一种推进剂液位高精度激光测量装置的制作方法

本发明属于液位监测技术领域，具体涉及一种低温或常温推进剂液位动态条件下高精度激光测量装置。

背景技术：

低温或常温推进剂是一种易燃、易爆、易泄露的化学物质，主要有液氢、液氧、液态天燃气等，具有密度小，沸点低，易汽化等特点，测量条件特殊，液位动态变化，测量比较困难，准确地进行液位测量尤为困难。

目前液位测量主要采用浮子式、电容式等传统的液位测量方法，但是在使用发现有三个缺点：

1.单点测量为主，设备体积大、测量点数小，测量速度慢，无法满足全方位多点测量以及可视化测量要求；

2.当所测量的设备或环境出现震动或过载时，浮子法、电容法测量液位的方法无法准确，及时地测量液位高度；

3.电容式测量方法有电与低温燃料的直接接触，任何电与低温燃料的直接接触都会安全隐患，有很高的潜在风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于tof（飞行时间）的低温或常温推进剂液位高精度激光测量装置。该装置测量速度快，在存储罐剧烈晃动和过载条件下，也能较为精确地测量液位，并且可以实时全方位地立体监测。

本发明提出的低温或常温推进剂液位高精度激光测量装置，是一种基于飞行时间（tof）的面阵激光雷达液位测量系统，将激光光纤传感技术和面阵激光雷达技术相结合，其结构包括：一体化光纤探头8，半导体激光器阵列9，窄脉冲激光器阵列12，光电探测器阵列10，时间数字转换器（tdc）11，时序发生器13，主控制器14，通讯控制器15，低温推进剂存储罐17；激光器阵列9、光电探测器阵列10分别与一体化光纤探头8连接，窄脉冲激光驱动器12与半导体激光器阵列9连接，时序发生器13分别与窄脉冲激光驱动器12、时间数字转换器11连接，时间数字转换器11与光电探测器阵列10连接，主控制器14与通讯控制器15、时序发生器13、时间数字转换器11连接；一体化光纤探头8布置在低温推进剂存储罐17的顶部16，用于低温探测存储罐内液面位置信息。

本发明装置的工作流程如下：主控制器14给时序发生器13发送命令，时序发生器13产生脉冲序列，触发窄脉冲激光器阵列（驱动电路）12产生瞬态大电流注入半导体激光器阵列9，同时触发时间数字转换器11开始计时，设此时间为t0；半导体激光器阵列9发出激光经过一体化光纤探头8传输及光学准直后，变成平行光，经过被测液面反射，返回一体化光纤探头8，到达光电探测器10，记此时间为t1；待时间数字转换器11收到t1信号后，算出t0，t1之间的时间间隔ｔ发送给主控制器14；依次地，主控制器14完成所有观测点扫描测量后，对所测的时间进行加权平均，根据，算出平均液位，通过通讯控制器14输出测量结果；其中s为液面高度，c为光速。

另外可以根据观测点的安装位置(x-y)-液面高度（z）分布特征，建立液位三维数字模型，输出可视化图像。

本发明中，所述一体化光纤探头8，其内部结构依次为：与准直器7成45度的光学窗口6，准直器7，合束器３，发射光路４以及接收光路５。发射光路4发出激光,经过合束器3耦合到一根光纤上，经过准直器7准直后，从光学窗口6发出，经过被测物体表面反射后，到达光学窗口6，被准直器7接收，进入一体化光纤，通过设置光纤孔径比例，合束器3把80%以上的能量耦合到接收光路5。

优选地，所述一体化光纤探头8的光机接口为sma905螺纹接口；所述半导体激光器9可为vcsel；所述窄脉冲驱动器12可为mosfet或gan脉冲功率驱动电路；所述光电探测器10为apd阵列或者光子计数器或者pin阵列；所述时间数字转换器11可为延迟线门触发电路或者电容充放电脉冲计数电路；所述时序发生器13可为cpld或者fpga；所述主控制器14为arm处理器或者fpga；所述通讯控制器15为串口、usb或者以太网控制器。

本发明中，根据实际需求，所述一体化光纤探头8可根据实际需求，在空间上自由组合布置，例如为任意形状的面阵结构、筒状结构，以及立体包围的结构等，组成面阵激光探测系统。

本发明的有益效果是，基于飞行时间技术，可大幅提升信息获取量以及探测速度；基于光纤耦合技术，方便分布式安装，结构更加紧凑，可大幅度减小安装空间,通过多次平均算法，测量精度可以达到毫米量级。

附图说明

图１为本发明光纤一体化探头结构示意图。

图２为本发明实施例结构示意图。

图中标号：1为液面，2为光学窗口6和准直器7的组合，3为合束器，4为发射光路，5为接收光路，6为光学窗口，7为准直器；8为一体化光纤探头，9为半导体激光器，10为光电探测器，11为时间数字转换器，12为窄脉冲驱动电路，13为时序发生器，14为主控制器，15为通讯控制器，16为推进剂存储罐顶部，17为推进剂存储罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例

如图2所示，推进剂存储罐17的顶部均匀布置多路光纤探头8，半导体激光器9采用垂直腔面激光器，主控制器14采用高性能、低功耗arm处理器，时序发生器13采用可编程门阵列，按照探头安装位置编码，控制相应位置的激光器发射激光束，光电探测器10使用apd探测器，依次接收回波信号，主控制器14利用时间数字转换器tdc芯片11得出单路测量时间差，去除系统内部传输延迟，得到激光在空中往返飞行时间ｔ，根据（c为光速），从而得到液面高度ｓ；经过一轮扫描测量后，得到液面多点的液位信息，数据存储在控制器内部缓存sram中；重复该测量多次，剔除异常数据，将多组测量数据进行累加求平均，得到最终的液面高度，通信控制器15通过rs232接口发出测量结果。

传统的相位式激光测量方法，测量速度慢（低于5hz），实时性差。本发明激光液位测量装置将光纤传感技术与tof激光雷达测距技术相结合，测量速度快，最高速度可达到100khz，单次测量精度可以达到厘米级别，通过多次平均测量，测量精度可达到毫米量级，实现非接触、光电全隔离、实时快速、全方位高精度、宽范围、高灵敏度的监测与测量。