一种基于光学折射原理的容量检测装置
技术领域
本实用新型为一种检测装置，具体涉及一种针对特定结构、特殊用途的容器的基于光学折射原理的容量检测装置，属于光学检测技术领域。
背景技术
近年来，随着我国整体的工业化生产水平的不断提高，与居民日常生活相关的各类装置、设备的研发和生产相较于之前均有了长足的进步。以目前受关注度较高的空气净化器、空气消毒机等设备为例，由于受到市场需求及行业技术更新的影响，如今市面上的此类设备在其功能实现方式上多种多样且大多都集成有各种特殊功能。
液体汽化消毒是空气消毒机中常见的一种技术实现手段，其作用原理是将液态过氧化氢或其他具有消毒作用的液体进行汽化、然后随着气流扩散到环境中完成杀菌消毒。
毫无疑问地，在液体汽化过程中，如果可以实时且精确地获知液体的容量，那么不仅可以精准控制整个消杀过程、达到更佳的设备使用效果，同时也可以获得更好的用户体验。但由于过氧化氢等溶液具有腐蚀性，因此传统的接触式传感器无法适用于此类设备中。对此，在现有的技术条件下，广大设备生产商所使用的解决方案是使用具有一定透明度的容器来盛装溶液，并在容器上标注相应的刻度来反映容器内液体的容量。由常识可知，当光穿过透明介质时会发生折射现象、产生偏移，因此，利用刻度反映容器内的液体容量很容易受到观察者的个人经验及观察角度等多方面的影响、从而导致观察结果的不准确。
为了避免上述问题，目前也有一部分设备生产商在设备上安装有用于实时观察容器内液面高度的摄像部件，通过对实时图像的获取、结合图像处理技术，进而计算出容器内的液体容量。但是在实际的操作过程中，技术人员发现，这样的技术实现方式并不能达到预期的效果，其技术缺陷主要体现在两个方面：首先，受限于现有摄像部件的精度，对于容器内液面高度的获取存在着相当的误差，因此会导致最终结果的误差。其次，就算摄像部件的精度足够获取到准确的容器内液面高度，想要得到最终的结果，还需要十分复杂的图像处理算法支持，这样一来，无疑进一步给技术的最终实现带来了一定的困难。
综上所述，如何针对以上现有技术的缺陷，结合已有的技术方案，设计出一种全新的针对特定结构、特殊用途的容器的基于光学折射原理的容量检测装置，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本实用新型的目的是提出一种针对特定结构、特殊用途的容器的基于光学折射原理的容量检测装置，具体如下。
一种基于光学折射原理的容量检测装置，包括用于盛装溶液的透光容器、用于感应所述透光容器内部溶液有无的光学组件以及用于感知所述透光容器内部溶液高度的高度检测组件，所述光学组件与所述高度检测组件二者均设置于所述透光容器外部；
所述光学组件包括至少一个可主动发光或反射被动发光的光学标记以及至少一个与所述光学标记匹配对应的光学传感器，由所述光学标记发出的光线至少两次穿过所述透光容器的侧壁并最终被所述光学传感器接收；
由所述光学标记发出的光线在穿过所述透光容器的侧壁时，至少有一次所述光线与所述透光容器的侧壁间的入射夹角为非直角。
优选地，所述透光容器的整体形状为棱柱或圆柱。
优选地，所述光学标记为主动发光光源或被动反光标记；所述光学标记呈点状或条带状。
优选地，所述光学传感器为摄像头、光电二极管、红外线传感器及颜色传感器中的任意一种。
优选地，所述光学标记与所述光学传感器相对应地设置于所述透光容器的外周侧；
当所述光学标记的信号发出端与所述光学传感器的信号接收端二者间不直接相对时，所述基于光学折射原理的容量检测装置内还包括至少一个用于实现光线反射的光路反射部件，所述光路反射部件固定设置于所述透光容器的外部，由所述光学标记的信号发出端发出的光线穿过所述透光容器的侧壁后、经过所述光路反射部件的反射、被所述光学传感器的信号接收端接收；
所述光路反射部件为平面反光镜、凸面反光镜及凹面反光镜中的任意一种。
优选地，所述光学标记为一条带状的主动发光光源，所述光学传感器为一个摄像头，所述光学标记通过一个连接部件与所述光学传感器固定连接，所述光学标记的信号发出端与所述光学传感器的信号接收端二者同向设置，所述透光容器的外部、与所述光学标记及所述光学传感器二者相对的位置处固定设置有一面平面反光镜，由所述光学标记的信号发出端发出的光线穿过所述透光容器的侧壁后、经过所述平面反光镜的反射、被所述光学传感器的信号接收端接收。
