CN104316138B - 一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置及方法，所述装置包括光学模块、电荷耦合元件、模数转换模块以及现场可编程门阵列模块；所述光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的反射激光和散射激光后输送给所述电荷耦合元件，由所述电荷耦合元件进行光电转换，由所述现场可编程门阵列模块计算得到控制时序和液面位移值，并根据计算所得控制时序为所述电荷耦合元件以及模数转换模块，提供正常工作所需的驱动脉冲。本发明一方面可以有效减弱或消除烟尘的散射所带来的干扰，另一方面使电荷耦合元件CCD的光积分时间更加合理，输出信号的强度足够，便于后续芯片对信号的处理以得到更为精确的液面位移值。
Description
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，更具体涉及一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置及方法。
背景技术
铸造机工作时结晶器中的熔融金属液位需要严格控制在一个工艺设定值，现在工业上的普遍做法是使用激光位移检测器来实时监控液态金属液位高低的变化，通过金属液位闭环控制来保证金属液位的工艺要求。但在铸造开始阶段和铸造阶段，因为石棉绳的燃烧和润滑脂的投入，在激光位移检测器的检测路径上会产生大量烟尘，从而影响检测和检测精度，造成铸造机开机成功率低和铸造过程死机。
烟尘主要由相对密集的悬浮粒子组成，是一种不稳定的可穿透性物质。当悬浮粒子的几何尺寸大于检测激光的波长时，就能对激光波形成散射，从而影响激光位移传感器工作的精确度。从已检索到的文献来看，烟尘环境下激光测量抗干扰的措施主要如下几种：
(1)缩小激光发射脉冲的宽度抑制烟尘干扰；
利用烟尘对于激光波具有可穿透性，缩小激光发射脉冲宽度，使得烟尘表层散射的能量与进入烟尘内层的激光波散射的能量在时间上错开，从而使得激光引信中的烟尘整体散射强度不高，抑制了烟尘有效干扰的形成。
(2)实时调整激光发射光源强度抑制烟尘干扰；
实时表面补光技术是激光检测中用来抗烟尘干扰的常用方法，该方法的技术路线是根据电荷耦合元件CCD接收信号的强弱进行反馈，控制激光位移传感器探测光源的强度，从而使电荷耦合元件CCD接收信号维持在一个稳定的范围内，保证信号中心不受光强变化的影响，进而准确反应待测表面的位移变化。该方法的原理框图如图1所示，激光位移传感器利用复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)组成CCD驱动电路，产生两相驱动信号，测量时信号通过滤波器低通滤波后再由放大器进行放大，然后由比较器进行二值化处理，之后用脉冲填充法计算CCD第一个像素到二值化处理后信号前沿的距离，并以此推算出想在CCD上的位置，得到所需原始数据。
(3)设立多重电压门限来阻隔烟尘干扰；
由于被探测物体是不可穿透性目标，不可穿透性目标的反射形成的回波强度要高于烟尘后向散射所形成的回波强度，所以可以通过设置合理的电压门限，让被探测物体的反射信号可以留下来而烟尘后向散射(即在烟尘的各个方向的散射中会被探测器接收到的那一部分散射)的信号被过滤掉，从而达到减弱烟尘干扰的目的。
对于铸造机中使用的激光位移传感器来说，激光源暂时没有采用脉冲激光，所以通过减小脉冲宽度来抑制烟尘干扰的方法用不上，另外由于烟尘中悬浮粒子大小的随机性和不均匀性，脉冲宽度的优化比较复杂；单一设立多重门限的方法，一定程度上可以减弱烟尘散射的影响，但被测物体的散射或反射强度也同样被削弱；而实时调整激光发射光源强度的方法，需要利用CCD接收的反馈信号，调节激光器的光照强度，但调节响应速度较慢，且不断改变探测光源的光强有可能引入其它形式的噪声干扰，影响检测精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在高烟尘环境下，精确测量液位高度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置，其特征在于，所述装置包括光学模块、电荷耦合元件、模数转换模块以及现场可编程门阵列模块；
所述光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的散射激光后输送给所述电荷耦合元件，由所述电荷耦合元件进行光电转换之后发送给所述模数转换模块，所述模数转换模块将处理后的数字信号传送到所述现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块计算得到控制时序或液面位移值，并根据所述控制时序对所述电荷耦合元件以及模数转换模块进行时序控制。
优选地，所述光学模块包括半导体激光器、透镜以及滤光片；由所述半导体激光器发射的探测激光经过金属液面散射，并由所述透镜进行收集，之后由所述滤光片滤波并传送给所述电荷耦合元件。
优选地，所述透镜为两组。
优选地，所述现场可编程门阵列模块包括：存储器单元、数据有效鉴定单元、曝光与位移计算控制单元、位移计算单元以及时序发生器单元；
所述存储器单元将所述模数转换模块输出的数据进行存储并传送给所述数据有效鉴定单元；
所述数据有效鉴定单元计算接收的数据中超过设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给所述曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给所述时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。
