CN103630236A - 一种锥腔型高能激光全吸收能量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锥腔型高能激光全吸收能量计，所述的能量计含有吸收体，热电偶传感器，吸收体支架，圆筒状的隔热体，数据采集系统，外壳。吸收体采用高纯石墨材料制成的圆锥体结构，吸收体内部为圆锥状的空心腔体；吸收体支架通过螺纹与外壳固定连接，吸收体的圆锥体中部和圆锥体底部均设置在支架上。隔热体设置在外壳内。热电偶传感器粘接在吸收体表面沉孔上。吸收体上沉孔底端与吸收体外表面的距离为吸收体壁厚的40%，沉孔沿圆锥体母线方向及垂直于母线方向等距离设置，沿圆锥体母线方向上任意两个沉孔之间的距离小于吸收体的圆锥体母线长度的10%。本发明的锥腔型高能激光全吸收能量计能够显著提高高能激光能量测量精度，并提升高能激光全吸收能量计的测试能力。

Description

一种锥腔型高能激光全吸收能量计

技术领域

本发明属于高能激光能量测量领域，具体涉及一种锥腔型高能激光全吸收能量计，适用于高能激光能量测量。

背景技术

高能激光能量测量主要有两种方法：第一种方法采用分光镜分光取样，然后利用低中量程功率能量测量装置测量所取样激光能量，最后根据低中量程功率能量测量装置的测量结果以及分光镜的分光比计算激光总能量；第二种方法直接利用能量测量装置测量激光总能量，它要求测量装置能够吸收几乎所有的激光能量，这种类型的装置通常称为全吸收型测量装置。第一种方法中采用了间接取样测量的方式，分光比在强光作用下通常容易发生变化，因此测量的精度和可信度相对较低。全吸收型测量方法由于要直接接收较高的激光功率能量，吸收体的温升通常会比较高，材料表面很容易出现损伤，一种较为有效的方法是采用石墨材料加工成一个空腔型的吸收体，激光入射到吸收体内表面，并在吸收体外表缠绕热阻丝测量吸收体的温升，最终根据吸收体的质量、比热和温升计算出入射激光的能量，名称为《绝对式高能激光能量计温度特性研究》的文章(王雷等，应用光学，2005，26(5)：29～32)中介绍的就是这种结构。为了降低入射到吸收体表面的激光功率密度，整个吸收体的长度会比较长，而入射激光光斑所覆盖的区域往往只有吸收体上靠近锥体顶角的较小一部分区域，当激光的功率和能量较高时将会在吸收体内部产生较大的温度梯度，而且这种温度梯度在很长时间内不但存在于吸收体锥体母线方向，还会存在于吸收体上垂直于吸收体母线方向。吸收体外表面温升将无法代表整个吸收体温升，如果采用热阻丝测量吸收体温升将会使测量结果偏低，在吸收体母线方向较大的温度梯度也会造成热电阻传感器的非线性效应，这种影响也很难修正，另外由于材料的比热会随温度改变，如果采用热阻丝测量温度将无法消除石墨材料比热非线性造成的影响。

激光入射到石墨表面将发生漫反射，而石墨材料对激光的吸收率往往只有0.7～0.8，因此将会有一部分能量会从吸收体内部逸出，也会对测量精度造成影响。另外由于吸收体表面积较大，热辐射等热损失的影响也较大，需要采取措施降低热损失的影响。如果这些因素的影响不加以控制和补偿将会对高能激光能量测量精度造成严重的影响。

发明内容

为了降低材料比热非线性、热电偶传感器非线性、测温精度、热损失和光能逸出对能量计测量精度造成的影响，本发明提供了一种锥腔型高能激光全吸收能量计。

本发明的一种锥腔型高能激光全吸收能量计，其特点是，所述的能量计含有吸收体、热电偶传感器、吸收体支架、圆筒状的隔热体、数据采集系统、外壳；其中，热电偶传感器含有热端、铠装套、引线。所述的吸收体为圆锥体结构，吸收体内部为圆锥状的空心腔体，圆锥状的空心腔体的顶面设置为平面；其连接关系是，所述的外壳内两端分别设置有环状的吸收体支架，吸收体支架通过螺纹与外壳固定连接，所述吸收体的圆锥体中部和圆锥体底部均设置在吸收体支架上，并分别与吸收体支架固定连接。所述隔热体设置在外壳内，隔热体的两端分别与吸收体支架固定连接。所述的吸收体的外表面设置有安装热电偶传感器的数个沉孔，热电偶传感器粘接在沉孔中。所述热电偶传感器通过引线与数据采集系统电连接。所述的吸收体的空心腔体与圆筒状的隔热体同轴设置。

