一种液位检测装置及使用该液位检测装置的盾构机气垫仓的制作方法

1.本发明涉及储液仓液位检测技术以及该技术在盾构法施工中液位检测技术领域中的应用，尤其涉及一种盾构机气垫仓及其液位检测装置。


背景技术：

2.随着我国城市地铁、跨江跨海隧道等地下工程施工规模的逐年扩大，盾构施工法因其高效率、高安全性以及环境友好性等特点，在地下工程中的应用越来越多。在盾构施工法中，泥水平衡盾构对开挖面压力控制精度高，地面沉降量控制精度高，大量应用于复杂地质条件及跨江跨河水下工程中。在泥水平衡盾构中，气垫仓的液位高低直接影响开挖面的支撑压力，因此对气垫仓液位进行连续精准的测量对泥水盾构施工极为重要。
3.由于气垫仓内环境恶劣，设备损坏后需要带压操作，具有一定的危险性，不利于施工人员带压进仓，需要通过液位检测设备对气垫仓液位进行测量，例如，拉绳液位计、雷达液位计或点式液位计等。
4.专利公开号为cn212110213u的中国专利文件公开了一种电容式液位测量传感器，利用电容的变化来测量液面的高低。工作过程中，将一根金属棒插入容器的液体中，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体，其中液体的介电常数和气体的介电常数不同。当液位升高或下降时，两电极间的总的介电常数值会随之变化，电容量会发生变化，所以，可以根据两电极之间电容量的变化来测量液位的高低。电容式液位传感器的灵敏度取决于两种介质的介电常数差值，只有当两种介质保持恒定时才能准确测量，而待测液体的温度、密度变化均会导致介电常数的变化，此时电容式液位传感器测量结果就会出现误差，导致测量结果不准。
5.专利公开号为cn109443481a的中国专利文件公开了一种密闭压力容器测量装置及测量方法，通过在气垫仓后隔板的三个不同高度处安装传感器，其中下方两个传感器浸没在液体中，上方一个传感器安装在气垫仓最高处，通过下方两个传感器计算液体密度，在结合上方传感器计算液位高度。该方法需要保证下方两个传感器均浸没在液体中，若液面低于其中一个传感器，则无法保证有效测量，对液位测量存在一定局限。
6.专利公告号为cn211855507u的中国专利文件，公开了一种盾构用激光液位监测系统，通过在仓壁上设置激光测距装置，同时配合液位管和浮子来检测气垫仓液位。该系统提高了液位检测精度，但无法实现可视化功能，不能观察到气垫仓内部情况。
7.综上，现有技术中对盛有液体的盛液仓进行液位检测时，尤其是对盾构机气垫仓中的泥浆液位检测时只能简单的进行数值测量，无法直接观察盛液仓的内部工作情况，而且存在检测范围受限、检测结果不准的问题，影响施工作业。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种液位检测装置，以解决现有技术中的检测装置无法观察盛液仓内部工作情况且容易造成检测范围受限、检测结果不准的技术问题。另外，本发明
的目的还在于提供一种盾构机气垫仓，以解决上述问题。
9.为实现上述目的，本发明所提供的一种液位检测装置的技术方案是：
10.一种液位检测装置，包括控制器、密封盒，还包括至少两个光发射器、成像装置，光发射器、成像装置均与控制器连接，光发射器用于向盛液仓内的仓内液面发射光束而在液面上形成两个以上的光斑，成像装置用于获取包含所述光斑的仓内液面的图像，并提供给控制器；密封盒为封闭式箱体，成像装置和光发射器装配在密封盒中，至少两个光发射器安装在成像装置的两侧，密封盒用于固定连接在盛液仓的顶部，以使成像装置和光发射器处于盛液仓的顶部；密封盒的底板具有与所述成像装置和光发射器对应的透光部分；所述控制器用于执行以下方法：分析所述图像，得出两个光斑在成像装置的光敏面所成图像之间的像距d，计算成像装置镜头距离仓内液面的高度h＝f*d0/d，并根据高度h计算出仓内液面的高度，所述f、d0分别是已知的成像装置镜头焦距和两个光斑的实际距离，两个光斑的实际距离为两光发射器在密封盒底板上的水平距离。
