專利名稱：一種具有自動(dòng)定位功能的高溫熔體成分光學(xué)檢測探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融液體成分在線檢測領(lǐng)域，具體為一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，用于基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的高溫熔體成分在線檢測。
背景技術(shù)：
近幾年，鋼鐵和冶金行業(yè)得到迅猛發(fā)展。實(shí)現(xiàn)冶金過程的動(dòng)態(tài)控制成為了冶金行業(yè)的目標(biāo)，而高溫熔體成分的在線檢測是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制的必由之路。熔態(tài)液體成分的在線檢測所涉及的對(duì)象溫度很高，如鋁合金熔煉溫度約為700°C，鋼水熔煉溫度約為1600°C，而且熔融條件下呈現(xiàn)為流動(dòng)狀態(tài)，加之周圍的環(huán)境灰塵多，震動(dòng)大，且由于熔態(tài)液體成分的分析直接與最終產(chǎn)品的質(zhì)量有關(guān)，要求分析的化學(xué)成分?jǐn)?shù)量多， 成分控制的范圍也很窄。因此，冶煉過程中需要高精度的分析。另外，在冶煉工藝中，為了提高化學(xué)成分命中率、減輕耐火材料蝕損等，也要求相應(yīng)的分析快速反饋。為了適應(yīng)這些需要，研究緊靠冶煉現(xiàn)場的熔融液體成分在線分析裝置就成了必然要求。隨著激光器、光譜儀、光纖等技術(shù)的發(fā)展，原子吸收光譜和發(fā)射光譜等相關(guān)技術(shù)得到了迅速的應(yīng)用，越來越多光學(xué)的方法被應(yīng)用在冶金行業(yè)的檢測中。傳統(tǒng)的方法有原子吸收光譜法、X射線熒光光譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射譜法等，而這些方法由于受到繁瑣的預(yù)處理過程的限制，使樣品成分的檢測都處于離線檢測階段，每次檢測都要經(jīng)過取樣-冷卻-研磨-壓制樣品的過程，整個(gè)檢測周期都在5分鐘以上，遠(yuǎn)不能滿足冶煉工藝中快速反饋的要求。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)作為一種新興的分析方法，具有簡便、快速，無須煩瑣預(yù)處理，可對(duì)多種成分進(jìn)行同時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)，與光纖結(jié)合使用，能實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下不同形態(tài)樣品的遠(yuǎn)程測量，因此逐漸被應(yīng)用于熔融液體成分的在線檢測中。然而由于受到冶煉環(huán)境下高溫、灰塵等的影響，如何能夠更有效的保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)和提取較強(qiáng)的光譜信號(hào)，保證測量的可靠性，成為了采用激光誘導(dǎo)光譜法進(jìn)行高溫熔體成分在線測量裝置所面臨的最大問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，用于基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜法的熔融液體成分檢測裝置，為實(shí)現(xiàn)冶金過程的動(dòng)態(tài)控制奠定基礎(chǔ)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于包括有探頭主體和耐高溫殼體，所述探頭主體由不銹鋼金屬加工而成，內(nèi)部固定有入射激光聚焦透鏡、光譜信號(hào)收集透鏡和兩個(gè)傳導(dǎo)光纖接頭；入射激光聚焦透鏡中心軸線與探頭主體中心軸線重合，兩傳導(dǎo)光纖接頭分別固定在與探頭主體軸線呈一定夾角對(duì)稱的通孔內(nèi)，傳導(dǎo)光纖接頭中心軸線與光譜信號(hào)收集透鏡中心軸線重合，傳導(dǎo)光纖連接在光纖接頭上端，兩傳導(dǎo)光纖將光譜信號(hào)耦合到一束傳導(dǎo)光纖并傳輸至光譜儀。
所述耐高溫殼體包圍在探頭主體外部，殼體上端固定有氣壓控制閥，殼體下端為錐形，可直接浸入熔融液體。耐高溫殼體和探頭主體之間的空隙被分為兩層，分別為探頭主體氣體冷卻層和密封區(qū)域氣壓控制層?？拷鎏筋^主體的一層為氣體冷卻層，配置有冷卻氣體循環(huán)裝置，可以實(shí)現(xiàn)探頭主體內(nèi)部器件的氣體冷卻；靠近殼體的一層為氣壓控制層，通入氣體先將熔融液體表面的渣體吹開，再將殼體下端浸入熔融液體，通過調(diào)節(jié)探頭和熔融液體所圍成的密閉空間內(nèi)的氣壓，控制進(jìn)入耐高溫殼體下端熔融液體的高度，該區(qū)域內(nèi)氣體壓力的大小由所述氣壓控制閥控制；耐高溫殼體下端內(nèi)壁上設(shè)有三對(duì)電極，通過電極之間導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)探頭聞度的自動(dòng)定位；
