专利名称：一种具有自动定位功能的高温熔体成分光学检测探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及熔融液体成分在线检测领域，具体为一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，用于基于激光诱导击穿光谱技术的高温熔体成分在线检测。
背景技术：
近几年，钢铁和冶金行业得到迅猛发展。实现冶金过程的动态控制成为了冶金行业的目标，而高温熔体成分的在线检测是实现动态控制的必由之路。熔态液体成分的在线检测所涉及的对象温度很高，如铝合金熔炼温度约为700°C，钢水熔炼温度约为1600°C，而且熔融条件下呈现为流动状态，加之周围的环境灰尘多，震动大，且由于熔态液体成分的分析直接与最终产品的质量有关，要求分析的化学成分数量多， 成分控制的范围也很窄。因此，冶炼过程中需要高精度的分析。另外，在冶炼工艺中，为了提高化学成分命中率、减轻耐火材料蚀损等，也要求相应的分析快速反馈。为了适应这些需要，研究紧靠冶炼现场的熔融液体成分在线分析装置就成了必然要求。随着激光器、光谱仪、光纤等技术的发展，原子吸收光谱和发射光谱等相关技术得到了迅速的应用，越来越多光学的方法被应用在冶金行业的检测中。传统的方法有原子吸收光谱法、X射线荧光光谱法和电感耦合等离子体原子发射谱法等，而这些方法由于受到繁琐的预处理过程的限制，使样品成分的检测都处于离线检测阶段，每次检测都要经过取样-冷却-研磨-压制样品的过程，整个检测周期都在5分钟以上，远不能满足冶炼工艺中快速反馈的要求。激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴的分析方法，具有简便、快速，无须烦琐预处理，可对多种成分进行同时测量等优点，与光纤结合使用，能实现恶劣环境下不同形态样品的远程测量，因此逐渐被应用于熔融液体成分的在线检测中。然而由于受到冶炼环境下高温、灰尘等的影响，如何能够更有效的保护光学系统和提取较强的光谱信号，保证测量的可靠性，成为了采用激光诱导光谱法进行高温熔体成分在线测量装置所面临的最大问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，用于基于激光诱导击穿光谱法的熔融液体成分检测装置，为实现冶金过程的动态控制奠定基础。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于包括有探头主体和耐高温壳体，所述探头主体由不锈钢金属加工而成，内部固定有入射激光聚焦透镜、光谱信号收集透镜和两个传导光纤接头；入射激光聚焦透镜中心轴线与探头主体中心轴线重合，两传导光纤接头分别固定在与探头主体轴线呈一定夹角对称的通孔内，传导光纤接头中心轴线与光谱信号收集透镜中心轴线重合，传导光纤连接在光纤接头上端，两传导光纤将光谱信号耦合到一束传导光纤并传输至光谱仪。
所述耐高温壳体包围在探头主体外部，壳体上端固定有气压控制阀，壳体下端为锥形，可直接浸入熔融液体。耐高温壳体和探头主体之间的空隙被分为两层，分别为探头主体气体冷却层和密封区域气压控制层。靠近所述探头主体的一层为气体冷却层，配置有冷却气体循环装置，可以实现探头主体内部器件的气体冷却；靠近壳体的一层为气压控制层，通入气体先将熔融液体表面的渣体吹开，再将壳体下端浸入熔融液体，通过调节探头和熔融液体所围成的密闭空间内的气压，控制进入耐高温壳体下端熔融液体的高度，该区域内气体压力的大小由所述气压控制阀控制；耐高温壳体下端内壁上设有三对电极，通过电极之间导通实现探头闻度的自动定位；
所述的一种具有自动定位功能的熔融成分光学检测探头，其特征在于所述探头主体中入射激光聚焦透镜上方设有一个透明窗口，激光脉冲透过所述窗口由入射激光聚焦透镜聚焦在熔融液体液面上，熔融液体瞬间被激发形成高温高密度的等离子体，所述等离子体包含有熔融液体所包含元素对应的光谱信号，经过所述光谱信号收集透镜聚焦后，耦合到所述传导光纤接头上连接的传导光纤。所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述 探头主体气体冷却层对应有进气口和出气口，实现气体循环冷却，与所述聚焦透镜、光谱收集透镜所对应位置分别设有透明窗口。所述各个透明窗口和传到光纤接头处均设计为密封结构。所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述三对电极固定在耐高温壳体下端的内壁上，中间一对电极与入射激光聚焦透镜焦平面平齐，电极之间导通实现了所述探头主体内入射激光聚焦透镜聚焦位置的自动定位。本发明的光学检测探头是基于激光诱导击穿光谱原理设计的，用于熔融液体在线检测。