CN102062636A - 便携式现场激光能量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式现场激光能量测量装置，属于光学计量与测试领域。其特点是，在激光能量计探头内放置温度传感器，以监测能量计传感器所处的工作环境温度，并根据通过能量计标准装置所获得的温度灵敏度关系曲线对激光能量测量值予以修正，以消除环境温度对测量结果的影响，从而实现现场激光能量的准确测量。本发明与传统加热制冷法现场激光能量测量装置相比，不需要加热和制冷设备，同时还具有结构简单、便于携带、成本低、应用前景广的特点。

Description

便携式现场激光能量测量装置

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种激光能量测量装置，尤其涉及一种用于现场激光能量测量的激光能量测量装置。

背景技术

激光能量计是在实验室环境温度(20℃±2℃)条件下用激光能量计标准装置进行校准的，但通常情况下激光能量计的使用环境温度与实验室环境温度(即校准温度)不同，特别是在靶场、战时现场，使用环境温度与实验室环境温度有很大的差别：靶场、战时现场环境温度范围达到-40℃～50℃，在某些恶劣环境条件下，温度范围可达到-50℃～70℃。各种类型的激光能量计传感器(如光电型、体吸收型、热电偶型、热释电和量热型等激光能量计传感器)的灵敏度均与使用环境温度密切相关，在-50℃～70℃的现场环境温度范围内，有的激光能量计传感器灵敏度偏差可高达16％(如镍铬-镍硅热电偶)。因此，现有的激光能量计无法满足在-50℃～70℃现场环境温度下进行准确测量的要求，导致激光能量计标准和实际使用之间的脱离。

目前，现场激光能量测量主要采用图1所示的现场激光能量测量装置，该装置的功能是把激光能量计置于保温箱体A内，通过制泠系统B或加热系统C使激光能量计D所处的环境温度与实验室环境温度(校准温度)一致。这种以加热或制冷法实现的现场激光能量测量装置存在以下问题：①能量计附件(加热和制冷设备、测温设备等)太多，不适合现场便携式激光能量测量，而且成本较高，限制了应用范围；②加热和制冷准备时间较长，测量效率低；③加热和制冷过程产生空气流动，导致能量计表面存在明显的热对流，严重影响了能量计测量结果的精度；④环境温度高于45℃时要制冷到实验室环境温度非常困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前现场激光能量测量装置的不足，提供一种便携式现场激光能量测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的现场激光能量测量装置包括激光能量计探头、单片机、显示器以及为上述三者提供工作电压的电源，所述激光能量计探头含有能量计传感器、温度传感器和A/D转换电路和绝热壳体，绝热壳体的前端开有口径大于入射激光光斑直径的入射窗口，A/D转换电路安装在绝热壳体的后端，能量计传感器通过绝热支撑安装在绝热壳体中，温度传感器放置在绝热壳体内，所述被测激光通过入射窗口射到能量计传感器的靶面上；所述单片机含有采集模块、存储模块、数据处理模块和显示模块，其中，采集模块通过A/D转换电路采集能量计传感器输出的激光能量值

和环境温度传感器输出的绝热壳体中的温度值Tn；存储模块中预先存放着通过能量计标准装置对现场激光能量测量装置标定获得的能量修正系数-温度关系曲线k(T)；数据处理模块的功能是调用能量修正系数-温度关系曲线k(T)，在能量修正系数-温度关系曲线k(T)上找出所述温度值Tn所对应的能量修正系数k，再用能量修正系数k对所述激光能量值

进行修正，获得被测激光的能量测量值；显示模块的功能是将被测激光的能量测量值通过显示器进行显示。

本发明还包括一块乳白玻璃片，乳白玻璃片通过相应支架安装在所述绝热壳体中并且位于所述能量计传感器靶面的正前方。

在本发明中，所述绝热壳体包括金属外壳、泡沫塑料和金属内壳层，泡沫塑料夹在金属外壳和金属内壳层之间。

在本发明中，所述能量计传感器选用热释电型传感器。

本发明提供的激光能量测量装置主要是在能量计探头中内置温度传感器监测能量计传感器所处的工作环境温度，并根据通过能量计标准装置所获得的温度灵敏度关系曲线对激光能量测量值予以修正，以消除环境温度对测量结果的影响，从而实现现场激光能量的准确测量。与传统加热制冷法现场激光能量测量装置相比，本发明激光能量测量装置不含有加热和制冷设备，因此结构简单，便于携带，可直接用于现场激光能量测量。