所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述探頭主體中入射激光聚焦透鏡上方設(shè)有一個(gè)透明窗口，激光脈沖透過所述窗口由入射激光聚焦透鏡聚焦在熔融液體液面上，熔融液體瞬間被激發(fā)形成高溫高密度的等離子體，所述等離子體包含有熔融液體所包含元素對(duì)應(yīng)的光譜信號(hào)，經(jīng)過所述光譜信號(hào)收集透鏡聚焦后，耦合到所述傳導(dǎo)光纖接頭上連接的傳導(dǎo)光纖。所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述 探頭主體氣體冷卻層對(duì)應(yīng)有進(jìn)氣口和出氣口，實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)冷卻，與所述聚焦透鏡、光譜收集透鏡所對(duì)應(yīng)位置分別設(shè)有透明窗口。所述各個(gè)透明窗口和傳到光纖接頭處均設(shè)計(jì)為密封結(jié)構(gòu)。所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述三對(duì)電極固定在耐高溫殼體下端的內(nèi)壁上，中間一對(duì)電極與入射激光聚焦透鏡焦平面平齊，電極之間導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了所述探頭主體內(nèi)入射激光聚焦透鏡聚焦位置的自動(dòng)定位。本發(fā)明的光學(xué)檢測探頭是基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜原理設(shè)計(jì)的，用于熔融液體在線檢測。使用本發(fā)明時(shí)光學(xué)檢測探頭的耐高溫殼體外壁上設(shè)有槽型結(jié)構(gòu)，光學(xué)檢測探頭通過該結(jié)構(gòu)與多維機(jī)械臂相連接，光學(xué)檢測探頭上端與激光導(dǎo)光臂連接，激光脈沖經(jīng)過導(dǎo)光臂透過入射激光聚焦透鏡正上方的透明窗口進(jìn)入光學(xué)檢測探頭，所述激光脈沖由激光發(fā)生器發(fā)出；光譜儀、激光發(fā)生器、控制裝置均被集成在一個(gè)集成機(jī)箱內(nèi)。熔融液體表面熔渣吹開后，探頭下端浸入熔融液體，當(dāng)距離熔融液體液面較近的一對(duì)電極導(dǎo)通時(shí)發(fā)出一個(gè)電信號(hào)，通過集成機(jī)箱內(nèi)的控制裝置使多維機(jī)械臂停止移動(dòng)，同時(shí)控制氣壓控制層內(nèi)的氣壓，實(shí)現(xiàn)熔融液體在探頭內(nèi)平穩(wěn)的上升，以避免液面迅速上升超過入射激光聚焦透鏡焦平面位置；最上端的一對(duì)電極位于所允許液面上升的最大高度，對(duì)探頭起保護(hù)作用，若該對(duì)電極導(dǎo)通時(shí)，發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號(hào)，并控制裝置停止工作，探頭迅速離開液面。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.采用電極可實(shí)現(xiàn)聚焦液面高度的自動(dòng)定位；
2.通過控制氣壓，可減少熔融液體液面波動(dòng)，提高測量穩(wěn)定性；
3.探頭的光學(xué)系統(tǒng)與外界環(huán)境隔離，能有效的保護(hù)測量光路不受高溫熔煉環(huán)境灰塵、震動(dòng)等的影響。4.減少熔融液體液面上方的壓強(qiáng)可以提高光譜信號(hào)強(qiáng)度和降低微量元素的檢測限。


圖I為本發(fā)明的光學(xué)檢測探頭具體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a為光學(xué)檢測探頭在熔融液面上時(shí)的熔融液面成分在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b為光學(xué)檢測探頭浸入熔融液面后時(shí)的熔融液面成分在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，由探頭主體7和耐高溫殼體13組成。探頭主體7內(nèi)部固定有入射激光聚焦透鏡4、光譜信號(hào)聚焦透鏡8和12、傳導(dǎo)光纖接頭3和5，與入射激光聚焦透鏡4、光譜信號(hào)收集透鏡8和12相對(duì)應(yīng)的位置分別開設(shè)有透明窗口 4’、12’、8’，入射激光聚焦透鏡4處設(shè)有供脈沖激光入射的透明窗 口 4”，窗口連接處均設(shè)計(jì)為密封結(jié)構(gòu)。傳導(dǎo)光纖接頭3和5對(duì)應(yīng)的兩束光纖最后耦合到傳導(dǎo)光纖14。