11.有益效果：为实现对盛液仓内液面液位高度进行连续精准、可观测的检测，本发明通过在盛液仓上方设置密封盒，再在密封盒中设置光发射器和成像装置，从而能够通过光发射器向仓内液面发射光斑，并采用成像装置对泥水液面图像进行采集，对泥水液面图像中的光斑进行分析，得到光斑在成像装置的光敏面上所成图像之间的距离，根据成像比例原理进行计算，得出成像装置的镜头距离泥水液面的高度，将成像装置安装高度减去镜头距离泥水液面的高度，得到泥水液面的液位高度。同时，通过成像装置采集的泥水液面图像，能够用于对盛液仓内环境进行可视化显示。本发明中的密封盒为封闭式箱体保证了光发射器和成像装置与盛液仓的仓内环境分隔，透光部分使成像装置和光发射器均能够照射在液面上，能够对各种盛液仓内的液面高度进行观测和持续测量，检测装置内部组件的工作环境密封、系统复杂程度和成本降低，有效地解决了现有技术中的检测装置无法观察盛液仓内部工作情况且容易造成检测范围受限、检测结果不准的技术问题。
12.优选地，所述成像装置通过成像装置安装总成装配在密封盒内，成像装置安装总成包括保护壳、减振结构，成像装置固定装配在保护壳中，所述保护壳包括上下分体、相互连接的上平台、下平台，上平台用于与密封盒顶部连接，下平台用于与密封盒的底板连接，所述减振结构包括支撑架、减振器，各支撑架围绕在上平台外周，各支撑架上端与密封盒顶部固定连接，各支撑架下端通过所述减振器与上平台底部连接。通过成像装置安装总成将成像装置在密封盒中装配牢固，保证成像装置的运行稳定。分体设置的保护壳连接和拆卸都很方便，利于成像装置在保护壳内的安装，减振结构能够对保护壳有效地减振保护，增加成像装置装配后的耐久性和安全性。
13.优选地，所述下平台下端设有镜头开口，镜头开口中固定有玻璃挡板，底板上设有与下平台对应的第一开口，第一开口中固定有镜头防护玻璃以形成与成像装置对应的所述透光部分，镜头防护玻璃与密封盒外界接触，镜头防护玻璃与所述玻璃挡板固定连接，实现下平台在底板上的固定装配。玻璃挡板对成像装置下端镜头进行密封保护，设在底板上的第一开口和镜头防护玻璃构成的透光部分保证成像装置能够照射在仓内液面上，透光部分的结构简单、密封性较好、连接强度较高。
14.优选地，所述镜头防护玻璃与玻璃挡板之间压装有密封圈，密封圈包括环形垫片和围绕在环形垫片外周的密封筒体，环形垫片夹设在镜头防护玻璃与玻璃挡板之间，密封
筒体围绕在镜头防护玻璃与玻璃挡板的配合间隙外周处，密封筒体下端顶压在底板上。密封圈不仅能够保证镜头防护玻璃和玻璃挡板连接后的密封性，还能够通过密封圈对镜头防护玻璃和玻璃挡板间的配合提供一定的弹性，增加减振效果，使下平台和底板间的连接装配更稳定。
15.优选地，镜头防护玻璃上表面设有补光层，玻璃挡板、补光层和镜头防护玻璃三者通过螺栓连接固定在底板上。补光层能够对相机进行光照补充，增强成像装置的透光性，使成像装置能够适应于内部环境较差的盛液仓。
16.优选地，所述上平台底端设有上平台法兰，下平台顶端设有下平台法兰，上平台和下平台法兰连接，所述减振器固定在上平台法兰上。法兰连接配合紧密，连接装配稳固，通过上平台法兰和下平台的法兰的设置使保护壳整体装配牢固，同时法兰连接安装和拆卸都很方便，利于成像装置在保护壳内的装配布置。
17.优选地，所述密封盒的底板的外侧面上设有自洁喷嘴，自洁喷嘴设在透光部分的旁侧且自洁喷嘴的喷水口朝向透光部分布置。自洁喷嘴使液位检测装置能够适应环境工况较差的盛液仓，以及时对透光部分中的防护玻璃进行清洁，保证仓内液面能够被持续照射。
18.优选地，所述底板上设有与光发射器对应的第二开口，第二开口中设有激光防护玻璃以形成与光发射器对应的所述透光部分，激光防护玻璃与密封盒外界接触。第二开口和激光防护玻璃不仅使光发射器能够照射在仓内液面上，同时激光防护玻璃将第二开口密封，透光部分的结构设置简单，密封性和连接强度均较高。
19.优选地，所述密封盒还包括顶板以及可拆连接在顶板和底板之间的侧板，所述侧板上设有信号传输接口，信号传输接口供光发射器和成像装置的传输信号线接入和接出密封盒。可拆连接的密封盒方便在密封盒中各装置和连接结构，信号传输接口方便接线和控制。
20.本发明所提供的一种盾构机气垫仓的技术方案是：