优选地，所述存储器单元包括先进先出存储器。
优选地，所述电荷耦合元件根据所述时序发生器单元的驱动信号，在时间上控制所述电荷耦合元件芯片上的电荷产生和转移，实现曝光时间的调整。
一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法，包括以下步骤：
S1、光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的散射激光，传送给电荷耦合元件；
S2、所述电荷耦合元件将接收到的光信号转换为电信号之后传送给模数转换模块进行模数转换；
S3、所述模数转换模块将处理后的数字信号传送给现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块根据得到的数据计算得液面位移值或控制时序，并根据所述控制时序对所述电荷耦合元件进行时序控制。
优选地，所述步骤S3中首先对接收到的数据存储到存储单元中，之后计算所述液面位移值或所述控制时序。
优选地，所述步骤S3中计算所述液面位移值或所述控制时序的具体过程为：
由所述现场可编程门阵列模块的数据有效鉴定单元计算接收的数据中超过设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。
优选地，所述步骤S1中，光学模块通过其半导体激光器发出探测激光，通过透镜对所述散射激光进行收集，并通过滤波片进行滤波处理。
(三)有益效果
本发明提供了一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置及方法，本发明无需采用功率可调的半导体激光器，只通过软件设计实现对烟尘干扰的处理，一方面可以有效减弱或消除烟尘的散射所带来的干扰，另一方面使电荷耦合元件CCD的光积分时间更加合理，输出信号的强度足够，便于后续芯片对信号的处理以得到更为精确的液面位移值，解决了由于烟尘干扰导致液面的散射或反射到电荷耦合元件CCD上的信号强度较弱的问题，同时也避免了外加电路所带来的其它电路噪声，提高了测量精度的同时系统也并不复杂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中实时调整激光发射光源强度抑制烟尘干扰的液面检测的原理示意图；
图2为本发明的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置的原理示意图；
图3为本发明的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置的电荷耦合元件的驱动脉冲示意图；
图4为本发明的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法流程图；
图5为本发明的一个较佳实施例的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
图2为本发明的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置的原理示意图；所述一种铸造机金属液位激光检测装置包括光学模块1、电荷耦合元件2、模数转换模块3以及现场可编程门阵列模块4。
所述光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的散射激光后输送给所述电荷耦合元件，由所述电荷耦合元件进行光电转换之后发送给所述模数转换模块，所述模数转换模块将处理后的数字信号传送到所述现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块计算得到控制时序或液面位移值，并根据所述控制时序对所述电荷耦合元件以及模数转换模块进行时序控制。
本发明无需采用功率可调的半导体激光器，只通过软件设计实现对烟尘干扰的处理，一方面可以有效减弱或消除烟尘的散射所带来的干扰，另一方面使电荷耦合元件CCD的光积分时间更加合理，输出信号的强度足够，便于后续芯片对信号的处理以得到更为精确的液面位移值。
优选地，所述光学模块1包括半导体激光器、透镜以及滤光片。光学模块主要提供激光光源并对激光进行一些处理，具体为由所述半导体激光器发射的探测激光经过金属液面散射，并由所述透镜进行收集，之后由所述滤光片滤波并传送给所述电荷耦合元件，所述透镜为两组。
所述现场可编程门阵列模块包括存储器单元、数据有效鉴定单元、曝光与位移计算控制单元、位移计算单元以及时序发生器单元；所述存储器单元将所述模数转换模块输出的数据进行存储并传送给所述数据有效鉴定单元；所述数据有效鉴定单元事先设定一个阈值，并计算接收的数据中大于设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给所述曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给所述时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。所述存储器单元包括先进先出存储器，但并不限于所述先进先出存储器。
优选地，所述电荷耦合元件根据所述时序发生器单元的驱动信号，在时间上控制所述电荷耦合元件芯片上的电荷产生和转移，实现曝光时间的调整；具体过程为：当积分清除门脉冲为低电平时，其处于开启状态，如果这段时间内，转移门脉冲的下降沿被检测到，采集到的光信号电荷包就被转移到CCD的移位寄存器中，并在积分清除门脉冲回到高电平时移位输出。积分清除门脉冲的主要作用是用来判断某段时间采集到的光信号是否有效，转移门脉冲则是控制光积分(即采集光信号)的时间段。