耐高溫殼體13設(shè)計(jì)為分離式結(jié)構(gòu)，下端為一段可拆卸的錐形管狀結(jié)構(gòu)13’，工作時(shí)浸入熔融液面液體液面以下，由于受到高溫熔融液面液體的影響，該部分的壽命較短于殼體上端，拆卸式結(jié)構(gòu)方便于損壞后及時(shí)更換。殼體13上端設(shè)有氣壓控制閥I，下端管狀結(jié)構(gòu)13 ’與入射聚焦透鏡4焦平面相平齊的位置處配置有一對(duì)電極10、11，在這對(duì)電極上下各配置有一對(duì)電極10，、11，和10”、11”。探頭主體7和耐高溫殼體13之間的空隙被分為氣體冷卻層a和氣壓控制層b。氣體冷卻層a緊靠探頭主體7，完成探頭主體7的氣體循環(huán)冷卻，兩端分別配備有進(jìn)氣口 2和出氣口 6。氣壓控制層b靠近耐高溫殼體13，通過氣壓控制閥I調(diào)節(jié)氣體的大小，采用惰性氣體將熔融液體表面的渣體吹開，然后耐高溫殼體13下端13’浸入熔融液體，此時(shí)，探頭和熔融液體之間為成了一個(gè)封閉的區(qū)域，首先通過氣壓控制閥I控制該區(qū)域內(nèi)的氣壓大小使液面快速上升至電極10”、11”，兩電極之間導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電信號(hào)使多維機(jī)械臂18停止移動(dòng)，同時(shí)控制氣壓控制閥I使液面平穩(wěn)上升，當(dāng)液面達(dá)到電極10、11的位置，使這兩個(gè)電極之間導(dǎo)通，通過控制裝置控制氣壓控制閥I關(guān)閉，使熔融液體液面停留在入射聚焦透鏡4焦平面位置，開始進(jìn)行成分測量。若由于故障造成液面繼續(xù)上升至電極10’、11’，使這對(duì)電極導(dǎo)通，說明探頭出現(xiàn)故障，則發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號(hào)，使測量結(jié)束，探頭升至液面以上。熔融液體成分在線檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中圖2a為光學(xué)檢測探頭位于熔融液體液面以上位置，圖2b為光學(xué)檢測探頭浸入熔融液體液面以后。光學(xué)檢測探頭17通過透明窗口 4”上端的連接裝置與多關(guān)節(jié)激光導(dǎo)光臂16相連接，通過耐高溫殼體13上端開設(shè)的槽型結(jié)構(gòu)將光學(xué)檢測探頭17固定在多維機(jī)械臂18上。多關(guān)節(jié)激光導(dǎo)光臂16另一端與激光發(fā)生器相連接，傳導(dǎo)光纖14另一端接入光譜儀。激光發(fā)生器、光譜儀、處理器、控制系統(tǒng)等全部集成在一個(gè)集成機(jī)箱15中，集成機(jī)箱15外部設(shè)有人機(jī)交互界面，可以顯示測量分析結(jié)果。具體工作過程如下
首先，打開探頭主體7冷卻裝置，使冷卻氣體層a內(nèi)通入冷卻氣體。氣壓控制閥I打開,氣壓控制層b內(nèi)通入惰性氣體，調(diào)節(jié)氣壓大小將熔融液體表面的渣體吹開。若對(duì)熔融液體表面的渣體進(jìn)行檢測，則不需要吹惰性氣體，直接將光學(xué)探頭17插入渣體。然后由集成機(jī)箱15內(nèi)的控制系統(tǒng)控制多維機(jī)械臂升降，帶動(dòng)光學(xué)檢測探頭17逐漸浸入熔融液體，此時(shí)光學(xué)檢測探頭17和熔融液體之間形成了密封區(qū)域A，首先通過氣壓控制閥I調(diào)節(jié)區(qū)域A內(nèi)的氣壓大小使熔融液體在耐高溫殼體下端管體13’里面迅速上升，液面上升至電極10”、11”，兩電極之間導(dǎo)通并發(fā)出一個(gè)電信號(hào)，通過控制系統(tǒng)使氣體流量減小，從而實(shí)現(xiàn)液面平穩(wěn)上升，當(dāng)液面上升至電極10、11所在平面時(shí)，兩個(gè)電極之間導(dǎo)通，同時(shí)有發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，使氣壓控制閥I關(guān)閉，液面定位于當(dāng)前位置，即入射聚焦透鏡4焦平面位置。開啟集成機(jī)箱15內(nèi)的激光發(fā)生器，發(fā)出激光脈沖，激光脈沖進(jìn)入多關(guān)節(jié)激光導(dǎo)光臂16內(nèi)經(jīng)過多次反射，最后透過窗口 4”進(jìn)入光學(xué)檢測探頭17，由入射激光聚焦透鏡4將激光脈沖聚焦在熔融液體液面上，激發(fā)點(diǎn)熔體瞬間被燒蝕汽化，形成高溫高密度的等離子體9，等離子體9發(fā)射光譜信號(hào)經(jīng)過透明窗口 8’和12’，由光譜信號(hào)收集透鏡8和12將光譜信號(hào)耦合至傳導(dǎo)光纖14并傳輸至集成機(jī)箱15內(nèi)的光譜儀，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后被送入微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成分分析，最后顯示在集成機(jī)箱15上的人機(jī)交互界面。耐高溫殼體13的下端管體13’用過幾次后，需檢查是否被腐蝕損壞，損壞后要及時(shí)更換。在測量過程中，若發(fā)現(xiàn)液面上升至電極10’、11’，使這對(duì)電極導(dǎo)通，說明探頭出現(xiàn)故障，則發(fā)出一個(gè)警報(bào)信號(hào)，使 測量結(jié)束，探頭迅速升至液面以上。