21.一种盾构机气垫仓，包括构成盛液仓的仓体，还包括装配在仓体内部顶端的液位检测装置，液位检测装置用于获取盾构机气垫仓内中的泥水液面的液面高度，液位检测装置包括控制器、密封盒，还包括至少两个光发射器、成像装置，光发射器、成像装置均与控制器连接，光发射器用于向盛液仓内的仓内液面发射光束而在液面上形成两个以上的光斑，成像装置用于获取包含所述光斑的仓内液面的图像，并提供给控制器；密封盒为封闭式箱体，成像装置和光发射器装配在密封盒中，至少两个光发射器安装在成像装置的两侧，密封盒用于固定连接在盛液仓的顶部，以使成像装置和光发射器处于盛液仓的顶部；密封盒的底板具有与所述成像装置和光发射器对应的透光部分；所述控制器用于执行以下方法：分析所述图像，得出两个光斑在成像装置的光敏面所成图像之间的像距d，计算成像装置镜头距离仓内液面的高度h＝f*d0/d，并根据高度h计算出仓内液面的高度，所述f、d0分别是已知的成像装置镜头焦距和两个光斑的实际距离，两个光斑的实际距离为两光发射器在密封盒底板上的水平距离。
22.有益效果：本发明通过在盾构机气垫仓中设置液位检测装置，从而能够通过液位检测装置测得气垫仓内的泥水液面的液位高度。光发射器向泥水液面发射光斑，并采用成像装置对泥水液面图像进行采集，通过对泥水液面图像中的光斑进行分析，得到光斑在成像装置的光敏面上所成图像之间的距离，根据成像比例原理进行计算，得出成像装置的镜
头距离泥水液面的高度，将成像装置安装高度减去镜头距离泥水液面的高度，得到泥水液面的液位高度。同时，通过成像装置采集的泥水液面图像，能够用于对气垫仓内环境进行可视化显示。密封盒为封闭式箱体保证了光发射器和成像装置与盛液仓的仓内环境分隔，透光部分使成像装置和光发射器均能够照射在液面上，能够对气垫仓内的泥水液面高度进行观测和持续测量，系统工作环境好、系统复杂程度和成本降低，有效地解决了现有技术中的检测装置无法观察盾构机气垫仓内部工作情况且容易造成检测范围受限、检测结果不准的技术问题。
23.优选地，所述成像装置通过成像装置安装总成装配在密封盒内，成像装置安装总成包括保护壳、减振结构，成像装置固定装配在保护壳中，所述保护壳包括上下分体、相互连接的上平台、下平台，上平台用于与密封盒顶部连接，下平台用于与密封盒的底板连接，所述减振结构包括支撑架、减振器，各支撑架围绕在上平台外周，各支撑架上端与密封盒顶部固定连接，各支撑架下端通过所述减振器与上平台底部连接。通过成像装置安装总成将成像装置在密封盒中装配牢固，保证成像装置的运行稳定。分体设置的保护壳连接和拆卸都很方便，利于成像装置在保护壳内的安装，减振结构能够对保护壳有效地减振保护，增加成像装置装配后的耐久性和安全性。
24.优选地，所述下平台下端设有镜头开口，镜头开口中固定有玻璃挡板，底板上设有与下平台对应的第一开口，第一开口中固定有镜头防护玻璃以形成与成像装置对应的所述透光部分，镜头防护玻璃与密封盒外界接触，镜头防护玻璃与所述玻璃挡板固定连接，实现下平台在底板上的固定装配。玻璃挡板对成像装置下端镜头进行密封保护，设在底板上的第一开口和镜头防护玻璃构成的透光部分保证成像装置能够照射在仓内液面上，透光部分的结构简单、密封性较好、连接强度较高。
25.优选地，所述镜头防护玻璃与玻璃挡板之间压装有密封圈，密封圈包括环形垫片和围绕在环形垫片外周的密封筒体，环形垫片夹设在镜头防护玻璃与玻璃挡板之间，密封筒体围绕在镜头防护玻璃与玻璃挡板的配合间隙外周处，密封筒体下端顶压在底板上。密封圈不仅能够保证镜头防护玻璃和玻璃挡板连接后的密封性，还能够通过密封圈对镜头防护玻璃和玻璃挡板间的配合提供一定的弹性，增加减振效果，使下平台和底板间的连接装配更稳定。
26.优选地，镜头防护玻璃上表面设有补光层，玻璃挡板、补光层和镜头防护玻璃三者通过螺栓连接固定在底板上。补光层能够对相机进行光照补充，增强成像装置的透光性，使成像装置能够适应于内部环境较差的盛液仓。
27.优选地，所述上平台底端设有上平台法兰，下平台顶端设有下平台法兰，上平台和下平台法兰连接，所述减振器固定在上平台法兰上。法兰连接配合紧密，连接装配稳固，通过上平台法兰和下平台的法兰的设置使保护壳整体装配牢固，同时法兰连接安装和拆卸都很方便，利于成像装置在保护壳内的装配布置。
28.优选地，所述密封盒的底板的外侧面上设有自洁喷嘴，自洁喷嘴设在透光部分的旁侧且自洁喷嘴的喷水口朝向透光部分布置。自洁喷嘴使液位检测装置能够适应环境工况较差的盛液仓，以及时对透光部分中的防护玻璃进行清洁，保证仓内液面能够被持续照射。
29.优选地，所述底板上设有与光发射器对应的第二开口，第二开口中设有激光防护玻璃以形成与光发射器对应的所述透光部分，激光防护玻璃与密封盒外界接触。第二开口
