[發明專利]采用激光曲面鏡反射進行熔硅液位檢測的裝置及檢測方法

有效

• 申請號: 201010246742.4
• 申請日: 2010-07-30
• 公開（公告）號: CN101988845A
• 公開（公告）日: 2011-03-23
• 發明（設計）人: 李琦;宋念龍;劉丁
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01F23/292
• 分類號: G01F23/292
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

1.一種采用激光曲面鏡反射進行熔硅液位檢測的裝置，其特征在于，包括在單晶爐(6)頂部兩側對稱開設的兩個開口，兩個開口處分別設置有鍍金石英玻璃(5)，對應兩個開口處分別設置有激光裝置(3)和CCD檢測裝置(4)，激光裝置(3)和CCD檢測裝置(4)內還設置有信號處理裝置；

所述的CCD檢測裝置(4)的結構是：包括檢測裝置外殼，在檢測裝置外殼底部水平設置有濾光片(9)，檢測裝置外殼的內壁豎直設置有驅動板(13)，驅動板(13)的內側豎直設置有CCD傳感器(12)，檢測裝置外殼內還設置有反射面為凹面的曲面反射鏡(11)，曲面反射鏡(11)的反射面傾斜設置，且反射面朝向濾光片(9)與CCD傳感器(12)，所述檢測裝置外殼的頂部設置有連接件(10)；

所述的激光裝置(3)的結構是：包括激光裝置外殼，在激光裝置外殼內設置有激光器(15)，激光器(15)的外表面設置有溫控裝置(14)，所述激光器(15)與溫控裝置(14)分別與控制電路板(18)相連接，所述激光裝置外殼的頂部設置有電連接件(16)與冷卻空氣接口(17)；

所述的信號處理裝置的結構是：包括在激光裝置(3)內設置的激光器驅動電路(20)、激光器溫控電路(21)與微處理器a(22)，以及在CCD檢測裝置(4)內設置的CCD驅動電路(23)、圖像信號處理電路(24)與微處理器b(27)，激光裝置(3)與CCD檢測裝置(4)分別連接至RS485總線(25)。

2.一種采用激光曲面反射鏡反射進行熔硅液位檢測的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1，

在單晶爐(6)頂部兩側對稱開設兩個開口，在兩個開口處分別安裝鍍金石英玻璃(5)，在兩個開口對應位置處分別設置激光裝置(3)和未裝有曲面反射鏡(11)的CCD檢測裝置(4)，激光裝置(3)和CCD檢測裝置(4)內預設置信號處理裝置，

所述的信號處理裝置的結構是：包括在激光裝置(3)內設置的激光器驅動電路(20)、激光器溫控電路(21)與微處理器a(22)，以及在CCD檢測裝置(4)內設置的CCD驅動電路(23)、圖像信號處理電路(24)與微處理器b(27)，激光裝置(3)與CCD檢測裝置(4)分別連接至RS485總線(25)；

步驟2，

確定曲面反射鏡(11)反射面的形狀以及曲面反射鏡(11)在CCD檢測裝置(4)內的位置，具體過程為，

將激光從激光裝置(3)入射點入射的激光線路反應到相對應的二維坐標系上建模，在建立的坐標系模型當中，假設在CCD檢測裝置(4)內設置有曲面反射鏡(11)，曲面反射鏡(11)的反射面傾斜設置，且反射面朝向濾光片(9)與CCD傳感器(12)，激光從熔硅液面反射后經過曲面反射鏡(11)反射，對激光的線路進行分析，激光從激光器(15)的激光入射點發出，以激光入射點A與CCD檢測裝置(4)底部之間的水平面作為X軸，激光入射點的坐標設為A(-m₀，0)，A點與X軸的夾角為β，當發出的激光經過熔硅液的液面反射后到達曲面反射鏡(11)反射面的最下端時，經熔硅液面反射后的激光與x軸的交點設為A₁(m₀，0)，以A(-m₀，0)與A₁(m₀，0)的中點豎直方向作為y軸；此時x軸距離熔硅液面表面的距離為d₀，此時熔硅液面的高度為可測量的最大值；熔硅液面的高度降低，當發出的激光經過熔硅液面反射后到達曲面反射鏡(11)反射面的最上端時，此時熔硅液面的高度為可測量的最小值，熔硅液面高度最大值與最小值的差為檢測范圍r；當熔硅液面高度由高變低時，激光從熔硅液面表面反射點依次為V₀(T₀，D₀)、V₁(T₁，D₁)，……V_i(T_i，D_i)，反射后的直線依次為f₀、f₁、……f_i；設曲面反射鏡(11)反射面的曲線函數為y＝f(x)，射入曲面反射鏡(11)的反射點依次為C₀(x₀、y₀)、C₁(x₁、y₁)、……C_i(x_i、y_i)，經曲面反射鏡(11)再次反射后的直線依次為f′₀、f′₁、……f′_i，f′₀、f′₁、……f′_i與x軸的夾角依次為α₀、α₁、……α_i，l_i為f_i和f′_i在C_i(x_i，y_i)點的反射切線，最后激光射入至豎直設置的CCD傳感器(12)上，CCD傳感器(12)的直線為x＝L+m₀，CCD傳感器(12)射入點依次為P₀(L+m₀，Q₀)、P₁(L+m₀，Q₁)、……P_i(L+m₀，Q_i)；