權(quán)利要求
1.一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于包括有探頭主體和耐高溫殼體，所述探頭主體的內(nèi)部固定有入射激光聚焦透鏡，入射激光聚焦透鏡的兩側(cè)分別固定有一個(gè)光譜信號(hào)收集透鏡，兩個(gè)光譜信號(hào)收集透鏡的上端分別固定一個(gè)傳導(dǎo)光纖接頭，所述入射激光聚焦透鏡中心軸線與探頭主體中心軸線重合，兩傳導(dǎo)光纖接頭分別固定在與探頭主體軸線呈一定夾角對(duì)稱的通孔內(nèi)，傳導(dǎo)光纖接頭中心軸線與光譜信號(hào)收集透鏡中心軸線重合，傳導(dǎo)光纖連接在光纖接頭上端，兩傳導(dǎo)光纖將光譜信號(hào)耦合到一束傳導(dǎo)光纖并傳輸至光譜儀；所述耐高溫殼體包圍在探頭主體外部，耐高溫殼體上端固定有氣壓控制閥，耐高溫殼體下端為錐形，可直接浸入熔融液體，耐高溫殼體和探頭主體之間的空隙被分為兩層，分別為探頭主體的氣體冷卻層和氣壓控制層，靠近所述探頭主體的一層為氣體冷卻層，氣體冷卻層的兩端分別配備有進(jìn)氣口和出氣口，靠近耐高溫殼體的一層為氣壓控制層，氣壓控制層的氣壓大小由氣壓控制閥控制；耐高溫殼體下端的錐形部分的內(nèi)壁上設(shè)有三對(duì)電極，每對(duì)電極的高度不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述探頭主體由不銹鋼金屬加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述探頭主體中入射激光聚焦透鏡上方設(shè)有一個(gè)透明窗口，激光脈沖透過所述窗口由入射激光聚焦透鏡聚焦在熔融液體液面上，熔融液體瞬間被激發(fā)形成高溫高密度的等離子體，所述等離子體包含有熔融液體所包含元素對(duì)應(yīng)的光譜信號(hào)，經(jīng)過所述光譜信號(hào)收集透鏡聚焦后，耦合到所述傳導(dǎo)光纖接頭上連接的傳導(dǎo)光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述探頭主體上位于入射激光聚焦透鏡、光譜收集透鏡下方的對(duì)應(yīng)位置上分別設(shè)有透明窗口。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述三對(duì)電極固定在耐高溫殼體下端的錐形部分的內(nèi)壁上，中間一對(duì)電極與入射激光聚焦透鏡焦平面平齊，電極之間導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了所述探頭主體內(nèi)入射激光聚焦透鏡聚焦位置的自動(dòng)定位；最上端的一對(duì)電極位于所允許液面上升的最大高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種具有自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，其特征在于所述各個(gè)透明窗口和傳到光纖接頭處均設(shè)計(jì)為密封結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高精度自動(dòng)定位功能的熔融液體成分光學(xué)檢測探頭，包括有探頭主體和耐高溫殼體，所述探頭主體的內(nèi)部固定有入射激光聚焦透鏡、光譜信號(hào)收集透鏡、傳導(dǎo)光纖接頭，外部配置有耐高溫殼體，殼體下端可直接浸入熔融液體，耐高溫殼體和探頭主體之間的空隙被分為兩層，耐高溫殼體下端與入射激光聚焦透鏡焦平面平齊處配備有電極，當(dāng)熔融液體到達(dá)電極高度時(shí)，電極之間導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了液面高度的自動(dòng)定位功能。本發(fā)明具有聚焦液面自動(dòng)定位、減少熔融液面波動(dòng)的功能，并且光學(xué)系統(tǒng)與外界環(huán)境隔離，能有效的保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)不受高溫熔煉環(huán)境灰塵的影響，能夠提高光學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度，降低微量元素的檢測限，更好的實(shí)現(xiàn)熔融液體成分的實(shí)時(shí)檢測。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102967587SQ201210438949
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者王 琦, 董鳳忠, 陳興龍, 王靜鴿, 付洪波, 賀文干, 湯玉泉, 倪志波 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所