和激光防护玻璃不仅使光发射器能够照射在仓内液面上，同时激光防护玻璃将第二开口密封，透光部分的结构设置简单，密封性和连接强度均较高。
30.优选地，所述密封盒还包括顶板以及可拆连接在顶板和底板之间的侧板，所述侧板上设有信号传输接口，信号传输接口供光发射器和成像装置的传输信号线接入和接出密封盒。可拆连接的密封盒方便在密封盒中各装置和连接结构，信号传输接口方便接线和控制。
附图说明
31.图1为本发明所提供的实施例1中液位检测装置的结构示意图；
32.图2为图1中液位检测装置内密封盒拆分后的结构示意图；
33.图3为本发明所提供的实施例1中液位检测装置的仰视图；
34.图4为本发明所提供的实施例1中工业相机和激光器的安装位置示意图；
35.图5为本发明所提供的实施例1中盾构机气垫仓液位检测方法的流程框图；
36.图6为本发明所提供的实施例1中提取图像中感兴趣区域原理示意图；
37.图7为本发明所提供的实施例1中提取图像中红色通道原理示意图；
38.图8为本发明所提供的实施例1中计算光斑中心点距离示意图；
39.图9为本发明所提供的实施例1中液位计算原理示意图；
40.图10为本发明所提供的实施例1中求目标点像素值时双线性插值原理示意图。
41.附图标记说明：
42.1、密封盒；2、密封槽；3、顶板；4、底板；5、侧板；6、装置固定架；7、保护壳；8、上平台；801、上平台法兰；9、下平台；901、下平台法兰；10、玻璃挡板；11、补光层；12、镜头防护玻璃；13、自洁喷嘴；14、支撑架；15、减振器；16、激光器；17、发射器固定支架；18、工业相机；19、信号传输接口；20、连接螺栓；21、光敏面；22、泥水液面；23、光斑；24、相机接线口；25、进水口；26、密封圈；27、激光防护玻璃；28、工业镜头。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
44.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
等限定的要素，并
不排除在包括所述要素的过程、方法。
46.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.以下结合实施例对本发明作进一步地详细描述。
49.本发明所提供的盾构机气垫仓的具体实施例1：
50.本实施例中的盾构机气垫仓装配在盾构机的盾体中，包括仓体和设在仓体顶部的液位检测装置，液位检测装置用于检测仓体内泥水液面的液位高度。如图1至图3所示，液位检测装置包括密封盒1以及装配在密封盒1中的光发射器和成像装置，成像装置具体为工业相机18，液位检测装置还包括控制器(图中未示出)，光发射器和成像装置均和控制器连接，光发射器设有两个，两个光发射器均用于向气垫仓的仓内液面发生平行的两束光，从而在液面上形成两个光斑23，成像装置用于获取包含所述光斑23的仓内液面的图像并提供给控制器，通过成像装置和光发射器的布置，实现对盾构机气垫仓内的泥水液面22的实时高度检测和仓体内部环境的可视化，便于盾构机的施工掘进。
51.本实施例中的控制器用于执行获取泥水液面22高度的方法(控制程序)，该方法可归纳并简述为：如图4和图9所示，分析图像，得出两个光斑23在成像装置的光敏面21所成图像之间的像距d，计算成像装置镜头距离仓内液面的高度h＝f*d0/d，并根据高度h计算出泥水液面22的高度，f、d0分别是已知的成像装置镜头焦距和两个光斑23的实际距离，两个光斑23的实际距离为两光发射器在密封盒底板上的水平距离。其他实施例中，光发射器可以设有两个以上，例如在成像装置的四周均布有四个光发射器，在进行泥水液面高度测量时，选取其中任意两个光发射器在泥水液面上形成的光斑进行测算。关于获取泥水液面22高度的具体过程将在后述内容中进行详细描述。
52.下面对本实施例中盾构机气垫仓内的液位检测装置的结构进行具体的描述：
53.如图1和图2所示，密封盒1为封闭式矩形箱体结构，密封盒1包括可拆连接在一起的顶板3、底板4以及前后左右四个方向上的侧板5，其中，密封盒1各板体的内壁端面中均设有密封槽2，各板体均通过固定螺栓可拆连接。本实施例中，密封盒1为金属材料制成，其强度较高，能够达到盾构施工掘进使用所需要的工业防护等级。如图2所示，顶板3的上侧面设有多个连接孔，连接孔中均穿设有连接螺栓20，连接螺栓20用于向上穿入气垫仓的仓体顶部，从而使密封盒1固定在气垫仓的顶部。
