[发明专利]采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置及检测方法

权利要求书

1.一种采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置，其特征在于，包括在单晶炉(6)顶部两侧对称开设的两个开口，两个开口处分别设置有镀金石英玻璃(5)，对应两个开口处分别设置有激光装置(3)和CCD检测装置(4)，激光装置(3)和CCD检测装置(4)内还设置有信号处理装置；

所述的CCD检测装置(4)的结构是：包括检测装置外壳，在检测装置外壳底部水平设置有滤光片(9)，检测装置外壳的内壁竖直设置有驱动板(13)，驱动板(13)的内侧竖直设置有CCD传感器(12)，检测装置外壳内还设置有反射面为凹面的曲面反射镜(11)，曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，所述检测装置外壳的顶部设置有连接件(10)；

所述的激光装置(3)的结构是：包括激光装置外壳，在激光装置外壳内设置有激光器(15)，激光器(15)的外表面设置有温控装置(14)，所述激光器(15)与温控装置(14)分别与控制电路板(18)相连接，所述激光装置外壳的顶部设置有电连接件(16)与冷却空气接口(17)；

所述的信号处理装置的结构是：包括在激光装置(3)内设置的激光器驱动电路(20)、激光器温控电路(21)与微处理器a(22)，以及在CCD检测装置(4)内设置的CCD驱动电路(23)、图像信号处理电路(24)与微处理器b(27)，激光装置(3)与CCD检测装置(4)分别连接至RS485总线(25)。

2.一种采用激光曲面反射镜反射进行熔硅液位检测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，

在单晶炉(6)顶部两侧对称开设两个开口，在两个开口处分别安装镀金石英玻璃(5)，在两个开口对应位置处分别设置激光装置(3)和未装有曲面反射镜(11)的CCD检测装置(4)，激光装置(3)和CCD检测装置(4)内预设置信号处理装置，

所述的信号处理装置的结构是：包括在激光装置(3)内设置的激光器驱动电路(20)、激光器温控电路(21)与微处理器a(22)，以及在CCD检测装置(4)内设置的CCD驱动电路(23)、图像信号处理电路(24)与微处理器b(27)，激光装置(3)与CCD检测装置(4)分别连接至RS485总线(25)；

步骤2，

确定曲面反射镜(11)反射面的形状以及曲面反射镜(11)在CCD检测装置(4)内的位置，具体过程为，

将激光从激光装置(3)入射点入射的激光线路反应到相对应的二维坐标系上建模，在建立的坐标系模型当中，假设在CCD检测装置(4)内设置有曲面反射镜(11)，曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，激光从熔硅液面反射后经过曲面反射镜(11)反射，对激光的线路进行分析，激光从激光器(15)的激光入射点发出，以激光入射点A与CCD检测装置(4)底部之间的水平面作为X轴，激光入射点的坐标设为A(-m₀，0)，A点与X轴的夹角为β，当发出的激光经过熔硅液的液面反射后到达曲面反射镜(11)反射面的最下端时，经熔硅液面反射后的激光与x轴的交点设为A₁(m₀，0)，以A(-m₀，0)与A₁(m₀，0)的中点竖直方向作为y轴；此时x轴距离熔硅液面表面的距离为d₀，此时熔硅液面的高度为可测量的最大值；熔硅液面的高度降低，当发出的激光经过熔硅液面反射后到达曲面反射镜(11)反射面的最上端时，此时熔硅液面的高度为可测量的最小值，熔硅液面高度最大值与最小值的差为检测范围r；当熔硅液面高度由高变低时，激光从熔硅液面表面反射点依次为V₀(T₀，D₀)、V₁(T₁，D₁)，……V_i(T_i，D_i)，反射后的直线依次为f₀、f₁、……f_i；设曲面反射镜(11)反射面的曲线函数为y＝f(x)，射入曲面反射镜(11)的反射点依次为C₀(x₀、y₀)、C₁(x₁、y₁)、……C_i(x_i、y_i)，经曲面反射镜(11)再次反射后的直线依次为f′₀、f′₁、……f′_i，f′₀、f′₁、……f′_i与x轴的夹角依次为α₀、α₁、……α_i，l_i为f_i和f′_i在C_i(x_i，y_i)点的反射切线，最后激光射入至竖直设置的CCD传感器(12)上，CCD传感器(12)的直线为x＝L+m₀，CCD传感器(12)射入点依次为P₀(L+m₀，Q₀)、P₁(L+m₀，Q₁)、……P_i(L+m₀，Q_i)；

曲面反射镜曲线上离散点C_i(x_i，y_i)的计算：

首先根据光学反射原理利用f₀和f′₀求出l₀，由于f₀上已知确定的点V₀(T₀，D₀)与角度β，所以f₀的函数表达式为已知，C₀(x₀，y₀)和P₀(L+m₀，Q₀)可以确定；根据入射直线f₀与反射直线f′₀求出在其交点C₀(x₀、y₀)的反射切线l₀；当液面向下有d的变化，即液面反射点为V₁(T₁，D₁)，可计算出对应CCD传感器上应有点P₁(L+m₀，Q₁)，求出l₀和f₁的交点作为C₁(x₁，y₁)，利用点C₁(x₁，y₁)和点P₁(L+m₀，Q₁)得到直线f′₁，然后利用f₁和f′₁根据光学反射原理得到直线在交点C₁(x₁，y₁)的反射切线l₁；至此通过C₀(x₀，y₀)求得C₁(x₁，y₁)，依次类推采用迭代法，取l_i-1和f_i的交点为C_i(x_i，y_i)，利用点C_i(x_i，y_i)和点P_i(L+m₀，Q_i)得到直线f′_i，然后利用f_i和f′_i根据光的反射原理得到直线l_i，直到得到所有离散数据点C_i(x_i，y_i)，i＝0，1，2…，n；

利用得到的离散数据点C_i(x_i，y_i)进行多项式曲线拟合：

利用上述计算得到的离散数据点C_i(x_i，y_i)，i＝0，1，2，…，n，进行M次多项式曲线拟合，拟合出的曲面镜多项式曲线为：

y＝f(x)＝a_Mx^M+a_M-1x^M-1+…+a₀

其中x的取值范围为(x₀，x_n)，M的选取范围为3-5，α₀、α₁、……α_M为最小二乘曲线拟合算法给出的参数；

步骤3，

根据步骤2计算得到的曲面镜多项式曲线函数，加工曲面反射镜(11)，使得曲面反射镜(11)反射面弧度的函数与该曲面镜多项式曲线函数一致，然后将该曲面反射镜(11)设置在CCD检测装置(4)内，将曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，曲面反射镜(11)在CCD检测装置(4)内的位置可以通过上述得到的曲面镜多项式曲线函数的取值确定；

步骤4，

对熔硅液面高度的变化进行检测，启动激光装置(3)，从激光装置(3)的激光入射点处向熔硅液面发射激光，激光经过熔硅液面反射后进入CCD检测装置(4)，通过CCD传感器(12)对熔硅液面高度的变化进行检测，由于熔硅液面最大变化范围r为先期测量得到，而且CCD传感器(12)上光点的最大测量值为已知，所以可以得到曲面反射镜(11)的放大倍数为N＝R/r，当熔硅液面的液位发生变化时，CCD传感器(12)上的光点也发生了变化，记录光点在CCD传感器(12)上高度的变化值，然后除以放大倍数N，就得到熔硅液面高度的变化值。