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基于图像的液位测量专利技术综述王琳

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第5期作者：王琳

[导读]

        国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心
        一、概述
        液位（包括料位）检测技术是基于敏感元件在液位发生变化时，把相应的能够表示液位变化且易于检测的物理量变化值检测出来。这个物理量可能是电量参数或机械位移，也可能是诸如声速、能量衰减变化、静压力的变化等。再把这些电量或非电量的物理量变化值采用相应的、最简便可靠的信号处理手段转换成能够用来显示的信号。
        根据所选敏感元件的不同，主要分直接液位测量法和间接液位测量法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，用目测的方法观测液位的变化，例如常见的玻璃管或玻璃板式液位计，以及利用热变色物质制作的变色玻璃管（板）液位计，都属于直接测量法。间接测量法是通过测量与液位变化有关的物理参数的变化值来实现液位高度的测量，能够远传，便于显示和记录。间接测量法又分为接触测量和非接触测量两大类。接触测量的特征是仪表的敏感元件直接与被测介质接触，其结构有杆式、绳索式、跟踪式、浮沉式、电容式、电阻式、电感式等。这类仪表的特点是传感器与被测介质接触测量部件较长较大，或者带有可动部件、容易被介质玷污或黏住，尤其对于杆式结构来说还需要有较大的安装空间，给液位计的安装和检修带来了一定的困难。非接触测量是借助超声波、γ射线、微波、激光等技术发展起来的液位测量技术，尽管存在线路复杂、售价昂贵等缺点，但是出于传感器结构简单、安装方便、无可动部件和适用于特殊条件下的液位测量，特别适用于冶金、化工、原子能等工业中带有强酸、强碱、强腐蚀性、强辐照条件下的液位测量，因而近年来得到了迅速发展。
        基于图像的液位检测属于非接触式液位测量方法，是一种安全、适用范围广的液位测量方法。本文针对基于图像的液位测量技术领域在中国专利申请的情况，对其专利态势、技术发展等进行相关分析。
        二、国内基于图像的液位测量专利整体状况分析
        1、专利申请量趋势
        在CNABS数据库中，分别以图像、机器视觉、相机、摄像头、camera、image、photo、machine vision、robot vision等关键词，结合分类号G01F23（液位测量）进行检索，筛选公开日为2019年之前的专利申请，再经过推送详览的数据去重、人工筛选，得到有效的相关专利621篇。
        国内基于图像的液位检测方面的专利从上世纪90年代开始出现，2000年左右开始申请量略有增加，2008年前后申请量大幅增加，进入高速发展期。
        2、申请人分布
        国内基于图像的液位测量专利申请数量最多的中国矿业大学（北京），该高校申请的相关专利主要是孙继平教授团队所申请，孙继平教授是中国矿业大学（北京）信息工程研究所所长，多年来一直从事煤矿安全生产监控、煤矿电气安全和事故应急救援等发明的研究，主要集中在非接触式煤仓煤位光电测量等方面。申请数量排名第二的是河海大学，该高校申请的相关专利主要是张学武教授团队所申请，主要集中在水情监测等方面。国内基于图像在的液位测量领域应用的专利申请中前10位有4家企业，分别是国家电网公司、北京博雅中控科技有限公司、山东明佳包装检测科技有限公司和四川金码科技有限公司，其中，国家电网公司主要涉及户外电缆层地下水的水位检测以及变压器油位检测方面的专利，北京博雅中控科技有限公司主要涉及锅炉汽包液位检测方面的专利，山东明佳包装检测科技有限公司主要涉及灌装生产线质量检测方面的专利，四川金码科技有限公司主要涉及堤坝、水库、隧道、桥梁、地铁等施工中的水位监测方面的专利。综上，该领域申请人主要为企业，其次为高校和科研院所，这也与该领域本身的技术特点相符合，因为液位检测多涉及检测设备，而技术发展主要还是依靠高校和科研院所。

