耐腐蝕高精度光電透射式液位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

廖 飛,張超群,李 嶺,龔恒翔,梁 霄,楊 鑫,盧 麗,尹斌軍

(1.重慶理工大學(xué)理學(xué)院,重慶 400054；2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

0 引言

液位測(cè)量?jī)x作為一種液面位置測(cè)量設(shè)備，在油氣儲(chǔ)存、化工、醫(yī)療、建筑、水文監(jiān)測(cè)[1-5]等領(lǐng)域有廣泛而重要的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，已發(fā)展出基于超聲波、壓力傳感、電容效應(yīng)、懸臂梁、光纖傳感、光電傳感器、亥姆霍茲諧振[6-11]等多種技術(shù)的液位測(cè)量?jī)x。這些液位測(cè)量?jī)x應(yīng)用在不同場(chǎng)景，各有優(yōu)缺點(diǎn)，較難實(shí)現(xiàn)通用化。

近年來，Mist-CVD[12-15]等精密半導(dǎo)體工藝對(duì)液位測(cè)量提出了新的需求，需要實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度測(cè)量化學(xué)反應(yīng)溶液液位，以便精確控制起霧器的加液量，使起霧器工作在最佳狀態(tài)，不至于浪費(fèi)試劑，這對(duì)液位測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度提出了較高要求。并且，不同的制備過程，溶液化學(xué)成分及濃度各異，溶液的酸堿度和化學(xué)腐蝕性情況多樣，對(duì)接觸式液位測(cè)量?jī)x提出諸多挑戰(zhàn)。另外，在半導(dǎo)體工藝過程中，需要經(jīng)常改變反應(yīng)系統(tǒng)的氣壓，因此不能使用壓力傳感等對(duì)壓力敏感的測(cè)量方式。對(duì)于不同的工藝，對(duì)雜質(zhì)潔凈度的要求較高，需要頻繁清洗盛液裝置和盛液管，要求液位測(cè)量?jī)x不能影響盛液管的連通性，并且便于清洗。

本文提出一種基于光電傳感器的液位測(cè)量?jī)x，使用線陣CCD作為測(cè)量器件，貼裝LED陣列作為照明光源，以液柱透鏡成像以及不同物質(zhì)折射率間關(guān)系為測(cè)量原理，采用非接觸式方法完成液位測(cè)量，可做到μm量級(jí)測(cè)量精度，抗化學(xué)腐蝕，不受氣壓影響。液位測(cè)量?jī)x的測(cè)量頭使用專用準(zhǔn)直機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝固定，無移動(dòng)部件，小型化便攜式設(shè)計(jì)，可用于透明、半透明和不透明溶液液位測(cè)量?？紤]到反應(yīng)溶液出現(xiàn)結(jié)晶或沉淀物、反應(yīng)過程生成氣泡附著盛液管壁、起霧過程可能生成氣泡段、工作過程盛液管壁凝結(jié)小液滴或液滴串等多種情況影響，本文的液位測(cè)量?jī)x內(nèi)置保留信號(hào)邊緣的去噪算法，以及液位特征提取算法，以規(guī)避多種異常工作情況，保證液位測(cè)量?jī)x穩(wěn)定可靠工作。

1 液位儀設(shè)計(jì)

1.1 液位測(cè)量原理

液位測(cè)量?jī)x以液柱透鏡成像和物質(zhì)的折射率關(guān)系為主要工作原理。玻璃盛液管(圖1)盛裝有溶液，在盛液管的一側(cè)使用線光源或擴(kuò)展光源照射，盛液部分可以等效為一個(gè)柱面透鏡，因溶液對(duì)光的折射率大于空氣，盛液段對(duì)光有較強(qiáng)的匯聚作用，而無液段對(duì)光的匯聚作用較弱。因此，在盛液管的另一側(cè)使用光電傳感器接收透射后的成像，能夠得到光照射盛液管后的光強(qiáng)分布情況。盛液段對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布較強(qiáng)，無液段對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布較弱，且在盛液段和無液段界面處，對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布存在明顯分界，此分界即為液位所處位置，通過獲取光電傳感器的光強(qiáng)分布輸出信號(hào)，并做液位特征提取，即可準(zhǔn)確求得液位位置對(duì)應(yīng)的有效空間像素位置N，已知每個(gè)像素的寬度為S，使用式(1)可計(jì)算得到液位的最終位置Y。

Y=N×S

(1)