54.如图1和图2所示，光发射器和成像装置均装配在密封盒1内，成像装置通过成像装置安装总成装配在底板4上侧面的中心，两个光发射器分置在成像装置的左右两侧，两光发射器同样也固定在底板4的上侧面。如图3所示，底板4具有与成像装置和光发射器对应的透光部分，透光部分包括设在底板4上的开口以及设在底板开口中的防护玻璃，透光部分使成
像装置和光发射器均能够照向气垫仓中的液面。其中，对应于成像装置的透光部分包括设在底板4上的第一开口和第一开口中设置的镜头防护玻璃12，镜头防护玻璃12的下侧面与密封盒1外侧接触；对应于发射器的透光部分包括设在底板4上的第二开口和第二开口中设置的激光防护玻璃27，激光防护玻璃27的下侧面与密封盒1外侧接触。各防护玻璃既起到将底板开口封堵密封的作用又不影响成像装置和光发射器的透光照射。其中，镜头防护玻璃12的上表面还设有补光层11，补光层11起到为成像装置补充光照的作用。
55.如图3所示，密封盒1的底板4下侧面上通过螺栓固定有多个自洁喷嘴13，自洁喷嘴13均围绕透光部分布置，同一透光部分的底板开口外周旁均对称地设有两个自洁喷嘴13，自洁喷嘴13的喷水口均朝向底板开口和开口下方布置，以能够向底板开口中的防护玻璃喷送清洁水，并且清理镜头前方空间使成像装置获取清晰视野。如图1和图2所示，密封盒1的后侧板5上设有进水口25，进水口25用于向自洁喷嘴13进行供水，还能够向成像装置进行供水以进行清洗。
56.如图1和图2所示，成像装置安装总成的上端固定连接在密封盒1的顶板3上，成像装置安装总成的下端连接在镜头防护玻璃12上，光发射器通过发射器固定支架17装配在底板4上。光发射器固定支架17为金属材料制成的弯折板，弯折板的一端和底板4固定连接，弯折板另一端和光发射器固定连接。
57.如图1和图2所示，成像装置安装总成包括设在成像装置外的保护壳7，还包括连接在保护壳7和顶板3之间的减振结构。保护壳7内设有装置固定架6，装置固定架6将成像装置固定在保护壳7中。如图1所示，保护壳7为上下分体、相互连接的双平台结构，分为上平台8、下平台9，两平台均为筒状，上平台8用于与密封盒1顶板3连接，下平台9用于与密封盒1的底板4连接，上平台8底端设有上平台法兰801，下平台9顶端设有下平台法兰901，上平台法兰801和下平台法兰901连接，实现前述双平台结构的相互连接，并且使筒状的双平台内部形成筒状内腔，成像装置就通过装置固定架6装配在上平台8和下平台9连接后围成的筒状内腔中。其中，减振结构包括支撑架14和连接在支撑架14底部的减振器15，支撑架14为v形支撑架，支撑架14在保护壳7外设有三个，各支撑架14围绕上平台8布置，支撑架14下端通过减振器15固定连接在上平台法兰801上。支撑架14的上端通过螺栓与顶板3固定连接，减振器15将支撑架14柔性支撑在上平台法兰801的上侧，从而使保护壳7和顶板3柔性连接。其他实施例中，支撑架的数量还可以根据保护壳与顶板的连接支撑情况进行增减，以保证保护壳与顶板支撑紧固。
58.如图1所示，下平台9下端设有镜头开口，镜头开口中密封固定有玻璃挡板10，玻璃挡板10和第一开口、补光层11以及镜头防护玻璃12上下对应。如图1所示，玻璃挡板10、补光层11和镜头防护玻璃12三者通过螺栓连接固定在底板4上，补光层11设在玻璃挡板10和镜头防护玻璃12之间，三者由上至下依次层叠相贴，实现下平台9在底板4上的固定装配。其中，镜头防护玻璃12与玻璃挡板10之间还压装有密封圈26，密封圈26包括环形垫片和围绕在环形垫片外周的密封筒体，环形垫片夹设在镜头防护玻璃12与玻璃挡板10之间，密封筒体围绕在镜头防护玻璃12与玻璃挡板10的配合间隙外周处，密封筒体下端顶压在底板4上。
59.本实施例中的减振器15为金属橡胶减振器，主要由金属橡胶、套杯、套管、垫片和螺钉组成。在安装阶段，金属橡胶以不受力的初始状态填充在套杯中并与套杯过盈配合，当保护壳7因外部环境发生振动时，振动引起上平台8沿各个方向的偏移进而使金属橡胶的金
属丝相互挤压和滑移摩擦，从而抑制保护壳7的振动。
