。目前，安检所使用的危险液体检测主要分为几种，第一种是使用拉曼光谱，可以用手持式设备发射一束激光，然后利用反射回来的光分析不同物质的光谱差异实现分辨液体成分，但缺点是价钱非常昂贵；第二种是荧光淬灭技术，是专门针对常见的危险物质制备的传感材，但是这些方法使用的仪器都非常昂贵，而且不能检测塑料瓶以外的容器；第三种是介电常数方法，该方法相对便宜、设备也小，但是精度不高，这个方法通过发射天线发射一个电信号，附近的接收天线接收返回的电信号，从接收回来的信号中分析导电率从而算出介电常数对液体进行分类。由于不仅仅是安检情况下需要检测液体，平时检测喝的饮料，出门时检测水质情况等场景都需要便携并且廉价的检测仪，使用上述这些专业的但是很笨重的设备是非常不理想的。现有常见的水质检测是使用红外光通过测量溶液中的透光率和散射率来判断液体的浑浊程度，水越浑浊，透过的光就越少，但是这种方法只能检测水的浑浊程度，但不能检测其他类型的液体，因为不同类型的液体对于发射的红外光的吸收情况是不一样的，从接收到的红外光情况去分析液体是很片面的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法，能够识别不同类型的液体，实现高精度检测。根据本专利技术的第一方面，提供一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法。该方法包括以下步骤：步骤S1，使待测液体产生表面波纹并将预定结构光投影到待测液体表面；步骤S2，分析待测液体表面波纹的条纹所代表的实际高度变化，得到待测液体表面毛细波的波长；步骤S3，基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力，并根据已建立的液体类别与液体表面张力之间的关联关系获得待测液体的类别。在一个实施例中，根据以下步骤确定所述结构光的相关信息：根据液体类别选择吸收光谱中吸收峰值最高的多个波长的激光作为结构光的光源；设计一个棋盘格，对相机进行标定，根据相机的拍摄视场以及相机分辨率计算相机分辨的最小尺寸；根据相机分辨的最小尺寸选择所述结构光的衍射条纹的图案和尺寸；根据衍射条纹的图案和尺寸通过光栅方程以及光栅衍射光强方程选择衍射光栅的参数。在一个实施例中，步骤S1包括以下子步骤：使用超声波传感器，使得待测液体表面产生因表面张力引起的表面毛细波纹；根据液体类别选择特定波长的激光光源，准直后通过衍射光栅产生结构光；调整所述激光光源和所述衍射光栅的角度使结构光投影在待测液体表面波纹上。在一个实施例中，步骤S3包括以下子步骤：在所述结构光投影下调整相机的角度，拍摄多张待测液体表面波纹的图案并记录相机的角度；关闭所述超声波传感器，拍摄相应角度下待测液体表面波纹的图片作为参考面，更换不同波长的激光光源拍摄待测液体表面波纹的图片并测量待测液体液面与相机之间的距离；分析待测液体表面波纹的图片，提取出变形的条纹区域与参考面对比，记录变形最大的位置，分析表面毛细波的形状并计算待测液体表面毛细波的波长；基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力。在一个实施例中，根据所述条纹变形的最大位置构建液体波纹形状，将两个波谷或者波峰之间的距离作为所述待测液体表面毛细波的波长。在一个实施例中，根据以下公式计算表面毛细波波长对应的表面张力：其中，f是表面毛细波的频率，g是重力，ρ是液体密度，λ是表面毛细波的波长。在一个实施例中，所述关联关系还进一步包括液体类别中多个吸收波长以及吸收率与液体表面张力之间的对应关系。根据本专利技术的第二方面，提供一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测系统。该系统包括：用于使待测液体产生波纹并将预定结构光投影到待测液体表面的模块；用于分析待测液体表面波纹的条纹所代表的实际高度变化，得到待测液体表面毛细波的波长的模块；用于基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力，并根据已建立的液体类别与液体表面张力之间的关联关系获得待测液体的类别的模块。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：利用液体表面毛细波的特性，提出一种更高精度，而且低成本的液体检测方法。该方法利用廉价的超声波传感器在液体表面形成表面毛细波，借助激光和光栅产生结构光，通过测量表面毛细波的波长并从波长算出表面张力。此外，本专利技术还提出用液体在不同波长的吸收率辅助表面张力对液体进行分类，进一步提高了液体识别的精度；并且使用可自定义的结构光可以针对不同波形的表面毛细波使用不同的图案，具有普适性；并且，本专利技术还通过设计了预处理模块，进一步提高了液体检测的准确性和鲁棒性。附图说明以下附图仅对本专利技术作示意性的说明和解释，并不用于限定本专利技术的范围，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法的流程图；图2是根据本专利技术一个实施例的基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法的过程示意；图3是根据本专利技术一个实施例的系统实验布置图；图4是根据本专利技术一个实施例的基于结构光测量表面毛细波的液体检测系统的框架结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。为便于理解，首先介绍本专利技术设计的实验过程，参见图3所示，首先使用超声波传感器发射特定频率的超声波，使得液面仅在表面张力的作用下产生表面毛细波；然后用激光和光栅设计出适合该种液体的表面毛细波的图案形状以及尺寸，投影到液体表面；投影到液体表面的图案会因为液体波纹存在高度的差异而导致变形；使用相机拍下变形的条纹，再根据条纹的变形量判断液体的波纹的位置，并且基于相机标定得到的变换矩阵得到液面的波纹波长，再求出表面张力；最后，从已建立的数据库中找到最近的表面张力以及吸收率所对应的液体类型。参见图1和图2所示，本专利技术实施例提供的基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法包括以下步骤：步骤S110，建立液体类别和液体表面张力之间的关联关系。在此步骤中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法，包括以下步骤：/n步骤S1，使待测液体产生表面波纹并将预定结构光投影到待测液体表面；/n步骤S2，分析待测液体表面波纹的条纹所代表的实际高度变化，得到待测液体表面毛细波的波长；/n步骤S3，基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力，并根据已建立的液体类别与液体表面张力之间的关联关系获得待测液体的类别。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于结构光测量表面毛细波的液体检测方法，包括以下步骤：
步骤S1，使待测液体产生表面波纹并将预定结构光投影到待测液体表面；
步骤S2，分析待测液体表面波纹的条纹所代表的实际高度变化，得到待测液体表面毛细波的波长；
步骤S3，基于所述表面毛细波的波长计算得到待测液体表面张力，并根据已建立的液体类别与液体表面张力之间的关联关系获得待测液体的类别。