本发明还公开了一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
S1、光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的散射激光，传送给电荷耦合元件；
S2、所述电荷耦合元件将接收到的光信号转换为电信号之后传送给模数转换模块进行模数转换；
S3、所述模数转换模块将处理后的数字信号传送给现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块根据得到的数据计算得液面位移值或控制时序，并根据所述控制时序对所述电荷耦合元件进行时序控制。
图5为本发明的一个较佳实施例的一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法；本实施例中，所述步骤S3中首先对接收到的数据存储到存储单元中，之后计算所述液面位移值或所述控制时序。
所述步骤S3中计算所述液面位移值或所述控制时序的具体过程为由所述现场可编程门阵列模块的数据有效鉴定单元计算接收的数据中超过设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。合理设置所述设定阈值以及设定值可以有效地消除烟尘的散射干扰。
本实施例的所述步骤S1中，光学模块主要提供激光光源并对激光进行一些处理，具体为通过其半导体激光器发出探测激光，通过透镜对所述散射激光进行收集。并通过滤波片进行滤波处理。
在铸造机金属液位的检测中，由于烟尘的干扰会导致电荷耦合元件CCD上接收到的目标信号强度减弱，信号强度削弱太大，会带来检测误差；烟尘散射的激光信号强度过大，则会检测不到目标。本发明根据接收到的目标信号的强弱，实时调整电荷耦合元件CCD的曝光时间，能补强CCD上目标信号，使信号强度稳定在一个准确映射的范围。本发明的利用基于调整曝光时间的CCD信号增强方法，结合合理的设定阈值，来有效增强目标信号的视场，从而抑制铸造机激光检测中的烟尘干扰。
本发明中，半导体激光器发出的光线照射到待测物的表面会形成散射，散射光经透镜汇聚后照射到线阵电荷耦合元件CCD上，待测物移动会造成照射到线阵CCD上的散射光斑发生移动，由这个移动距离通过合理的计算之后就可以得到待测表面的位移值，但在铸造机中会产生很多的烟尘，一方面烟尘也会对是激光器发出的光线发生散射，从而在线阵CCD上产生干扰光斑，另一方面待测表面的散射光经过烟尘之后强度会被削弱，影响测量精度。针对前者本发明可以通过合理的设定阈值消除烟尘的散射光干扰，针对后者通过电荷耦合元件CCD的电子快门功能进行补光，所述电子快门功能为：所述电荷耦合元件根据所述时序发生器单元的驱动信号，在时间上控制所述电荷耦合元件芯片上的电荷产生和转移，实现曝光时间的调整。本发明中电荷耦合元件CCD在时序发生器单元的驱动下，输出像素信号，由模数转换单元进行采样、滤波以及其它一些信号处理，后得到数字信号。
本发明中电荷耦合元件CCD采用的是型号为TCD1304DG的电荷耦合元件CCD，其具有电子快门功能，电子快门不同于机械快门，它利用电子技术在时间上控制电荷耦合元件CCD上电荷的产生和转移，从而达到“快门”效果，电子快门无运转噪声，曝光时间调整方便，且档次较多，本发明采用的电荷耦合元件CCD的其中两路驱动脉冲如图3所示，控制转移门脉冲信号的占空比就可以改变图中的积分时间，也就相当于改变了电荷耦合元件CCD的曝光时间。本发明的电荷耦合元件通过编程随时改变光积分时间，相当于随时改变CCD的曝光时间，在电路的小范围内运用反馈原理实现有效调节，从而改善由于烟尘干扰使电荷耦合元件CCD曝光不足、输出信号不理想的的状况。模数转换模块采用的是AD9945的模数转换芯片，其具有相关双采样功能，能够将电荷耦合元件CCD输出的模拟信号转换为12位的数字信号输出，并且具有钳位功能，能够将电荷耦合元件CCD的暗像素消除掉，是一款高速电荷耦合元件CCD处理芯片。通过合理设计曝光与位移计算控制单元的控制器，运用Verilog硬件编程语言实现对曝光时间的有效调节。本发明中电荷耦合元件CCD的英文全称为：Charge-coupled Device。
本发明提供了一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置及方法，本发明无需采用功率可调的半导体激光器，只通过软件设计实现对烟尘干扰的处理，一方面可以有效减弱或消除烟尘的散射所带来的干扰，另一方面使电荷耦合元件CCD的光积分时间更加合理，输出信号的强度足够，便于后续芯片对信号的处理以得到更为精确的液面位移值，解决了由于烟尘干扰导致液面的散射或反射到电荷耦合元件CCD上的信号强度较弱的问题，同时也避免了外加电路所带来的其它电路噪声，提高了测量精度的同时系统也并不复杂。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测装置，其特征在于，所述装置包括光学模块、电荷耦合元件、模数转换模块以及现场可编程门阵列模块；
所述光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的反射激光和散射激光后输送给所述电荷耦合元件，由所述电荷耦合元件进行光电转换之后发送给所述模数转换模块，所述模数转换模块将处理后的数字信号传送到所述现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块计算得到控制时序和液面位移值，并根据计算所得的所述控制时序对所述电荷耦合元件以及模数转换模块进行时序控制；
所述现场可编程门阵列模块包括：存储器单元、数据有效鉴定单元、曝光与位移计算控制单元、位移计算单元以及时序发生器单元；