60.本实施例中，成像装置为工业相机18，光发射器为激光器16，如图1所示，密封盒1的后侧板5上还设有信号传输接口19，上平台8的顶部设有相机接线口24，相机接线口24为相机的电源线、信号线及控制线的布线接口，信号传输接口19为工业相机18和激光器16与控制器连接的连接线布线口。
61.如图4至图10所示，本盾构机气垫仓的实施例1进行气垫仓内的泥水液面高度测量的具体过程及工作原理如下：如图4所示，两激光器16和工业相机18平行设置，垂直安装在仓体内泥水液面22上方，工业相机18与待测的泥水液面22同样保持垂直。通过控制器控制激光器16的激光发射和调整，从而保证激光器16发射形成的光斑23最小，亮度最高。工业相机18通过以太网连接控制器，从而在采集到泥水液面22图像时向控制器传输图像，由控制器对图像进行处理、计算和显示。如图5所示，控制器包括图像处理模块、可视化模块和液位计算模块。
62.激光器16作为用于向气垫仓内的泥水液面22发射激光形成光斑23的光源，从而为图像处理提供参考特征，避免环境光线干扰，而且激光器16发射的光线亮度远高于自然光，因此，即使气垫仓内的环境光线亮度发生变化，或者气垫仓内的环境为完全黑暗的环境，激光器16提供的光斑23特征在图像中仍然非常明显，能够使本发明表现出较强的环境适应性。本方法中，激光器16发射红色激光线束，能够在待检测的泥水液面22上形成红色光斑23。
63.工业相机18用于采集气垫仓内泥水液面22图像，工业相机18具有工业镜头28，工业镜头28能够实现光束变换，将泥水液面22成像在工业相机18的感光芯片的光敏面21上，从而实现基于视觉的液位高度检测和气垫仓内部可视化功能。
64.控制器获取由工业相机18采集的图像，并进行后续处理、计算的步骤如下(s1-s11)：
65.s1、调整激光器光圈，控制激光器发生激光线束，在泥水液面上形成两个红色的光斑。通过工业相机18实时采集泥水液面22图像，并将其发送至控制器进行图像处理。
66.s2、当泥水液面的液位高度发生变化时，光斑在泥水液面图像中的位置会发生变化，根据激光器的安装位置，能够确定出一个感兴趣区域，光斑的位置始终在图像中的感兴趣区域内移动，对泥水液面图像中的感兴趣区域进行提取，得到感兴趣区域图像。通过感兴趣区域提取的方法，能够降低后续图像处理的工作量，使图像处理效率成倍提升，同时减小了检测光斑的区域，能够降低出错的概率。
67.确定感兴趣区域时，需要保证感兴趣区域的大小合适。如果确定出的感兴趣区域过大，会造成图像处理效率的提升不够明显，从而失去提取感兴趣区域的意义，如果确定出的感兴趣区域太小，容易造成光斑信息不完全，导致液位检测失败。
68.如图6所示，每个小方格表示泥水液面图像中的一个像素，根据激光器的安装位置，两个光斑在泥水液面图像中始终沿左右移动。因此，以泥水液面图像中的p0(u0，v0)作为起始点，截取宽度为w，高度为h的感兴趣区域图像，然后对感兴趣区域图像进行光斑检测。
69.s3、感兴趣区域图像为彩色图像，提取感兴趣区域图像中红色通道的图像进行处理，能够提高光斑辨识的准确度。如图7所示，感兴趣区域图像中每个像素均由蓝、绿、红三种通道的颜色组合而成，并按照固定顺序排列，因此，依次提取每个像素中红色通道的颜
色，并按照原有顺序重新排列，即可得到红色通道图像。
70.s4、对红色通道图像进行灰度处理。红色通道图像中每个像素的像素值均在0～255之间，设定阈值t，将红色通道图像中像素值低于阈值t的像素值置为0，像素值高于阈值t的置为255，从而得到泥水液面黑白图像。在泥水液面黑白图像中，光斑区域的颜色为白色，其它大部分区域为黑色。
71.s5、对泥水液面黑白图像进行图像开运算。图像开运算是图像处理中的基本运算方法，包括腐蚀运算和膨胀运算，腐蚀运算可以去除小尺寸的杂点，但会使光斑尺寸减小，通过膨胀运算将光斑恢复到原有尺寸，而杂点不会重新出现，从而能够去除泥水液面黑白图像中孤立的小点和毛刺。
72.腐蚀运算的公式如公式(1)所示，使用模板b遍历泥水液面黑白图像a，如果模板b覆盖泥水液面黑白图像a的区域中像素的像素值均为255，则将泥水液面黑白图像a中参考点的像素值置为255，否则置为0。
[0073][0074]
膨胀运算的公式如公式(2)所示，使用模板b遍历泥水液面黑白图像a，如果模板b覆盖泥水液面黑白图像a的区域中像素的像素值均为0，则将泥水液面黑白图像a中参考点的像素值置为0，否则置为255。
