[发明专利]高温高压极端环境下光学全反射式水位传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器应用领域，具体是一种高温高压极端环境下光学全反射式水位传感器。

背景技术

飞行器发射动力装置的核心为燃气发生器，它主要由燃剂发生罐和冷却罐两部分组成，燃剂发生罐主要产生燃气，冷却罐中装有冷却水，燃气会通过冷却罐导槽从而推进飞行器动作。1000℃以上高温燃气经过冷却罐时会使水产生气化作用，从而使罐中水位发生变化。通过测验水位的变化情况可以研究燃气和水混合物的相对规律，对燃气发生器的研制具有指导性意义。

飞行器在发射瞬间会产生高温、高压等极端环境，且燃气的工作过程一般在100ms内完成，需要传感器的响应速度足够快，同时燃剂燃烧过程为黑色颗粒状物体，对常规光学传感器不敏感。目前，应用较多的水位传感器主要包括电容式、浮子式、压力式、超声波式、雷达式和激光式等等，不同的水位传感器其工作原理、适用条件不尽相同。

例如：电容式水位传感器能满足高温高压环境，但是其响应速度远远不够；浮子式水位传感器应用最为广泛，技术成熟，可靠性高, 但环境适用性较差；气泡式和雷达式水位传感器为新型水位传感器，目前也有一定范围的应用，可靠性较好,但设备昂贵,安装条件受限；激光式水位传感器技术尚不成熟，可靠性较差，适用环境有限。因此，现有的水位传感器基本满足不了测试环境需求，截止目前，燃气发生器冷却罐中的水位测试几乎处于空白。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前飞行器发射瞬间燃气发生器冷却罐内水位测量难的问题，而提供一种高温高压极端环境下光学全反射式水位传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高温高压极端环境下光学全反射式水位传感器，包括光源、光电探测器、信号调理器和固定工装；固定工装包括底板，底板上安装有第一安装柱和第二安装柱，且第一安装柱和第二安装柱之间的距离可调；光源封装于第一安装柱位于底板以上的柱段内，并且紧邻底板设置，第一安装柱上开设有供光源照出的透光口；光电探测器封装于第二安装柱位于底板以上的柱段内，第二安装柱上沿其轴向开设有正对光源照射方向的透光槽，光源照射出的光穿过透光槽直射在光电探测器的光敏面上；信号调理器设于底板下方，信号调理器通过传输电缆分别与第一安装柱内的光源以及第二安装柱内的光电探测器连接。

使用时，将本发明传感器安装于燃气发生器的冷却罐内，并使得第二安装柱内的光电探测器的光敏面上下贯穿水面到水底。调整光源与光电探测器之间的距离，之后调整光源角度，使所有的光经过水面的全反射照到光电探测器的光敏面，随着水位的变化，实现水位与光电探测器的受光高度一一对应。光电探测器输出的信号经信号调理器调理放大后输出为标准电压信号，与光的一维坐标位置构成简单的函数关系。信号调理器输出的信号可以通过常规的数采装置进行采集、存储、监测、处理，从而完成测量过程。信号调理器主要完成两方面的功能，一方面给光源进行供电，另一方面完成光电探测器输出电流信号的调理放大。为了提高本发明传感器的抗干扰性能，最好将冷却罐内壁处理成黑色，可以有效防止光路射出水面。

作为优选的技术方案，所述的光电探测器由若干个PSD光电器件串联组成。单个PSD光电器件的探测长度为34mm，所以为了满足冷却罐内的水位深度，可以通过串联多个PSD光电器件来达到要求，将串联后的PSD光电器件的光敏面贯彻于水面到水底即可。

作为优选的技术方案，所述的光源采用LED红光光源。

作为优选的技术方案，第一安装柱和第二安装柱之间的距离可调具体为：底板上开设有贯穿底板的定位槽道，第一安装柱和第二安装柱的底部分别穿过定位槽道后，第一安装柱和第二安装柱上位于底板上方的位置设有挡圈、位于底板下方的位置螺纹连接有锁紧螺母。

本发明水位传感器设计科学、结构简单、安装方便、设备成本低廉，能够满足燃气发生器点火瞬间高温高压的特殊环境，可以承受800℃以上瞬态高温和2MPa以上高压，抗冲击过载不小于2万g，测量响应速度优于1us，且整个装置不依赖水面以上的透光条件约束，无论是透明的空气还是不透光的烟雾，均可正常工作，环境适用性好。本发明水位传感器应用光学全反射原理，利用简单的光电原理即可实现冷却罐内水位的精确测量。同时本发明水位传感器系统响应速度快、可靠性高、抗过载能力强，传感部分的光源和光学探测器距离可调，不受容器大小的约束，是一种理想的专用水位测量仪器，填补了特殊环境下燃气发生器冷却罐水位测试的空白。

附图说明