2.根据权利要求1所述的液体检测方法，其中，根据以下步骤确定所述结构光的相关信息：
根据液体类别选择吸收光谱中吸收峰值最高的多个波长的激光作为结构光的光源；
设计一个棋盘格，对相机进行标定，根据相机的拍摄视场以及相机分辨率计算相机分辨的最小尺寸；
根据相机分辨的最小尺寸选择所述结构光的衍射条纹的图案和尺寸；
根据衍射条纹的图案和尺寸通过光栅方程以及光栅衍射光强方程选择衍射光栅的参数。


3.根据权利要求1所述的液体检测方法，其中，步骤S1包括以下子步骤：
使用超声波传感器，使得待测液体表面产生因表面张力引起的表面毛细波纹；
根据液体类别选择特定波长的激光光源，准直后通过衍射光栅产生结构光；
调整所述激光光源和所述衍射光栅的角度使结构光投影在待测液体表面波纹上。


4.根据权利要求3所述的液体检测方法，其中步骤S3包括以下子步骤：
在所述结构光投影下调整相机的角度，拍摄多张待测液体表面波纹的图案并记录相机的角度；
关闭所述超声波传感器，拍摄相应角度下待测液体表面波纹的图片作为参考面，更换不同波长的激光光源拍摄待测液体表面波纹的图片并测量待测液体液面与相机之间的距离；

【专利技术属性】
技术研发人员：伍楷舜，董银英，黄勇志，王璐，杨锐雄，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44