优选地，所述光学传感器与所述高度检测组件信号连接，所述高度检测组件为一个用于获取来自所述光学传感器的实时检测图像并执行图像处理操作的图像处理模块，所述图像处理模块的输出与装置外部的结果输出单元信号连接。
优选地，所述光学标记为一条带状的双色光源，所述光学标记的一段为参考段、另一段为检测段，所述参考段的长度为定值，所述参考段最低点所在的水平面高度高于所述透光容器内部溶液的最高液面高度；
当所述光学传感器获取实时检测图像时，所述光学标记的参考段完整呈现于图像中。
优选地，还包括用于带动所述光学组件沿所述透光容器外侧进行垂直方向移动的运动组件，所述运动组件包括一根沿垂直方向、设置于所述透光容器的外部的活动导轨以及一个可活动地设置于所述活动导轨上的活动滑块。
优选地，所述光学标记为一点状的主动发光光源，所述光学标记与所述光学传感器二者均设置于所述活动滑块上，所述光学标记的信号发出端与所述光学传感器的信号接收端二者相对设置且位于同一水平面内，由所述光学标记发出的光线穿过所述透光容器的侧壁后、被所述光学传感器接收。
优选地，所述光学传感器与所述高度检测组件信号连接，所述高度检测组件为一个用于带动所述活动滑块移动的步进电机，所述步进电机的输出轴与所述活动滑块固定连接，所述步进电机信号连接有一个用于实时获取所述步进电机运行距离的距离检测模块，所述距离检测模块的输出与装置外部的结果输出单元信号连接。
本实用新型的优点主要体现在以下几个方面：
本实用新型所提出的一种容量检测装置，通过非接触式的方式，利用光学折射原理、结合特定结构的容器，实现了对于内部盛装有腐蚀性溶液的容器容量实时检测。同时，本实用新型的技术实现手段相对简单、最大限度上降低了现有技术中所普遍存在的检测误差，装置检测结果准确，可实现对于汽化消毒过程的精准控制、获得良好的用户使用体验。
在本实用新型的硬件结构中，功能实现方式及部件选配组合多样，操作者可以根据实际的使用需要及部件获取的便捷程度来进行自由选择，也可以通过对现有设备的适当改动来获取本实用新型的硬件设备，产品的制造成本相对较低、为后续的技术普及奠定了基础。
本实用新型的装置适用范围广、适配性强，可将其迁移、应用至各类相关设备中。本实用新型为此类光学检测技术的相关研究和应用提供了可以一种全新的思路，为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。
以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本实用新型的设计原理说明图之一；
图2为本实用新型的设计原理说明图之二；
图3为本实用新型中实施例1的硬件结构示意图；
图4为本实用新型中实施例2的硬件结构示意图。
其中：1、透光容器；2、光学标记；3、光学传感器；4、平面反光镜。
具体实施方式
本实用新型揭示了一种针对特定结构、特殊用途的容器的基于光学折射原理的容量检测装置。
首先，从本实用新型方案的设计原理进行说明，图1所示的是一个空的透明容器的横断面示意图，假设在空气环境中，由从标记点到观察点，光线先后会经过空气、容器壁、容器内部物质、容器壁以及空气等五层不同的物质。在两种不同物质的界面，光会发生折射现象，入射角的正弦值与折射角的正弦值的比值等于光在两种物质中光速的比值，也等于两种物质的折射率的比值。对于可见光而言，空气的折射率约为1.0，水的折射率约为1.33，玻璃的折射率约为1.5。
对于图1的结构而言，标记点与观察点A均位于容器的侧面且二者的连线与容器壁呈45°夹角。按照折射原理，光经过四次折射后，在观察点A顺着45°的方向望向容器，正好可以光学标记。观察点C在标记点的正对面，根据折射原理光线直接穿过，直接面对容器壁观察，也正好可以看到标记点。
图2所示的是一个盛装有液体的透明容器的横断面示意图，此时容器内物质的折射率与容器外物质显著不同时，光线在容器内的折射将发生较大改变。这样在观察点A向原有角度观察时，将看不到标记点。而在新的位置观察点B，则可以看到标记点。