使用本发明时光学检测探头的耐高温壳体外壁上设有槽型结构，光学检测探头通过该结构与多维机械臂相连接，光学检测探头上端与激光导光臂连接，激光脉冲经过导光臂透过入射激光聚焦透镜正上方的透明窗口进入光学检测探头，所述激光脉冲由激光发生器发出；光谱仪、激光发生器、控制装置均被集成在一个集成机箱内。熔融液体表面熔渣吹开后，探头下端浸入熔融液体，当距离熔融液体液面较近的一对电极导通时发出一个电信号，通过集成机箱内的控制装置使多维机械臂停止移动，同时控制气压控制层内的气压，实现熔融液体在探头内平稳的上升，以避免液面迅速上升超过入射激光聚焦透镜焦平面位置；最上端的一对电极位于所允许液面上升的最大高度，对探头起保护作用，若该对电极导通时，发出一个警报信号，并控制装置停止工作，探头迅速离开液面。本发明具有如下优点
1.采用电极可实现聚焦液面高度的自动定位；
2.通过控制气压，可减少熔融液体液面波动，提高测量稳定性；
3.探头的光学系统与外界环境隔离，能有效的保护测量光路不受高温熔炼环境灰尘、震动等的影响。4.减少熔融液体液面上方的压强可以提高光谱信号强度和降低微量元素的检测限。
图I为本发明的光学检测探头具体结构示意图。图2a为光学检测探头在熔融液面上时的熔融液面成分在线监测装置的结构示意图。图2b为光学检测探头浸入熔融液面后时的熔融液面成分在线监测装置的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，由探头主体7和耐高温壳体13组成。探头主体7内部固定有入射激光聚焦透镜4、光谱信号聚焦透镜8和12、传导光纤接头3和5，与入射激光聚焦透镜4、光谱信号收集透镜8和12相对应的位置分别开设有透明窗口 4’、12’、8’，入射激光聚焦透镜4处设有供脉冲激光入射的透明窗 口 4”，窗口连接处均设计为密封结构。传导光纤接头3和5对应的两束光纤最后耦合到传导光纤14。耐高温壳体13设计为分离式结构，下端为一段可拆卸的锥形管状结构13’，工作时浸入熔融液面液体液面以下，由于受到高温熔融液面液体的影响，该部分的寿命较短于壳体上端，拆卸式结构方便于损坏后及时更换。壳体13上端设有气压控制阀I，下端管状结构13 ’与入射聚焦透镜4焦平面相平齐的位置处配置有一对电极10、11，在这对电极上下各配置有一对电极10，、11，和10”、11”。探头主体7和耐高温壳体13之间的空隙被分为气体冷却层a和气压控制层b。气体冷却层a紧靠探头主体7，完成探头主体7的气体循环冷却，两端分别配备有进气口 2和出气口 6。气压控制层b靠近耐高温壳体13，通过气压控制阀I调节气体的大小，采用惰性气体将熔融液体表面的渣体吹开，然后耐高温壳体13下端13’浸入熔融液体，此时，探头和熔融液体之间为成了一个封闭的区域，首先通过气压控制阀I控制该区域内的气压大小使液面快速上升至电极10”、11”，两电极之间导通，发出一个电信号使多维机械臂18停止移动，同时控制气压控制阀I使液面平稳上升，当液面达到电极10、11的位置，使这两个电极之间导通，通过控制装置控制气压控制阀I关闭，使熔融液体液面停留在入射聚焦透镜4焦平面位置，开始进行成分测量。若由于故障造成液面继续上升至电极10’、11’，使这对电极导通，说明探头出现故障，则发出一个警报信号，使测量结束，探头升至液面以上。熔融液体成分在线检测装置结构示意图如图2所示，其中图2a为光学检测探头位于熔融液体液面以上位置，图2b为光学检测探头浸入熔融液体液面以后。光学检测探头17通过透明窗口 4”上端的连接装置与多关节激光导光臂16相连接，通过耐高温壳体13上端开设的槽型结构将光学检测探头17固定在多维机械臂18上。多关节激光导光臂16另一端与激光发生器相连接，传导光纤14另一端接入光谱仪。激光发生器、光谱仪、处理器、控制系统等全部集成在一个集成机箱15中，集成机箱15外部设有人机交互界面，可以显示测量分析结果。具体工作过程如下
首先，打开探头主体7冷却装置，使冷却气体层a内通入冷却气体。气压控制阀I打开,气压控制层b内通入惰性气体，调节气压大小将熔融液体表面的渣体吹开。若对熔融液体表面的渣体进行检测，则不需要吹惰性气体，直接将光学探头17插入渣体。然后由集成机箱15内的控制系统控制多维机械臂升降，带动光学检测探头17逐渐浸入熔融液体，此时光学检测探头17和熔融液体之间形成了密封区域A，首先通过气压控制阀I调节区域A内的气压大小使熔融液体在耐高温壳体下端管体13’里面迅速上升，液面上升至电极10”、11”，两电极之间导通并发出一个电信号，通过控制系统使气体流量减小，从而实现液面平稳上升，当液面上升至电极10、11所在平面时，两个电极之间导通，同时有发出相应的电信号，使气压控制阀I关闭，液面定位于当前位置，即入射聚焦透镜4焦平面位置。