[发明专利]一种微幅液体表面波高实时测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种用于液体表面波波高和振动频率的测量的基于光电位置传感器和半导体激光器的测量装置和测量方法。

背景技术

目前液体表面波高接触式测量方法主要有浮标式和探针式两种。其中浮标式的测量原理是浮标体随波浪起伏时，内置的垂直加速度传感器就会输出反映波面升降加速度变化的信号，对信号进行处理计算就可实现对波高的实时测量；而探针式测量则是利用液体中电容、电阻或压力随液位的变化而线性变化的原理进行测量的。不管是浮标还是探针，都会对液体表面波产生干扰，尤其是对微幅液体表面波，使得测量结果不可靠，另外测量精度也受限于浮标体和探针的尺寸。

非接触式测量装置有CCD摄像式波高仪，雷达测距式波高仪，以及利用激光进行液体表面波测量的各种装置。CCD摄像式波高仪是通过录像，并进行图像分析来测量波高，实现技术路线较复杂、不是实时测量，而且价格昂贵。雷达测距式波高仪根据超声波或电磁波的反射信息进行浪高测量，受测量原理限制其精度不高。由于激光光束的准直性好和发散度小，激光特别适用于高精度测量。目前已有利用半导体激光器和硅光电池组成的测量装置，根据激光在液体波面处折射的原理，通过硅光电池采集折射激光的周期偏转来测量液体表面波的振动频率和传播速度，但是该装置不能测量液体表面波的波幅。还有基于散射激光多普勒效应的探测低频液体表面波特性的方法和装置，它的原理是让液体表面波的散射光和参考光相干涉，然后分析处理采集到的干涉光电信号得到频谱分析图，再根据频谱分析图上散射光发生的多普勒频移值计算出液体表面波的振幅，测量精度较高，但可测液体表面波频率较窄，由于该装置光路复杂，需较多光学器件，采集到的信号也需要分析处理，计算量也较大，所以此类装置造价较为昂贵；而且当液体较浅时，由于激光在透明液体中穿透性好，在液体底部的散射光会和液体表面波散射光相混，从而干扰测量结果，所以该装置对较浅的透明液体的表面波测量效果不好。

针对上述技术背景，需要发明一套能够测量微幅液体表面波波幅的测量装置和测量方法，同时具有实现技术路线简便、能够实时分析、测量精度高、非接触的特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微幅液体表面波高实时测量装置及测量方法，该方法用于微幅液体表面波波幅的实时测量，它解决了现有技术中激光折射法不能精确测量微幅液体表面波波幅的问题，并且本发明对深度较浅的透明液体也具有同样的测量效果。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种微幅液体表面波高实时测量装置，该装置包括激光器、透明液体槽、光电位置传感器、平移架、摇杆、螺杆、滑轨、示波器和固定螺母。其中，所述固定螺母固定在滑轨上。螺杆与固定螺母螺纹旋接，螺杆一端与置于滑轨上的平移架套接，螺杆可在套接处旋转并能带动平移架平移，另一端与摇杆固定连接；平移架的顶部和底部各有一个水平伸出的架臂，光电位置传感器和激光器上下正对着安装在两个架臂内侧面，光电位置传感器信号输出端和示波器相连。

一种微幅液体表面波高实时测量方法，该方法在上述微幅液体表面波高实时测量装置上实现，包括如下步骤：

（1）通过摇杆旋转螺杆使平移架移动，从而使得平移架的两架臂一上一下水平伸向透明液体槽；

（2）测量光电位置传感器距透明液体槽内的液体表面的距离L；

（3）激光器发出激光，当液体表面有波动时，激光器发出的激光到达液面时的入射角会随波面起伏不停发生偏转，光束打在光电位置传感器感光面的光斑也随之来回移动；光电位置传感器采集到的光电信号显示在示波器上就是一个上下波动的迹线，迹线的波幅就是光斑偏移的最大距离d_max；

（4）转动摇杆使平移架水平移动距离s，此时示波器显示的波形也会发生移动，数出波形移动的周期数m，则由移动距离s=mλ计算出液体表面波的波长λ，再由k=2π/λ得到波数k；

（5）最后，由下式可得到液体表面波波幅A：A = d_max /(n-1)Lk，其中，n为液体的折射率。