由以上原理可以得知，如果将标记点与观察点A的位置进行固定化，根据是否能从观察点A观察到标记点即可检测容器内是否装有物质。也正是基于上述光学折射的原理，本实用新型所述的一种基于光学折射原理的容量检测装置，具体方案如下。
所述的基于光学折射原理的容量检测装置包括用于盛装溶液的透光容器1、用于感应所述透光容器1内部溶液有无的光学组件以及用于感知所述透光容器1内部溶液高度的高度检测组件，所述光学组件与所述高度检测组件二者均设置于所述透光容器1外部。
所述光学组件包括至少一个可主动发光或被动反射发光的光学标记2以及至少一个与所述光学标记2匹配对应的光学传感器3，由所述光学标记2发出的光线至少两次穿过所述透光容器1的侧壁并最终被所述光学传感器3接收。在所述光学标记2及所述光学传感器3的设置时可遵循如下规则，即当所述透光容器1为空时，所述光学传感器3正对准由所述光学标记2发出的光线。
由所述光学标记2发出的光线在穿过所述透光容器1的侧壁时，至少有一次所述光线与所述透光容器1的侧壁间的入射夹角为非直角。
所述透光容器1的整体形状多样，可以为棱柱或圆柱，在此不作限定。
同样的，所述光学标记2的实现形式也有多种选择，可以为主动发光光源或被动反光标记，也可以是主动发出特定频率的光源或主动发出特定编码的光源等。就形状而言，所述光学标记2可以呈点状或条带状。
所述光学传感器3为摄像头、光电二极管、红外线传感器及颜色传感器中的任意一种。
此处需要说明的是，为了增强主动发光光源在复杂环境下的抗干扰能力，所述光学标记2可选用主动发出特定编码的光源，此时装置内应当还包含有编码模块和解码模块，所述编码模块与所述光学标记2电性连接、生成对应的编码让所述光学标记2加以显示，所述解码模块则与所述光学传感器3电性连接、对所述光学传感器3所接收到的信号进行解码。
进一步细化而言，当所述光学标记2为主动发出特定频率的光源时，若此时所述光学标记2的器件选择为光敏二极管，则其发光时的频率范围一般可在十几Hz到几万Hz之间。所述光学传感器3在同时检测到相同频率的强度足够的光，则认为接收到了所述光学标记2发出的光线。在此基础上在添加光源的频率变化，形成特定的数字编码，这样装置的抗干扰性能更强。
若此时所述光学传感器3的器件选择为摄像头，则所述光学标记2的发光频率一般不得超过采样帧数的二分之一，最优选的是四分之一以下、如选用1Hz~12Hz的光。所述光学传感器3根据采集到的每帧图像，判断光的频率是否为所述光学标记2所发出。
当所述光学标记2为主动发出特定编码的光源、即所述光学标记2发出特定颜色的光或者特定模式变化颜色的光时，若此时所述光学标记2的器件选择为彩色发光二极管等发光部件，则应当使其发出环境中不可能出现的颜色光。比如所述透光容器1内盛装的是自然光检测下的红色液体时，可以发出绿色或蓝色的光。还可以通过电路控制所述光学标记2在不同时间内发出不同颜色的光，如产生红绿蓝交替的颜色，同时所述光学传感器3对应检测相应颜色，若检测得到结果，则认为接收到了所述光学标记2所发出光线。
所述光学标记2与所述光学传感器3相对应地设置于所述透光容器1的外周侧。在设置时，所述光学标记2与所述光学传感器3可以紧贴所述透光容器1的容器壁，这样整个光路上折射次数或会减少，但折射的物理原理不变，以上检测原理同样适用。
需要强调的是，当所述光学标记2的信号发出端与所述光学传感器3的信号接收端二者间不直接相对时，所述基于光学折射原理的容量检测装置内还包括至少一个用于实现光线反射的光路反射部件，所述光路反射部件固定设置于所述透光容器1的外部，由所述光学标记2的信号发出端发出的光线穿过所述透光容器1的侧壁后、经过所述光路反射部件的反射、被所述光学传感器3的信号接收端接收。
所述光路反射部件为平面反光镜、凸面反光镜及凹面反光镜中的任意一种。
所述光路反射部件的作用还包括拓展光路、延长光线从所述光学标记2到所述光学传感器3检测距离、从而提高所述光学传感器3的观察视角。若所述光学传感器3为摄像头，在空间位置狭小的情况下，摄像头的角度可能不能覆盖整个所述光学标记2，此时就可以通过增加所述光路反射部件延长光路的方式来解决这个问题。
以下结合上述技术方案提供两组具体实施例。