开启集成机箱15内的激光发生器，发出激光脉冲，激光脉冲进入多关节激光导光臂16内经过多次反射，最后透过窗口 4”进入光学检测探头17，由入射激光聚焦透镜4将激光脉冲聚焦在熔融液体液面上，激发点熔体瞬间被烧蚀汽化，形成高温高密度的等离子体9，等离子体9发射光谱信号经过透明窗口 8’和12’，由光谱信号收集透镜8和12将光谱信号耦合至传导光纤14并传输至集成机箱15内的光谱仪，经光电转换装置转换为电信号后被送入微处理器，进行数据处理和成分分析，最后显示在集成机箱15上的人机交互界面。耐高温壳体13的下端管体13’用过几次后，需检查是否被腐蚀损坏，损坏后要及时更换。在测量过程中，若发现液面上升至电极10’、11’，使这对电极导通，说明探头出现故障，则发出一个警报信号，使 测量结束，探头迅速升至液面以上。
权利要求
1.一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于包括有探头主体和耐高温壳体，所述探头主体的内部固定有入射激光聚焦透镜，入射激光聚焦透镜的两侧分别固定有一个光谱信号收集透镜，两个光谱信号收集透镜的上端分别固定一个传导光纤接头，所述入射激光聚焦透镜中心轴线与探头主体中心轴线重合，两传导光纤接头分别固定在与探头主体轴线呈一定夹角对称的通孔内，传导光纤接头中心轴线与光谱信号收集透镜中心轴线重合，传导光纤连接在光纤接头上端，两传导光纤将光谱信号耦合到一束传导光纤并传输至光谱仪；所述耐高温壳体包围在探头主体外部，耐高温壳体上端固定有气压控制阀，耐高温壳体下端为锥形，可直接浸入熔融液体，耐高温壳体和探头主体之间的空隙被分为两层，分别为探头主体的气体冷却层和气压控制层，靠近所述探头主体的一层为气体冷却层，气体冷却层的两端分别配备有进气口和出气口，靠近耐高温壳体的一层为气压控制层，气压控制层的气压大小由气压控制阀控制；耐高温壳体下端的锥形部分的内壁上设有三对电极，每对电极的高度不同。
2.根据权利要求I所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述探头主体由不锈钢金属加工而成。
3.根据权利要求I所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述探头主体中入射激光聚焦透镜上方设有一个透明窗口，激光脉冲透过所述窗口由入射激光聚焦透镜聚焦在熔融液体液面上，熔融液体瞬间被激发形成高温高密度的等离子体，所述等离子体包含有熔融液体所包含元素对应的光谱信号，经过所述光谱信号收集透镜聚焦后，耦合到所述传导光纤接头上连接的传导光纤。
4.根据权利要求I所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述探头主体上位于入射激光聚焦透镜、光谱收集透镜下方的对应位置上分别设有透明窗口。
5.根据权利要求I所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述三对电极固定在耐高温壳体下端的锥形部分的内壁上，中间一对电极与入射激光聚焦透镜焦平面平齐，电极之间导通实现了所述探头主体内入射激光聚焦透镜聚焦位置的自动定位；最上端的一对电极位于所允许液面上升的最大高度。
6.根据权利要求I所述的一种具有自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，其特征在于所述各个透明窗口和传到光纤接头处均设计为密封结构。
全文摘要
本发明涉及一种具有高精度自动定位功能的熔融液体成分光学检测探头，包括有探头主体和耐高温壳体，所述探头主体的内部固定有入射激光聚焦透镜、光谱信号收集透镜、传导光纤接头，外部配置有耐高温壳体，壳体下端可直接浸入熔融液体，耐高温壳体和探头主体之间的空隙被分为两层，耐高温壳体下端与入射激光聚焦透镜焦平面平齐处配备有电极，当熔融液体到达电极高度时，电极之间导通实现了液面高度的自动定位功能。本发明具有聚焦液面自动定位、减少熔融液面波动的功能，并且光学系统与外界环境隔离，能有效的保护光学系统不受高温熔炼环境灰尘的影响，能够提高光学信号的强度，降低微量元素的检测限，更好的实现熔融液体成分的实时检测。
文档编号G01N21/63GK102967587SQ201210438949
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者王 琦, 董凤忠, 陈兴龙, 王静鸽, 付洪波, 贺文干, 汤玉泉, 倪志波 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所