附图说明

图1为现有技术中的现场激光能量测量装置原理图。

图2为本发明便携式现场能量测量装置的原理框图。

图3为图1中所示激光能量计探头的组成示意图。

图4为图1中所示单片机的工作流程图。

图5为标定温度灵敏度关系曲线的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步说明。

本发明所基于的原理是，在激光能量计探头里安置温度传感器，以监测激光能量计传所处的工作环境温度，单片机依据预先存储的能量计温度灵敏度关系曲线对所测量的激光能量值予以修正，以消除现场环境温度对测量结果的影响，从而实现现场激光能量的准确测量。

如图2所示，本发明现场能量测量装置优选实施例由能量计探头1、单片机2、显示设备3及电源4构成。激光能量计探头1的主要功能是采集激光能量信号和环境温度信号，并转换为数字信号送入单片机2进行处理，单片机2的主要功能是采集、存储和处理激光能量信号和环境温度信号(包括激光能量测量值的修正等)，并将激光能量测量结果送入显示器3进行显示。电源4主要为激光能量计探头1、单片机2和显示设备3提供电源。

根据图3所示，能量计探头1包含入射窗口1-1、金属外壳1-2、泡沫塑料1-3、绝热支撑1-4、金属内壳层1-5、A/D转换电路1-6、环境温度传感器1-7、能量计传感器1-8和乳白玻璃片1-9。金属外壳1-2用于封装能量计探头，以消除外界电磁干扰对测量结果的影响；金属外壳1-2上开有入射窗口1-1，其口径应大于入射激光光斑直径。金属外壳1-2与金属内壳层1-5之间夹有泡沫塑料1-3，以保证能量计探头1内的温度分布处于平衡状态。环境温度传感器1-7放置在能量计探头1的壳体内部，用于监测能量计传感器所处的工作环境温度。绝热支撑1-4固连在壳体内部且其上安装能量计传感器1-8，且能量计传感器1-8的靶面正对入射窗口。根据入射激光波长(测量波长)和能量测量范围(量程)和测量精度，能量测量传感器1-8可选用光电型、体吸收型、热电偶型、热释电型和量热型等能量计传感器，本优选实施例选用热释电传感器。A/D转换电路1-6与环境温度传感器1-7和能量计传感器1-8的输出端相连，可分别将温度数据和激光能量数据转换为数字信号并送入单片机2进行处理。乳白玻璃片1-9通过相应的支架安装在能量计传感器靶面的前方，以匀化入射激光能量。

单片机2含有采集模块、存储模块、数据处理模块和显示模块，其中，采集模块通过A/D转换电路1-6采集能量计传感器1-8输出的激光能量值

和环境温度传感器1-7输出的温度值Tn。存储模块预先存放能量修正系数-温度关系曲线k(T)，同时还能存储测量结果数据。数据处理模块的功能是调用k(T)，并根据以下公式计算：

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n---\left(1\right)$

$E_n=k{E}_n^0\left(T\right)---\left(2\right)$

式中，

为被测激光的最终能量测量值，E_n为第n次测量经修正的激光能量值，k是k(T)温度灵敏度关系曲线上与第n次测量相对应的环境温度值Tn所对应的能量修正系数，N为总的测量次数，通常取N≥6。显示模块的功能是，将被测激光的最终能量测量值

送入显示器3进行显示。

根据图5所示，本发明单片机存储模块预先存储的温度灵敏度关系曲线是通过标准能量计校准获得的。标准能量计校准现场激光能量测量装置所使用的校准检测设备主要包括脉冲激光器、分光镜、温度控制装置、参考能量计、标准能量计，其中优选实施例选用兵器工业5308厂生产的1.54μm波长的脉冲激光器，温度控制装置型号选用美国Thermotron公司WGD-710温控装置，其温控范围为-70℃～150℃，温度稳定精度为±0.5℃。具体校准步骤如下：