圖1 液位儀工作原理圖及液柱的成像圖像

液位儀工作原理及液柱成像圖像如圖1所示?？梢钥吹角€中溶液空氣分界處存在明顯強(qiáng)弱分界。照射光源為擴(kuò)展的一字形激光，豎直照射在盛液管上，透過盛液管可以看到成像有清晰的分界，分界因液面為凹液面呈現(xiàn)為弱光三角形分布，盛液段對(duì)應(yīng)強(qiáng)光匯聚分布，空氣段對(duì)應(yīng)弱光強(qiáng)無匯聚分布，且可以看到空氣段管壁液滴會(huì)改變空氣段成像質(zhì)量，表現(xiàn)為強(qiáng)光斑點(diǎn)。

從式(1)可以看到，若像素寬度S的數(shù)值越小，測(cè)量精度越高，光電LED、CCD、COMS等幾種常用光電傳感器中，能夠提供較小像素顆粒的傳感器主要為CCD和COMS傳感器，一維器件的CCD或COMS器件，在不使用光學(xué)系統(tǒng)的情況下，可獲得較大的量程，這樣可將液位測(cè)量?jī)x的測(cè)量頭做到小型化。因此，綜合考慮精度和量程，選擇TCD1703C型CCD作為光電信號(hào)采集器件，該器件有7 500個(gè)有效像素單元，每個(gè)像素大小7 μm×7 μm，15 V/(lx·s)的靈敏度，1 660的動(dòng)態(tài)范圍，不加光學(xué)系統(tǒng)的情況下，可達(dá)到52.5 mm的量程，基本滿足Mist-CVD設(shè)備的液位測(cè)量需求。

1.2 液位儀硬件結(jié)構(gòu)組成

液位儀主要由液位測(cè)量頭、信號(hào)處理模塊、測(cè)量結(jié)果輸出模塊3部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。測(cè)量頭完成盛液管光強(qiáng)分布信號(hào)的采集，使用如圖3所示專用金屬夾具及準(zhǔn)直裝置固定小直徑盛液管，金屬夾具裝置內(nèi)部一側(cè)固定光電傳感器，另一側(cè)固定LED發(fā)光陣列。測(cè)量頭金屬夾的準(zhǔn)直程度及內(nèi)部光源和傳感器的位置，對(duì)測(cè)量?jī)x正常工作有重要影響，在制作液位儀時(shí)需仔細(xì)調(diào)試。信號(hào)處理模塊主要由模擬采樣前端和信號(hào)主處理器FPGA組成，主處理器內(nèi)部運(yùn)行信號(hào)處理軟件及液位特征提取算法。信號(hào)處理模塊與測(cè)量頭使用專用信號(hào)線連接。測(cè)量結(jié)果使用串口、USB等外設(shè)端口輸出，以3種方式輸出測(cè)量結(jié)果，分別是測(cè)量頭光強(qiáng)分布信號(hào)、液位測(cè)量數(shù)值、液位特征位置所在像素?cái)?shù)值。

圖2 液位測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖3 測(cè)量頭結(jié)構(gòu)金屬夾具結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 液位特征檢測(cè)算法

液位特征位置處，液面呈現(xiàn)為凹液面或凸液面，不是理想的圓柱體，隨著凹液面或凸液面曲率的變化，折射匯聚后的光強(qiáng)分布呈現(xiàn)為一個(gè)漸變過程。根據(jù)液位定義，這個(gè)漸變過程中最大斜率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的像素，即為液位點(diǎn)。針對(duì)本液位測(cè)量?jī)x，考慮內(nèi)嵌算法的實(shí)時(shí)性，為減小運(yùn)算量，定義光強(qiáng)分布開始突變的像素位置為液位點(diǎn)，對(duì)應(yīng)為凹液面的最低點(diǎn)或凹液面的曲率變化起始點(diǎn)。使用CCD器件獲得光照透過樣品管成像后的光強(qiáng)分布，設(shè)所使用CCD像素元為N(去除暗像元)個(gè),每個(gè)像元輸出的灰度值構(gòu)成序列為Oi(i=0,1,…,N-1)。在FPGA內(nèi)部?jī)?nèi)嵌NOISii軟核運(yùn)行特征提取算法，用于提取液位特征。具體液位特征位置提取算法，有如下步驟和計(jì)算過程。

步驟一：一維雙線性插值，以增加亞像素檢測(cè)精度。將序列Oi賦給序列Aj，即在Oi-1，Oi之間插入點(diǎn)A2j-1，其灰度值使用式(2)得到，記插值后序列為Aj(j=0,1,…,2N-1)。