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        三、国内基于图像的液位测量专利分析
        基于图像的液位测量方面的专利申请中的一类为利用光的反射、折射等原理的液位检测方法。其中包括利用玻璃特性的熔融玻璃液面检测的专利申请，其图像采集装置均位于液面侧上方，通过液面反射标志物得到对称的图像，根据对称的两个标志物之间的距离确定液面位置。专利CN1114045A公开的在窑体侧墙靠近玻璃液面的上方设置一标志目标，该标志目标有一长方形凹槽或色标，凹槽面向玻璃液面，由于玻璃液面的镜面反射，在玻璃液面下方有一对称的虚象，在窑体另一侧墙相对于标志目标的地方开一观察孔，用摄像机通过该观察孔对其进行摄象，摄象机输出的视频信号输入到图象处理系统，并进行采样、分析处理后，最后得到被测液位的高低。专利CN101782419A公开了一种基于等腰直角三棱镜的液位测量方法及测量装置，利用光束在等腰直角三棱镜中的折射、反射以及全反射等原理，并通过提取线阵CCD图像数据中的液位特征信息以实现液位测量。
        利用标识物的液位测量也是一种广泛应用的基于图像的液位测量方法，通过识别标识物位置或相对距离得到液位值，标识物可以是标尺、浮子等。专利CN103017869A公开了定位定向的图像采集模块对水面进行拍摄，水位升降引起球形浮标沿着固定杆上下浮动，图像处理装置获取图像后进行处理，提取出球形浮标对象，再提取球形浮标对象的边缘，再根据提取的图像边缘像素坐标求取球形浮标球心坐标，进而求得当前水位高度。专利CN203881398U公开了摄像头对着河边垂面或斜面拍摄图片，垂面或斜面上有事先画上的特定标记，这个标记的水位高度是已知的，拍摄的图片经过图像识别模块辨识出水面和特定标记，进而通过水面和特定标记在照片上的相对垂直距离计算出水面的水位高度。
        另一种基于图像的液位测量为光源直接照射液面或液体，图像处理装置提取通过图像采集装置得到的图像中的液位线。专利CN101858768A公开了一种饮料生产线中液体填充量的检测通过处理工业相机获取的图像，检测饮料灌装后的液位信息，通过液位所在区域的灰度变化来检测液位。专利CN105181082A公开了一种基于可见激光和图像处理的液位检测方法和装置，首先以存储液体的容器的竖直方向的内壁为背景建立测量坐标系，激光头发出可见激光在液面的上下位置进行扫描，可见激光在背景上形成激光点，由摄像机捕捉激光点的运动轨迹图像，基于运动轨迹图像获得对应液面位置的角点坐标，并基于该角点坐标求取实际的液位值。
        另一种基于图像的液位测量方法是采用数字相机自动对焦，直接拍摄图像，然后经过图像处理进行深度，高度测量。专利CN101270981A公开的基于图像的料位测量方法和装置图像采集机采集由点光源发射出的光束在物料表面形成的高亮度光圆图像，通过机器视觉模块采用验证型光圆检测算法进行分析和处理，计算出光圆的直径或面积大小进而获得料位值。然而，该方法对拍摄环境有一定要求，在恶劣环境中，采用普通的图像处理方式进行深度测量的方法不能得到满足图像处理要求的适合的图像，难以实现长期可靠、准确的检测。专利CN102023045A公开了一种非接触式煤仓煤位光电测量方法与装置，在筒状煤仓主轴顶部固定数字相机和激光发射器，使相机光路垂直于物料表面，将激光发射器布置在与水平方向成θ角的位置，确保激光光斑的成像区域能够投射在相机视场范围内的物料表面上，通过计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，完成深度检测。在单个相机成像存在盲点过多和图像的多解析性的基础上，专利CN101949721A利用光斑在两个相机的图像视差来测量料位。
        2000年以后，随着机器视觉技术的发展，开始出现了基于立体视觉的液位检测方面的专利申请。当空间三维场景物体投影到二维图像时，同一景物在不同视点下图像相差很大，专利CN101943595A公开了基于立体视觉的煤仓料位测量，通过光源模块发出的光投射到煤仓中的煤面上，基于反射光和发射光的相位延时积分的原理，视觉传感器采集从煤面上反射回来的光，并把这些光转换深度图像和光强图像，深度感知视觉传感器把捕获的光转换成包含煤仓中煤深度信息的深度图像和光强图像，嵌入式主处理器对视觉传感器输出的含有煤仓中煤深度信息的数据进行处理分析，实现煤仓料位的测量。