(1)调整光路，脉冲激光器输出的激光光束经分光镜分束后，分为两束激光，其中透射光由标准能量计或现场激光能量测量装置接收，反射光由参考能量计接收。

(2)将温度控制装置(环境试验箱)的温度设置为实验室温度(20℃±2℃)。

(3)将标准能量计置于温度控制装置内，用标准能量计和参考能量计分别测量透射光能量E₁和反射光能量E₂，并根据下式计算测量N次后的分束比：

$R=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_1^n}{E_2^n}---\left(3\right)$

式中，R为分束镜的分束比，

分别为第n次测量得到的标准能量计与参考能量计的能量值，N为测量次数，通常N≥6。

(4)取出标准能量计，将本发明现场激光能量测量装置置于温度控制装置内，在-50℃～70℃的温度范围内，每隔一定温度(通常取2℃)同时记录参考能量计和现场能量计所测量的激光能量值，并进行如下计算：

$k=\frac{R}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_R^n}{E_L^n}---\left(4\right)$

式中，k为现场能量计的能量修正系数，R为分束镜的分束比，

分别为第n次测量得到的现场激光能量测量装置与参考能量计的能量值。将得到不同温度条件下能量修正系数随温度变化的数组存入存储模块中。对热释电传感器而言，对能量修正系数随温度变化数组用以下经验公式进行拟合：

k(T)＝a·k(T₀)+b    (5)

式中，k(T₀)为某环境温度T₀时的能量修正系数，通常T₀取0℃，a和b为拟合参数。通过式(5)可得到任意环境温度T时的能量修正系数-温度关系曲线k(T)。

Claims (4)

1.一种便携式现场激光能量测量装置，包括激光能量计探头(1)、单片机(2)、显示器(3)以及为上述三者提供工作电压的电源(4)，其特征在于：所述激光能量计探头(1)含有能量计传感器(1-8)、温度传感器(1-7)和A/D转换电路(1-6)和绝热壳体，绝热壳体的前端开有口径大于入射激光光斑直径的入射窗口(1-4)，A/D转换电路(1-6)安装在绝热壳体的后端，能量计传感器(1-8)通过绝热支撑(1-4)安装在绝热壳体中，温度传感器(1-7)放置在绝热壳体内，所述被测激光通过入射窗口射到能量计传感器(1-8)的靶面上；所述单片机(2)含有采集模块、存储模块、数据处理模块和显示模块，其中，采集模块通过A/D转换电路(1-6)采集能量计传感器(1-8)输出的激光能量值

和环境温度传感器(1-7)输出的绝热壳体中的温度值Tn；存储模块中预先存放着通过能量计标准装置对现场激光能量测量装置标定获得的能量修正系数-温度关系曲线k(T)；数据处理模块的功能是调用能量修正系数-温度关系曲线k(T)，在能量修正系数-温度关系曲线k(T)上找出所述温度值Tn所对应的能量修正系数k，再用能量修正系数k对所述激光能量值

进行修正，获得被测激光的能量测量值；显示模块的功能是将被测激光的能量测量值通过显示器(3)进行显示。

2.根据权利要求1所述的便携式现场激光能量测量装置，其特征在于：还包括一块乳白玻璃片(1-9)，乳白玻璃片(1-9)通过相应支架安装在所述绝热壳体中并且位于所述能量计传感器(1-8)靶面的正前方。

3.根据权利要求1所述的便携式现场激光能量测量装置，其特征在于：所述绝热壳体包括金属外壳(1-2)、泡沫塑料(1-3)和金属内壳层(1-5)，泡沫塑料(1-3)夹在金属外壳(1-2)和金属内壳层(1-5)之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的便携式现场激光能量测量装置，其特征在于：所述能量计传感器(1-8)选用热释电型传感器。

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