所述的热电偶传感器为露端型结构，露端型结构中的热端位于铠装套的前端，引线穿过铠装套内部后与热端连接，铠装套为圆柱体，铠装套内部填充氧化镁。

所述吸收体上设置的沉孔底端与吸收体外表面的距离为吸收体壁厚的40%。

所述吸收体上的沉孔沿圆锥体母线方向及垂直于母线方向等距离设置，沿圆锥体母线方向上任意两个沉孔之间的距离小于吸收体的圆锥体母线长度的10%。

所述的吸收体内部锥面上设置有V型槽，V型槽均匀的分布在吸收体(1)空心腔体内部。

所述的V型槽的数量为50个~100个，V型槽的夹角θ的范围为20°~ 60°。

所述的隔热体由内层的反射板和外层的隔热板构成，反射板与隔热板通过螺钉固定连接。

所述的反射板采用黄铜材料制成，黄铜材料表面通过抛光工艺处理或者表面镀金，隔热板的材料采用聚四氟乙烯。

所述的吸收体支架采用聚四氟乙烯材料制成，所述的吸收体采用高纯石墨制成。

本发明中采用多个分立的热电偶传感器测量吸收体的温度，并对吸收体的质量按照热电偶所覆盖的区域进行划分，然后根据不同区域的温度获取该温度所对应的比热值再结合该区域的质量和温升计算出该区域的能量增量。在对热电偶传感器之间的间距进行约束以后，每个区域内的温度梯度较小，材料比热非线性的影响将可以忽略。热电偶的热端设置在吸收体的内部，可以准确的测量出整个吸收体的平均温度，为了提高热电偶传感器的响应速度，降低由于热电偶传感器响应特性对精度造成的影响，热电偶传感器为露端型。为了降低吸收体的热损失，将隔热体设置成内外两层，内层为反射板，外层为隔热板，反射板由黄铜材料制成，黄铜材料表面通过抛光工艺处理或者表面镀金，隔热板材料为聚四氟乙烯，由于经过抛光工艺或者镀金工艺处理的黄铜材料表面对主要辐射波长的反射率将达到90%以上，可以有效抑制热辐射造成的能量损失，聚四氟乙烯可以降低热传导速率，抑制传导和对流的影响。在吸收体内部锥面上设置有V型槽，通过设置V型槽可以增大激光辐照面积，降低入射到材料表面的激光功率密度，另外由于入射到V型槽内部的光束经过石墨漫反射以后大部分光束仍然在V槽内部反射，因此从吸收腔内部逸出的能量将显著降低。

本发明采用多个分立的热电偶传感器测量吸收体温度，通过对热电偶传感器和吸收体进行合理布局和划分，可以明显降低材料比热非线性、热电偶传感器非线性和测温精度等造成的影响，通过设置V型槽可以有效降低吸收体逸出能量，对于热损失也可以通过双层隔热体结构有效抑制。本发明可以显著提高高能激光能量测量精度，并提升高能激光全吸收能量计的测试能力。

 附图说明

图1为本发明的锥腔型高能激光全吸收能量计的结构示意图；

图2为本发明中的隔热体结构示意图；

图3为本发明中的热电偶传感器结构示意图；

图4为本发明中的吸收体上沉孔的排布示意图，图4(a)为剖面图，图4(b)为侧视图；

图5为本发明中的吸收体V型槽结构示意图，图5(a) 为侧视图，图5(b)为剖面图；

图中，1.吸收体    2.隔热体     3.热电偶传感器     4.吸收体支架Ⅰ     5.外壳     6.数据采集系统     7.反射板     8.隔热板     9.热端     10.铠装套     11.引线     12.沉孔     14. 吸收体支架Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

图1为本发明的锥腔型高能激光全吸收能量计的结构示意图，图2为本发明中的隔热体结构示意图，图3为本发明中的热电偶传感器结构示意图，图4为本发明中的吸收体上沉孔的排布示意图，其中，图4(a)为剖面图、图4(b)为侧视图，图5为本发明中的吸收体V型槽结构示意图，图5(a) 为侧视图、图5(b)为剖面图。