实施例1，如图3所示，所述光学标记2为一条带状的主动发光光源，所述光学传感器3为一个摄像头，所述光学标记2通过一个连接部件与所述光学传感器3固定连接，所述光学标记2的信号发出端与所述光学传感器3的信号接收端二者同向设置，所述透光容器1的外部、与所述光学标记2及所述光学传感器3二者相对的位置处固定设置有一面平面反光镜4，由所述光学标记2的信号发出端发出的光线穿过所述透光容器1的侧壁后、经过所述平面反光镜4的反射、被所述光学传感器3的信号接收端接收。
所述光学传感器3与所述高度检测组件信号连接，所述高度检测组件为一个用于获取来自所述光学传感器3的实时检测图像并执行图像处理操作的图像处理模块，所述图像处理模块的输出与装置外部的结果输出单元信号连接。
所述光学标记2为一条带状的双色光源，所述光学标记2的一段为参考段、另一段为检测段，所述参考段的长度为定值，所述参考段最低点所在的水平面高度高于所述透光容器1内部溶液的最高液面高度。此时需要强调的是，当所述光学传感器3获取实时检测图像时，所述光学标记2的参考段完整呈现于图像中。
在这一方案中，实际上带有一个自校准操作，如果所述透光容器1内部盛装有溶液，那么在存在溶液的部分光线会发生偏移，且在液面位置处，在所述光学传感器3所获取的图像中，所述光学标记2检测段的图像必然会出现分隔、偏移等现象。又因为在所述光学传感器3锁获取的实时检测图像中，所述光学标记2的参考段完整呈现于图像内，所述光学标记2的参考段长度可以在设置时确定且不受到液面位置的影响，因此所述图像处理模块在进行图像处理时，可以依据所述光学标记2的参考段长度为参考，通过等比例/等长的换算得到所述光学标记2的检测段在液面上方未发生偏移部分的长度。
同时，对于上述方案，还有一个替换操作，即所述光学标记2本身就是由多段精确长度的不同颜色短色条组成，或者所述光学标记2上带有所述光学传感器3清晰可辨的刻度。短色条或者刻度，好比一个尺，使得所述光学传感器3可以直接获知每一段色条或者刻度，并进而计算出光条可见部分的实际长度。但在利用刻度实现本方案时，需要对每个刻度有明确可分辨的标记，这对所述摄像部件的精度、算法复杂度和环境等都有着较高的要求。
实施例2，在本实施例中，除前述结构外，所述基于光学折射原理的容量检测装置还包括用于带动所述光学组件沿所述透光容器1外侧进行垂直方向移动的运动组件，所述运动组件包括一根沿垂直方向、设置于所述透光容器1的外部的活动导轨以及一个可活动地设置于所述活动导轨上的活动滑块。
所述光学标记2为一点状的主动发光光源，所述光学标记2与所述光学传感器3二者均设置于所述活动滑块上，所述光学标记2的信号发出端与所述光学传感器3的信号接收端二者相对设置且位于同一水平面内，由所述光学标记2发出的光线穿过所述透光容器1的侧壁后、被所述光学传感器3接收。
所述光学传感器3与所述高度检测组件信号连接，所述高度检测组件为一个用于带动所述活动滑块移动的步进电机，所述步进电机的输出轴与所述活动滑块固定连接，所述步进电机信号连接有一个用于实时获取所述步进电机运行距离的距离检测模块，所述距离检测模块的输出与装置外部的结果输出单元信号连接。
在这一方案中，由于所述步进电机的移动距离可控并可以直接获知，因此当所述步进电机带动所述光学标记2与所述光学传感器3二者移动时，只需要通过光线的偏移准确找到所述透光容器1内部的液面，那么通过记录此时所述步进电机的移动距离即可直接得知所述透光容器1内部液体的容量。
综上所述，本实用新型所提出的一种容量检测装置，通过非接触式的方式，利用光学折射原理、结合特定结构的容器，实现了对于内部盛装有腐蚀性溶液的容器容量实时检测。同时，本实用新型的技术实现手段相对简单、最大限度上降低了现有技术中所普遍存在的检测误差，装置检测结果准确，可实现对于汽化消毒过程的精准控制、获得良好的用户使用体验。
在本实用新型的硬件结构中，功能实现方式及部件选配组合多样，操作者可以根据实际的使用需要及部件获取的便捷程度来进行自由选择，也可以通过对现有设备的适当改动来获取本实用新型的硬件设备，产品的制造成本相对较低、为后续的技术普及奠定了基础。
此外，本实用新型的装置适用范围广、适配性强，可将其迁移、应用至各类相关设备中。本实用新型为此类光学检测技术的相关研究和应用提供了一种全新的思路，为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
