[发明专利]双光束非接触式位移传感器

说明书

本公开内容说明了用于远程监测诸如熔融的蓝宝石之类的流体表面的高度或者高度的变化的系统、方法和装置。远程监测可以按照在成像传感器上所检测的通过测量在流体表面的一对反射激光光束的位置来执行。随着表面高度下降，这对反射激光光束的位置相对于彼此移动，且这个位置变化可以转换为流体表面高度的变化。

技术领域

本公开内容总体上涉及遥感。具体地但非限制性地，本公开内容涉及用于远程感测流体的高度的系统、方法和装置。

背景技术

与蓝宝石晶棒生长相关的许多变化(例如泡生法、提拉法、巴格达萨罗夫(Bagdasarov)法)包括在形成熔融蓝宝石的坩锅内蓝宝石种子上的结晶。在多个生长方法中，对剩余熔融蓝宝石的体积的准确了解是必要的，可以借助对流体的液位或高度的了解来查明。例如，由于蓝宝石晶体比熔融的流体密度更大，随着流体结晶，流体液位回落，监测这个变化的液位的能力允许晶体生长速率的推断式测量。

现有方法使用单光束三角测量来测量流体液位(参见图1)，但即使不是不可能的，也难以实施，因为在光束源与光束检测器(例如MICRO-EPSILON的OPTONCDT)之间需要大角度(例如20°)。蓝宝石在其中熔化的反应室可以达到2050℃，为了保持这种温度，常常使用厚的坩锅，只允许进入坩埚的单一长且窄的观察通道。这些方法所需的～20°角度不适合于这种长且窄的管。

图1示出了用于远程位移感测的传统的单光束三角测量系统。容器102包含液体103，液体103位于第一液位104，随后位于第二液位106。基于单光束三角测量的位移检测器108使用激光源110来将入射光束112投射到液体103的第一和第二表面104、106上。由传感器116测量来自第一液位104的反射114，并由传感器116测量来自第二液位104的反射116。基于在反射光束114、118在传感器116上的位置之间的距离120，可以计算在液位104、106之间的距离122。但这个系统通常在蓝宝石生长炉中无法操作，因为位移测量典型地通过如图2所示的狭窄且细长的观察通道202来进行，并且在光束之间的角度典型地大于可允许通过这个狭窄且细长的观察通道202的角度。

尽管一些系统可以使用较小的入射角来进行远程位移测量，并因而适合于加热炉200的狭窄且细长的观察通道202，但这种系统典型地无法实现对于流体表面所期望的高度分辨率。这些系统常常使用熔融蓝宝石流体表面反射到的单光束，且根据CCD上的反射光束位置的变化来测量流体高度变化。这种系统获得低分辨率的原因在于除了液位的高度的移动以外，多个变量导致反射光束位置的移动。即使流体液位没有发生变化，坩埚的振动、激光源的未对准、和流体表面中的波动都可以导致反射光束横跨CCD的抖动。而且，价格适度的CCD通常是二维像素阵列，能够进行的刷新速率不大于约70Hz，结果，反射光束的迅速移动常常被检测为模糊斑点，而不是理想的高斯圆形或椭圆形。所有这些因素都使得难以进行准确且高分辨率的测量。

使用现有技术系统的进一步的问题在于激光反射常常被高于2000℃的熔融蓝宝石的黑体辐射所遮蔽。本领域中所使用的CCD在蓝宝石达到1200℃时，趋向于饱和，因而在蓝宝石达到其熔化温度很久之前就具有极高的信噪比。

对这个问题的一个解决方案是使用在来自熔融蓝宝石的黑体强度较少的波长(例如诸如MICRO-EPSILON的OPTONCDTBL的蓝色)运行的激光器。但即使在使用短波长激光器时，CCD在1200℃以上也趋向于饱和。

另一个尝试的解决方案是使用共焦位移传感器，其使用在不同距离聚焦的多个频率的光来进行纳米分辨率高刷新速率位移测量，但这种设备在范围上受到限制(例如，MICRO-EPSILON的CONFOCALDT具有24mm的最大范围)。共焦传感器通常不适用于熔融蓝宝石测量，因为坩埚设计常常要求传感器距离流体表面约1.5m。

发明内容