在图1～图5中，本发明的锥腔型高能激光全吸收能量计，含有吸收体1、热电偶传感器3、吸收体支架、圆筒状的隔热体2、数据采集系统6、外壳5；其中，吸收体支架包括吸收体支架Ⅰ4和吸收体支架Ⅱ14，热电偶传感器3含有热端9、铠装套10、引线11。所述的吸收体1为圆锥体结构，吸收体1内部为圆锥状的空心腔体，圆锥状的空心腔体的顶面设置为平面。其连接关系是，所述的外壳5内两端分别设置有环状的吸收体支架Ⅰ4、吸收体支架Ⅱ14，吸收体支架Ⅰ4、吸收体支架Ⅱ14通过螺纹分别与外壳5固定连接，吸收体1的圆锥体中部设置在吸收体支架Ⅰ4上、圆锥体底部设置在吸收体支架Ⅱ14上，并分别与吸收体支架Ⅰ4、吸收体支架Ⅱ14固定连接。所述隔热体2设置在外壳5内，隔热体2的两端分别与吸收体支架Ⅰ4、吸收体支架Ⅱ14固定连接。所述的吸收体1的外表面设置有安装热电偶传感器的数个沉孔，热电偶传感器分别粘接在对应的沉孔中；热电偶传感器3通过引线与数据采集系统6电连接。所述的吸收体1的空心腔体与圆筒状的隔热体2同轴设置。

  所述的热电偶传感器3为露端型结构，露端型结构中的热端9位于铠装套10的前端，引线11穿过铠装10内部后与热端9连接，铠装套10为圆柱体，铠装套10内部填充氧化镁，如图3所示。

所述吸收体1上设置的沉孔底端与吸收体1外表面的距离为吸收体壁厚的40%。

所述的吸收体1内部锥面上设置有V型槽，V型槽均匀的分布在吸收体1空心腔体内部。

所述的隔热体2由内层的反射板7和外层的隔热板8构成，反射板7与隔热板8通过螺钉固定连接。

所述的吸收体支架4采用聚四氟乙烯材料制成，所述的吸收体1采用高纯石墨制成。

本实施例中，所述的V型槽设置的数量为60个，V型槽的夹角θ为30°。所述吸收体1上设置的沉孔沿圆锥体母线方向及垂直于母线方向等距离设置，沿圆锥体母线方向上任意两个沉孔之间的距离等于吸收体1的圆锥体母线长度的8%。所述的反射板7采用黄铜材料制成，黄铜材料表面通过抛光工艺处理，隔热板8的材料采用聚四氟乙烯。

本实施例中，在吸收体1的圆锥体母线方向等间距的设置有十二组热电偶传感器，热电偶传感器3是其中一个。每组热电偶传感器均采用高温胶粘接在吸收体1上对应的沉孔中，沉孔12是数个沉孔中的一个。热电偶传感器3的铠装套10的直径比吸收体1上沉孔的直径小0.2mm，热电偶传感器3的铠装套10的长度与吸收体1上沉孔的深度相同。每组热电偶传感器均沿吸收体1的圆锥体的环向均匀分布粘接在对应的沉孔内，各组热电偶传感器分布的数量依次分别为十二支、十三支、十四支、十五支、十六支、十七支、十八支、十九支、二十支、二十一支、二十二支、二十三支，吸收体1上分布的热电偶传感器总计为210支，如图4所示。

本发明中的空心腔体的圆锥体底面圆圆心与吸收体1底面圆的圆心在同一位置，为了使吸收体1能够稳定、可靠的安装到吸收体支架上，吸收体1的锥体底部和锥体中部设置成圆柱结构，吸收体1的锥体中部和锥底均设置在吸收体支架上；由于吸收体1锥体的锥顶部分对激光能量的吸收作用较小，为了减少整个高能激光全吸收能量计长度，将吸收体1的锥体从锥顶部分到锥体中部这段从吸收体1上移除；吸收体1的材料为高纯石墨；吸收体支架采用聚四氟乙烯材料加工而成，并通过螺纹与外壳5连接；在吸收体1上加工有圆柱形沉孔，热电偶传感器通过高温胶粘接在吸收体1外表面的沉孔内；热电偶传感器3通过引线11与数据采集系统6电连接；数据采集系统6具备温度采集、计算、显示和存储功能；隔热体2为一个圆筒结构，通过螺纹与吸收体支架连接，如图1所示。

本发明中的隔热体2设置成内外两层，内层为反射板7，外层为隔热板8，反射板7的外径与隔热板8的内径相同，反射板7与隔热板8通过螺钉连接；反射板7由黄铜材料制成，黄铜材料表面通过抛光工艺处理或者表面镀金，隔热板8材料为聚四氟乙烯，由于经过抛光工艺或者镀金工艺处理的黄铜材料表面对主要辐射波长的反射率将达到90%以上，可以有效抑制热辐射造成的能量损失，聚四氟乙烯可以降低热传导速率，抑制传导和对流的影响，如图2所示。

