[发明专利]一种用于检测液态金属液位的激光测量装置

权利要求书

1.一种用于检测液态金属液位的激光测量装置，其特征在于包括：液态金属储藏罐(1)、激光发射装置(2)、激光反射接收装置(3)、中端信号采集和处理部分(16)和计算机(11)；液态金属储藏罐(1)用来储藏液态金属，在液态金属储藏罐(1)的两侧分别开两个窗体，分别是激光(6)光束的入射的第一玻璃窗(4)和反射的第二玻璃窗(5)，第一玻璃窗(4)和第二玻璃窗(5)采用密封件密封，所述第一玻璃窗(4)采用菱形设计，使得入射光与第一玻璃窗(4)的上下表面平行入射；在封闭的液态金属储藏罐(1)一侧第一玻璃窗(4)的位置刚性固定激光发射装置(2)，激光发射装置(2)包括激光器(2a)、扩束透镜(2b)、针孔滤波器(2c)、准直物镜(2d)、导轨(2e)；在液态金属储藏罐(1)的另一侧第二玻璃窗(5)的位置刚性固定激光反射接收装置(3)；激光反射接收装置(3)包括傅里叶变换透镜(3a)、CCD光电探测器(3b)；中端信号采集和处理部分(16)包括信号处理系统(16a)和无线传输系统(16b)，这两个系统配有相应的控制电路板和24V直流电源；信号处理系统(16a)以TMS2812 DSP为核心，测量信号经滤波放大单元进行滤波和放大处理，然后连接至A/D转换单元将模拟信号转换至数字信号，以供TMS2812 DSP分析处理；无线传输系统(16b)包括：信号处理单元、RS232串口模块、Zigbee收发模块，与计算机(11)实现数据传输；激光发射装置(2)发出的激光入射光(6)经过第一玻璃窗(4)进入液态金属储藏罐(1)，经液态金属液面反射后通过第二玻璃窗(5)投射到激光反射接收装置(3)，激光反射接收装置(3)连接计算机(11)，经中端信号采集和处理部分(16)光信号转换成数字信号，通过Zigbee收发模块传送到计算机，由计算机(11)数据处理后显示液位读数，通过激光反射接收装置(3)中CCD光电探测器上光斑位置的变化，利用如下几何关系求解出液态金属液位变化：固定入射角α，当液位上升到第一液态金属液位(9)时，将第一液态金属液位定义为激光测量装置的基准线即零位，反射光束是第一反射光束(7)；液位上升到第二液态金属液位(10)时，反射光束是第二反射光束(8)，液位上升的值为Δh，两束光线反射点之间距离为l，CCD光电探测器探测两束反射光的间距为Δx，有如下几何关系：

通过关系式得到：此时通过CCD光电探测器测量两束反射光的间距Δx，即可显示液位上升的值Δh，液位测量精度达到1mm量级；所述第一玻璃窗(4)和第二玻璃窗 (5)采用能耐600℃的耐高温玻璃材料，在液态金属储藏罐开孔处固定玻璃，玻璃两面均有密封件进行密封，可用于恶劣高温环境中；

所述液态金属是液态重金属铅铋；

测量过程如下：

(1)在金属储藏罐(1)第一玻璃窗(4)端刚性固定激光发射装置(2)；

(2)在金属储藏罐第二玻璃窗(5)端刚性固定激光反射接收装置(3)：由于激光光束穿过的空气温度从冷到热再到冷，存在自然差异，光点在过程容器出口会被扩大或扭曲，但这并不会影响测量的精度，因为透镜能将其在CCD(3b)上聚焦成一个完好的点；

(3)在光学部分安装调试完成以后，在计算机(11)内安装自动校准装置，将计算机辅助标定(CAC)整合到程序中，CAC用于补偿对于激光光束的温度波动、震动；

(4)根据入射光的角度和第二玻璃窗(5)的高度设定金属储藏罐(1)的液位阈值范围，超出阈值，计算机(11)及时报警；

(5)标定零液位，校准后进行测量。