[0075][0076]
模板b可以使用3
×
3或5
×
5的正方形或圆形，具体尺寸根据噪点的大小确定，噪点越大，使用的模板尺寸越大，噪点越小，使用的模板尺寸越小。
[0077]
s6、对去除噪点后的泥水液面黑白图像进行连通区域分析，将该图像中不连通的区域进行分割和标记，分割后的区域具有位置、尺寸和面积等特征。本实施例中，采用种子填充法进行连通区域分析，具体流程如下：
[0078]
s6.1、遍历去除噪点后的泥水液面22黑白图像，如果像素值为255，则进行步骤s6.2。
[0079]
s6.2、将当前像素作为种子，并赋予一个新的标签，然后将与其相邻且像素值为255的所有相邻像素的位置放到队列中。
[0080]
s6.3、删除队列中最后的像素，赋予相同的标签值，并将与其相邻且像素值为255的所有相邻像素的位置放到队列中。
[0081]
s6.4、重复步骤s6.3，直到队列为空为止。
[0082]
s6.5、重复步骤s6.1-s6.4，继续遍历去除噪点后的泥水液面黑白图像，直到图像遍历结束。
[0083]
通过连通区域分析，能够为去除噪点后的泥水液面黑白图像中不同的连通区域赋予不同的标签，进而统计出不同连通区域的宽度、高度、面积和周长信息。
[0084]
s7、根据本实施例中光斑的特点，对不同连通区域进行筛选，确定光斑区域。设定面积、宽度和高度的范围，在该范围内的连通区域作为光斑所在位置的候选区域。由于光斑呈现圆形，因此只有圆形的连通区域才可能是光斑区域。
[0085]
通过公式(3)计算各候选区域的圆度，圆形的圆度为1，线段的圆度为0，因此，圆度越接近1，连通区域越接近圆形，越可能是光斑区域。在去除噪点后的泥水液面黑白图像的
中心点两侧，分别选择圆度最大的连通区域作为光斑区域。
[0086][0087]
式中，roundness为连通区域的圆度，s为连通区域的面积，l为连通区域的周长。
[0088]
s8、计算光斑区域的中心点坐标，作为光斑所在位置。光斑区域包括多个像素点，将光斑区域的重心作为光斑中心点，通过如下公式(4)和公式(5)计算光斑中心点坐标。
[0089][0090][0091]
式中，(ui，vi)为光斑区域中每个像素点的坐标，单位为：像素，(u，v)为光斑中心点的坐标，单位为：像素，n为光斑区域中像素点的个数。
[0092]
s9、基于两个光斑区域的中心点坐标，计算两个光斑之间的距离。如图8所示，p1和p2为两个光斑区域的中心点，通过如下公式(6)计算两个光斑中心在感光芯片上所成图像之间的投影距离d：
[0093][0094]
式中，(u1，v1)为光斑中心点p1在图像中的坐标，(u2，v2)为光斑中心点p2在图像中的坐标，px0为单位像素的尺寸，由感光芯片决定，为相机的固有参数。
[0095]
s10、如图9所示，测量得到两个激光器的安装距离d0，由于工业相机与两个激光器轴线平行，则泥水液面上两个光斑中心点之间的距离与两个激光器之间的安装距离相等，为定值d0。工业镜头28到泥水液面的高度为h，镜头焦距为固定值f。根据相似三角形原理，通过如下公式(7)计算工业镜头28到泥水液面22的高度为h：
[0096][0097]
式中，h为工业镜头28到泥水液面22的高度，f为镜头焦距，d为两个光斑中心在感光芯片上所成图像之间的距离，d0为两个激光器的安装距离。
[0098]
s11、根据相机安装高度，减去实时测得的工业镜头28到泥水液面22的高度h，即可得到气垫仓内泥水液面22的液位高度测量值。
[0099]
当气垫仓内无泥水时，测量工业镜头28与气垫仓底部之间的距离作为相机安装高度。
[0100]
此外，控制器还通过可视化界面对泥水液面22图像进行显示。在显示时，由于工业相机18采集的原始图像分辨率较高，需要根据显示界面的尺寸，对图像进行缩放，以达到最佳的显示效果。
[0101]
图像缩放就是根据目标图像找到对应的原始图像的像素。记p(srcx，srcy)为原始图像的像素，p
′
(dstx，dsty)为目标图像的像素，srcw和srch为原始图像的宽和高，dstw和dsth为目标图像的宽和高，即显示界面的宽和高。则p和p
′
的对应关系可以通过如下公式(8)和公式(9)进行表示：
[0102]
srcx＝dstx
×