(2)

步驟二：取指定長(zhǎng)度滑動(dòng)窗口，對(duì)序列A；按順序進(jìn)行中值濾波，濾除雜散光噪聲。取窗口大小為F的滑窗，對(duì)序列Aj中數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，記處理后的數(shù)據(jù)為序列Bj，即中值濾波輸出數(shù)據(jù)為Bj=med{Aj，…，Aj+F-1}(j=0,1，…,2N-F-1)。

步驟三：獲得飽和信號(hào)序列。處理序列Bj，記錄序列Bj中數(shù)據(jù)達(dá)到飽和值的像元坐標(biāo)位置,記為序列Ci。

步驟四：過濾管壁小液滴或液滴串的影響。取窗口大小為G的滑窗，G的數(shù)值可以根據(jù)液滴的可能大小進(jìn)行調(diào)整，以滿足對(duì)環(huán)境或溫度的適應(yīng)性。對(duì)Ci序列逆序計(jì)算滑窗內(nèi)數(shù)據(jù)坐標(biāo)連續(xù)個(gè)數(shù)D，連續(xù)數(shù)計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

步驟五：獲得液位位置點(diǎn)。若D>G且當(dāng)BCi+1-BCi<0；取Ci作為液位位置，記為Y2，即對(duì)應(yīng)液位位置處傳感器的像素序號(hào)。

步驟六：計(jì)算液位數(shù)值。使用液位點(diǎn)處的像素序號(hào)乘上單個(gè)像素的長(zhǎng)度ΔL/2，即可獲得液位數(shù)值H。

H=Y2ΔL/2

(5)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 液位測(cè)量?jī)x功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證液位測(cè)量?jī)x的功能，實(shí)驗(yàn)中利用裝置樣品管分別盛裝透明液體、不透明液體，測(cè)量并輸出了各自的光強(qiáng)強(qiáng)弱分布數(shù)據(jù)，如圖4所示。

(a)透明液體整體光強(qiáng)分布 (b)液面局部放大

(c)不透明液體整體光強(qiáng)分布 (d)液面局部放大

(e)光照強(qiáng)度飽和曲線 (f)實(shí)驗(yàn)裝置樣品管

圖4(a)中樣品管因盛裝透明液體，透光度較高，當(dāng)樣品管盛滿液體，光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)均達(dá)到飽和數(shù)值，見圖4(e)，圖4(b)為圖4(a)液位界面處矩形框選擇信號(hào)的局部放大圖，可以明顯看到液位界面處的光強(qiáng)變化，曲線分布情況與實(shí)際測(cè)量情況相符。圖4(c)中樣品管盛裝半管黑色墨水，為不透明液體，所以靠近樣品管底端無飽和信號(hào)，且可以看到由于擴(kuò)展光源和玻璃管的鏡面反射作用，黑色箭頭段噪聲水平較高，不過未盛裝墨水段玻璃管信號(hào)飽和，仍能從液位界面局部放大圖[圖4(d)]中得到液面分界，即為液位位置。

2.2 靜態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)液位實(shí)驗(yàn)首先使用蠕動(dòng)泵或取液器向樣品管中注入一定量液體，然后開啟液位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行液位測(cè)量，并使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量結(jié)果標(biāo)定。液位測(cè)量過程中，CCD必須保持水平狀態(tài)且樣品管平行，如圖5保證樣品管透射光線準(zhǔn)確照射在CCD光敏元上，整個(gè)測(cè)試裝置除核心板FPGA外需在暗室情況下進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 測(cè)量頭與樣品管相對(duì)位置

表1 測(cè)量數(shù)據(jù) mm

從表1的測(cè)量結(jié)果可以看到，測(cè)量結(jié)果絕對(duì)誤差不大于1 mm，誤差最小為0.09 mm。液滴和氣泡的出現(xiàn)，不影響液位測(cè)量?jī)x的正常工作，僅體現(xiàn)在測(cè)量誤差大小上。排除其他干擾因素，可以看到氣泡的影響小于液滴的影響，當(dāng)樣品管附著液滴串時(shí)，測(cè)量誤差略大。

2.3 干擾情況下液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)液位測(cè)量?jī)x和液位特征提取算法的抗干擾能力，進(jìn)行了干擾情況下的液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)。干擾實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)量工具與靜態(tài)液位實(shí)驗(yàn)相同，不同的是，在干擾實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際工作情況，模擬了液滴、液滴串、氣泡、氣泡段以及結(jié)晶等實(shí)際干擾情況，來檢測(cè)液位測(cè)量?jī)x的抗干擾性能。干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a)液柱整體光強(qiáng)分布 (b)液滴段局部圖