本发明中的吸收体1内部锥面上设置有V型槽，V型槽均匀的分布在吸收体1的空心腔体内部，并从吸收体1空心腔体的锥体底部延伸到吸收体1空心腔体的锥顶，通过设置V型槽可以增大激光辐照面积，降低入射到材料表面的激光功率密度，另外由于入射到V型槽内部的光束经过石墨漫反射以后大部分光束仍然在V槽内部反射，因此从吸收腔内部逸出的能量将显著降低，如图5所示。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，本实施例中，所述的V型槽的数量为100个，V型槽的夹角θ为60°。所述吸收体1上设置的沉孔沿圆锥体母线方向及垂直于母线方向等距离设置，沿圆锥体母线方向上任意两个沉孔之间的距离等于吸收体的圆锥体母线长度的6%。所述的反射板采用黄铜材料制成，黄铜材料表面镀金。

在吸收体圆锥体母线方向等间距的设置有十五组热电偶传感器。热电偶传感器的铠装套的直径比吸收体上沉孔的直径小0.5mm，热电偶传感器的铠装套的长度比吸收体上沉孔的深度长1cm。各组热电偶传感器的数量依次为十支、十一支、十二支、十三支、十四支、十五支、十六支、十七支、十八支、十九支、二十支、二十一支、二十二支、二十三支、二十四支，吸收体上分布的热电偶传感器数量总计为255支。 

Claims (9)

1.一种锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于，所述的能量计含有吸收体(1)、热电偶传感器(3)、吸收体支架、圆筒状的隔热体(2)、数据采集系统(6)、外壳(5)；其中，吸收体支架包括吸收体支架Ⅰ(4)和吸收体支架Ⅱ(14)，热电偶传感器(3)含有热端(9)、铠装套(10)、引线(11)；所述的吸收体(1)为圆锥体结构，吸收体(1)内部为圆锥状的空心腔体，圆锥状的空心腔体的顶面设置为平面；其连接关系是，所述的外壳(5)内两端分别设置有环状的吸收体支架Ⅰ(4)、吸收体支架Ⅱ(14)，吸收体支架Ⅰ(4) 、吸收体支架Ⅱ(14)分别通过螺纹与外壳(5)固定连接；所述吸收体(1)的圆锥体中部、圆锥体底部分别设置在吸收体支架Ⅰ(4) 、吸收体支架Ⅱ(14)上，并与吸收体支架Ⅰ(4) 、吸收体支架Ⅱ(14)固定连接；所述隔热体(2)设置在外壳(5)内，隔热体(2)的两端分别与吸收体支架Ⅰ(4)、吸收体支架Ⅱ(14)固定连接；所述的吸收体(1)的外表面设置有安装热电偶传感器的数个沉孔，热电偶传感器粘接在对应的沉孔中；所述热电偶传感器(3)通过引线（11）与数据采集系统(6)电连接；所述的吸收体(1)的空心腔体与对应的隔热体(2)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的热电偶传感器(3)为露端型结构，露端型结构中的热端(9)位于铠装套(10)的前端，引线(11)穿过铠装套(10)内部后与热端 (9)连接，铠装套(10)为圆柱体，铠装套(10)内部填充氧化镁。

3.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述吸收体(1)上设置的沉孔底端与吸收体(1)外表面的距离为吸收体壁厚的40%。

4.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述吸收体(1)上的沉孔沿圆锥体母线方向及垂直于母线方向等距离设置，沿圆锥体母线方向上任意两个沉孔之间的距离小于吸收体(1)的圆锥体母线长度的10%。

5.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的吸收体(1)内部锥面上设置有V型槽，V型槽均匀的分布在吸收体(1)空心腔体内部。

6.根据权利要求5所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的V型槽的数量为50个～100个，V型槽的夹角θ的范围为20°～60°。

7.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的隔热体(2)由内层的反射板(7)和外层的隔热板(8)构成，反射板(7)与隔热板(8)通过螺钉固定连接。

8.根据权利要求7所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的反射板(7)采用黄铜材料制成，黄铜材料表面通过抛光工艺处理或者表面镀金，隔热板(8)的材料采用聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的锥腔型高能激光全吸收能量计，其特征在于：所述的吸收体支架(4)采用聚四氟乙烯材料制成，所述的吸收体(1)采用高纯石墨制成。

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