(srcw/dstw)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0103]
srcy＝dsty
×
(srch/dsth)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0104]
通常计算得到的p(srcx，srcy)并不是整数，无法直接在原始图像中找到对应像素，因此，参考图10，通过双线性插值的方法求取p(srcx，srcy)点的像素值。
[0105]
首先，根据q
11
的像素值f(q
11
)和q
21
的像素值f(q
21
)，求取r1(x，y1)的像素值f(x，y1)。计算公式如公式(10)所示：
[0106][0107]
然后，根据q
12
的像素值f(q
12
)和q
22
的像素值f(q
22
)，求取r2(x，y2)的像素值f(x，y2)。计算公式如公式(11)所示：
[0108][0109]
最后，根据r1(x，y1)的像素值f(x，y1)和r2(x，y2)的像素值f(x，y2)，求取p(x，y)的像素值f(x，y)。计算公式如公式(12)所示：
[0110][0111]
根据公式(10)～(12)，可以得到缩放后的图像，然后将缩放后的图像显示在可视化界面上。
[0112]
采用上述步骤(s1-s11)，能够稳定且连续精准地完成盾构机气垫仓内泥水液面高度的测量，能够为泥水盾构施工过程中的参数调整提供数据支撑，保障了盾构机掘进的稳定性。同时，气垫仓为带压环境，人员带压进仓存在一定的危险性，通过可视化功能可以从外部观察到仓内的工作状况，从而给施工人员判断盾构机掘进状态提供参考，避免了人员带压进仓，提高了效率和安全性。
[0113]
上述实施例1中，关于发射器固定支架17、装置固定架6、密封盒1各板体之间的连接以及支撑架14和顶板3之间、支撑架14和上平台法兰801之间的连接方式均为通过螺栓或螺钉等螺纹件进行连接的可拆连接方式，当然，在其他实施例中，上述连接方式也可以是焊接。另外，进水口在密封盒的侧板上的开口位置可以根据需要靠近底板或靠近成像装置布置。
[0114]
不同于实施例1的盾构机气垫仓的实施例2中，保护壳的形状、上下平台连接方式、对内部成像装置的固定方式在应用时均可根据实际情况采用不同的设计，例如，保护壳为上下端均连接在密封盒上的一体式筒体结构。其他实施例中，减振结构中支撑架的结构也可以改变，例如使用弹簧柱或弹性垫将保护壳柔性连接在密封盒中。
[0115]
不同于实施例1的盾构机气垫仓的实施例3中，自洁喷嘴在底板开口的外周的摆放位置为环形或方形的布置方式。其他实施例中，自洁喷嘴的数量也可以根据具体工况选择六个、十个等不同数量。
[0116]
不同于实施例1的盾构机气垫仓的实施例4中，减振器也可使用弹簧减振器、橡胶减振器等不同类型的减振器。
[0117]
不同于实施例1的盾构机气垫仓的实施例5中，密封盒仅有一处封板可拆，例如密封盒仅有顶板或前侧板可拆。其他实施例中，密封盒的各组成板体之间的连接均为焊接，以增加装置的密封性。
[0118]
本发明所提供的液位检测装置的具体实施例：
[0119]
本实施例中的液位检测装置与上述盾构机气垫仓的各实施例中的液位检测装置
相同，液位检测装置使用时能够装配在盾构机的气垫仓中，从而观测气垫仓的内部情况和检测气垫仓内的泥水液面的高度，液位检测装置的具体结构在此不再详细赘述。但本实施例中的液位检测装置不仅可以用于盾构机气垫仓的液位检测，也可以用于其它盛液仓例如油箱、水箱内的测距场景。液位检测装置适用性强，为满足装配场景需求，可以适当将自洁喷嘴、减振结构减配，仅保留光发射器、成像装置及控制器，从而降低系统的复杂度和成本。
[0120]
本发明所提供的液位检测装置中的控制器包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的数据和通信交互。处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如cd、dvd等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。
[0121]
最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。