(c)液柱整體光強(qiáng)分布 (d)氣泡段局部圖

(e)液柱整體光強(qiáng)分布 (f)結(jié)晶段局部圖

液位測(cè)量?jī)x較長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，會(huì)因液體蒸發(fā)等原因，在樣品管非盛液段管壁凝結(jié)小液滴，甚至形成相鄰的多個(gè)液滴組成液滴串，實(shí)際的小液滴如圖4(f)箭頭標(biāo)注所示。液滴和液滴串，附著在樣品管壁，由于透鏡匯聚效應(yīng)，其透射光強(qiáng)分布會(huì)強(qiáng)于透過空氣的光強(qiáng)。因此從圖6(a)和圖6(b)可看到明顯的液滴和液滴串干擾，圖6(a)為樣品管的全部光強(qiáng)分布，圖6(b)為液位界面處矩形選擇框的放大圖，由圖6(b)可看到盛液管液面上方有信號(hào)幅值飽和的現(xiàn)象，這是一個(gè)液滴和液滴串的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該液滴和液滴串大小分別約為0.2 mm和0.8 mm。這些液滴和液滴串可以通過設(shè)置液位特征提取算法中濾波窗口G的數(shù)值濾除其影響，不影響準(zhǔn)確液位位置的提取。

氣泡和氣泡段，因液體霧化過程等原因?qū)е拢霈F(xiàn)在盛液管的液體段，干擾測(cè)量結(jié)果如圖6(c)和圖6(d)所示，圖6(c)中矩形框所示信號(hào)幅值較低處，對(duì)應(yīng)樣品管中氣泡段和氣泡位置，由于氣泡內(nèi)部填充空氣，透鏡效應(yīng)較弱，光線匯聚能力較弱，從而出現(xiàn)較低幅值的信號(hào)。小氣泡可通過特征算法濾除影響，而較大氣泡段因考慮液位測(cè)量精度不能設(shè)置太大的濾波窗口，因此會(huì)給液位的準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)致致命影響，液位特征提取算法暫不能很好地解決此影響，需通過改進(jìn)加液方式或加液管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來規(guī)避，本液位測(cè)量?jī)x使用了定期循環(huán)加液沖洗，來規(guī)避氣泡和氣泡段的影響。

結(jié)晶是化學(xué)氣相沉積過程中常見的現(xiàn)象，不過結(jié)晶多以沉淀的形式處于盛液管的底部。干擾實(shí)驗(yàn)使用了食鹽溶液來模擬結(jié)晶干擾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6(e)和圖6(f)所示，可明顯看到，結(jié)晶不會(huì)影響液位界面的準(zhǔn)確提取。

2.4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證液位測(cè)量?jī)x的穩(wěn)定性，對(duì)液位測(cè)量?jī)x進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)液位下進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間跨度近50 h，從圖7的測(cè)量結(jié)果可看到，液位數(shù)值波動(dòng)極小，計(jì)算其同一液位高度下測(cè)量最大值與最小值僅相差0.28 mm，這個(gè)差值主要由于樣品管中液體自然蒸發(fā)導(dǎo)致，隨測(cè)量次數(shù)的增加可看到液體逐漸蒸發(fā)的趨勢(shì)。此現(xiàn)象表明本文設(shè)計(jì)的光電透射式液位測(cè)量?jī)x的穩(wěn)定性良好，精度較高。

(a)液位隨時(shí)間變化的波動(dòng)范圍

(b)多次實(shí)驗(yàn)的光信號(hào)強(qiáng)度分布圖7 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文基于液柱透鏡成像原理，設(shè)計(jì)了光電透射式液位測(cè)量?jī)x，重點(diǎn)討論了液位測(cè)量?jī)x的工作原理和液位特征提取算法的設(shè)計(jì)，并完成了功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、干擾實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的液位測(cè)量?jī)x精度較高、耐腐蝕、穩(wěn)定性好，量程達(dá)52.5 mm，液位測(cè)量?jī)x測(cè)量分辨率達(dá)3.5 μm，靜態(tài)測(cè)量誤差為0.02 mm，動(dòng)態(tài)測(cè)量穩(wěn)定性好，能夠滿足Mist-CVD材料制備過程溶液液位測(cè)量要求，同時(shí)為小劑量腐蝕性液體的液位及體積測(cè)量提供了一種較好的解決方案。