曲面反射鏡曲線上離散點C_i(x_i，y_i)的計算：

首先根據光學反射原理利用f₀和f′₀求出l₀，由于f₀上已知確定的點V₀(T₀，D₀)與角度β，所以f₀的函數表達式為已知，C₀(x₀，y₀)和P₀(L+m₀，Q₀)可以確定；根據入射直線f₀與反射直線f′₀求出在其交點C₀(x₀、y₀)的反射切線l₀；當液面向下有d的變化，即液面反射點為V₁(T₁，D₁)，可計算出對應CCD傳感器上應有點P₁(L+m₀，Q₁)，求出l₀和f₁的交點作為C₁(x₁，y₁)，利用點C₁(x₁，y₁)和點P₁(L+m₀，Q₁)得到直線f′₁，然后利用f₁和f′₁根據光學反射原理得到直線在交點C₁(x₁，y₁)的反射切線l₁；至此通過C₀(x₀，y₀)求得C₁(x₁，y₁)，依次類推采用迭代法，取l_i-1和f_i的交點為C_i(x_i，y_i)，利用點C_i(x_i，y_i)和點P_i(L+m₀，Q_i)得到直線f′_i，然后利用f_i和f′_i根據光的反射原理得到直線l_i，直到得到所有離散數據點C_i(x_i，y_i)，i＝0，1，2…，n；

利用得到的離散數據點C_i(x_i，y_i)進行多項式曲線擬合：

利用上述計算得到的離散數據點C_i(x_i，y_i)，i＝0，1，2，…，n，進行M次多項式曲線擬合，擬合出的曲面鏡多項式曲線為：

y＝f(x)＝a_Mx^M+a_M-1x^M-1+…+a₀

其中x的取值范圍為(x₀，x_n)，M的選取范圍為3-5，α₀、α₁、……α_M為最小二乘曲線擬合算法給出的參數；

步驟3，

根據步驟2計算得到的曲面鏡多項式曲線函數，加工曲面反射鏡(11)，使得曲面反射鏡(11)反射面弧度的函數與該曲面鏡多項式曲線函數一致，然后將該曲面反射鏡(11)設置在CCD檢測裝置(4)內，將曲面反射鏡(11)的反射面傾斜設置，且反射面朝向濾光片(9)與CCD傳感器(12)，曲面反射鏡(11)在CCD檢測裝置(4)內的位置可以通過上述得到的曲面鏡多項式曲線函數的取值確定；

步驟4，

對熔硅液面高度的變化進行檢測，啟動激光裝置(3)，從激光裝置(3)的激光入射點處向熔硅液面發射激光，激光經過熔硅液面反射后進入CCD檢測裝置(4)，通過CCD傳感器(12)對熔硅液面高度的變化進行檢測，由于熔硅液面最大變化范圍r為先期測量得到，而且CCD傳感器(12)上光點的最大測量值為已知，所以可以得到曲面反射鏡(11)的放大倍數為N＝R/r，當熔硅液面的液位發生變化時，CCD傳感器(12)上的光點也發生了變化，記錄光點在CCD傳感器(12)上高度的變化值，然后除以放大倍數N，就得到熔硅液面高度的變化值。