所述存储器单元将所述模数转换模块输出的数据进行存储并传送给所述数据有效鉴定单元；
所述数据有效鉴定单元计算接收的数据中超过设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给所述曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给所述时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学模块包括半导体激光器、透镜以及滤光片；由所述半导体激光器发射的探测激光经过金属液面散射，并由所述透镜进行收集，之后由所述滤光片滤波并传送给所述电荷耦合元件。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透镜为两组。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储器单元包括先进先出存储器。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电荷耦合元件根据所述时序发生器单元的驱动信号，在时间上控制所述电荷耦合元件芯片上的电荷产生和转移，实现曝光时间的调整。
6.一种抗烟尘干扰的铸造机金属液位激光检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光学模块发出探测激光，并收集所述探测激光的散射激光，传送给电荷耦合元件；
S2、所述电荷耦合元件将接收到的光信号转换为电信号之后传送给模数转换模块进行模数转换；
S3、所述模数转换模块将处理后的数字信号传送给现场可编程门阵列模块，所述现场可编程门阵列模块根据得到的数据计算得液面位移值或控制时序，并根据所述控制时序对所述电荷耦合元件进行时序控制；
所述步骤S3中计算所述液面位移值或所述控制时序的具体过程为：
由所述现场可编程门阵列模块的数据有效鉴定单元计算接收的数据中超过设定阈值的数目，若数目超过预定值，则由所述数据有效鉴定单元将其接收到的数据传送给曝光与位移计算控制单元，由所述曝光与位移计算控制单元将其接收到的数据传送给所述位移计算单元，并有所述位移计算单元计算液面的位移值；若数目未超过预定值，则由所述曝光与位移计算控制单元计算得出曝光时间发送给时序发生器单元，由所述时序发生器单元通过调节转移门脉冲信号的占空比实现调节所述电荷耦合元件的曝光时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中首先对接收到的数据存储到存储单元中，之后计算所述液面位移值或所述控制时序。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，光学模块通过其半导体激光器发出探测激光，通过透镜对所述散射激光进行收集，并通过滤波片进行滤波处理。
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| US4322627A (en) * | 1978-12-06 | 1982-03-30 | Centre De Recherches Metallurgiques-Centrum Voor Research In De Metallurgie | Apparatus for monitoring the surface of the charge of a shaft furnace |
| CN2864712Y (zh) * | 2006-01-17 | 2007-01-31 | 南京理工大学 | 消除脉冲激光测距后向散射干扰的装置 |
| CN103616696A (zh) * | 2013-11-27 | 2014-03-05 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种激光成像雷达装置及其测距的方法 |
-
2014
- 2014-10-27 CN CN201410582088.2A patent/CN104316138B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4322627A (en) * | 1978-12-06 | 1982-03-30 | Centre De Recherches Metallurgiques-Centrum Voor Research In De Metallurgie | Apparatus for monitoring the surface of the charge of a shaft furnace |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 激光三角测量装置的优化研究;罗立强;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊） 工程科技II辑》;20120715(第7期);正文2.1 激光三角法的原理、3.2可自动调节曝光时间电路 * |
| 高精度实时激光三角测距系统设计;冯金城;《中国优秀硕士学位论文数据库（电子期刊） 信息科技辑》;20090115(第1期);正文2.2.1 直射三角法公式推导、4.4.1数据采集与处理系统组成 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104316138A (zh) | 2015-01-28 |
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