CN104266751B - 多波长激光功率检定仪及其检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长激光功率检定仪及其检定方法，其中多波长激光功率检定仪包括传感器、仪器主机和光路锁定装置；所述光路锁定装置位于待测激光源与传感器之间，所述传感器将待测激光源发射的激光功率信号转换为电信号，并传送至仪器主机进行处理；多波长激光功率检定的检定方法包括稳定性测试、灵敏度测试等。本发明集光机电一体化；操作方法简便，数字化显示，准确度高、稳定性好；小型化、轻量化适应野战快速检测激光器械的功率。

Description

多波长激光功率检定仪及其检定方法

技术领域

本发明涉及激光技术基础领域，特别涉及一种多波长激光功率检定仪及其检定方法。

背景技术

随着激光技术的不断进步，激光在武器装备、野战医疗设备等军事领域的应用日趋广泛，为了确保激光设备的安全性、可靠性、稳定性，必须定期对其进行的质量检测。激光功率作为激光器具重要的技术参数，其准确性是衡量激光设备质量性能的主要战技指标，因此研究一种便携式、智能化、多波长激光功率检定仪显得尤为重要。

国外很早就在激光功率检测方面做了大量的研究工作，而且随着近几年传感器技术的发展，在数字化、智能化、高精度等方面已经取得了很好的成绩。而我国由于受材料工业和传感器技术的制约，以及引进整套仪器设备高额费用的限制，与发达国家的水平还有一定的差距。国外的大多数产品都是针对小功率的激光器械；在国内，开发和生产该类产品的厂商较少，且准确度等级较低，特别是在军事领域的产品就更少。如该领域的主要生产厂商美国MAC公司，其产品在仪器外观、激光功率检定仪工艺上虽然有自己的独到之处，但所能测试的功率比较小，范围也较窄，随着激光技术的不断进步，激光的应用功率也在不断增大，许多大中功率的军事激光装备都难以进行检测，这在一定程度上限制了其适用的范围。此外，激光发生物质种类较多，需要对多种不同波长的激光进行功率检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出了一种功率检测范围大，不仅可针对小功率激光器械，也适用于中功率激光设备，便携式、智能化、准确度等级高、多波长激光功率检定仪。

本发明为解决上述问题，具体采用以下技术方案：

一种多波长激光功率检定仪，包括传感器、仪器主机和光路锁定装置；

所述光路锁定装置固定于待测激光源与传感器之间，所述传感器将待测激光源发射的激光功率信号转换为电信号，并传送至仪器主机；

所述仪器主机，由前置放大电路单元、V－F转换电路和数据处理单元组成；所述前置放大电路单元接收传感器输出的电信号，进行滤波、放大，将信号输出至所述V－F转换电路；所述V－F转换电路产生的规则脉冲信号输出至数据处理单元；

所述数据处理单元，由模拟信号处理电路和主控CPU组成；

其中，所述模拟信号处理电路，由程控放大单元、脉冲信号峰值保持电路、调理电路和比较器构成；所述V－F转换电路产生的脉冲信号传送到程控放大单元，并通过CPU控制可程控改变增益实现不同量程的转换；所述程控放大单元输出信号依次传送至脉冲信号峰值保持电路和调理电路，经过处理的信号最后通过比较器输出至CPU中。

所述传感器为插入式热电偶。

所述光路锁定装置包括钢性底座、模拟光束发射器和三棱镜，所述钢性底座上设置有定距滑动模块，所述模拟光束发射器、三棱镜和传感器固定在同一滑动模块上；所述三棱镜的两个直角边分别垂直于模拟光束发射器和激光源发射的光束。

所述程控放大单元由程控放大器和其级联的一级放大电路组成。

所述程控放大器的参考端接入自动调零电路，通过CPU采集参考端信号实现电路零点的自动调整。

所述V－F转换电路由LM331集成电路构成。

所述V－F转换电路的输出频率F_out由以下公式得出：

$F_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{2.09V}\·\frac{R_S}{R_i}\·\frac{1}{R_t{C}_t}$

式中，F_out为V－F转换电路的输出脉冲信号的频率；V_in为V－F转换电路的输入模拟电压；R_s为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的短路电阻值；R_i为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的总电阻值；R_t为LM331芯片的R/C引脚与外接+12V电源之间的电阻；C_t为LM331芯片的R/C引脚与地之间的电容。

所述主控CPU还分别与图形点阵LCD和导电橡胶键盘阵列相连。

所述多波长激光功率检定仪的检定方法为：

(1)稳定性测试:使用连续激光器持续照射5s，以被测功率计和监视功率计比值的标准偏差来衡量仪器的稳定性；

(2)温度对灵敏度的影响：保持激光的入射角度不变，改变实验环境温度，使温度从0℃到40℃变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量温度对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果；

(3)入射角对灵敏度的影响：保持实验环境温度，改变激光入射角度，使入射光束在不超过5°的范围内变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量入射角对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果；

(4)零漂测试：观察仪器预热10分钟以后的1小时内的相对零漂；

(5)面响应非均匀性测试：选择激光功率检定仪接受面的中心及相互垂直的两个方向上等间距的四个点进行测量；

其中，面响应非均匀性的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}_s=\±\left|\frac{R_{\max }-R_{\min }}{R_{\max }+R_{\min }}\right|$

式中，R_max为测量点中灵敏度的最大值，R_min为测量点中灵敏度的最小值；

激光功率检定仪灵敏度的计算公式为：

$R=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}$

式中，Δx是光辐射的输入增量，Δy是激光功率检定仪的输出(电流或电压)增量；

(6)重复性试验：观察同条件重复测量结果的一致性。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)在硬件上采用插入式热电偶技术，实现了光电转化，提高了信号的灵敏度和稳定性；

2)采用V－F转化电路和LM331集成电路，保证了电压的频率转化，使输出脉冲信号的频率精确的正比于输入电压，提高了测量数据的准确性；

3)设计了激光输出锁定装置，使得激光输出终端与测量仪器间相对位置可以调整、固定，保证了光路的一致性，确保了检测的安全性和准确性；

4)实现了对多种不同波长的激光进行功率检测；

5)方便携带、操作简单、运行稳定、适用性强，解决了长期以来激光装备、器械的激光功率量值朔源问题；

6)该仪器在军事装备领域，能够为激光装备的维护、保养及功率校准提供有力技术支持；

7)在军事斗争卫勤保障领域，能够为激光医疗设备的临床使用安全提供可靠的质量保证，提高了战地救治效果，具有较大的军事意义和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明的仪器主机结构框图；

图3是本发明的光路锁定装置示意图；

图4是本发明的V－F转换电路图。

其中，1、激光源；2、钢性底座；3、传感器；4、模拟光束发射器；5、三棱镜；6、滑动模块。

具体实施方式

如图1所示，一种多波长激光功率检定仪，包括传感器、仪器主机和光路锁定装置；

所述光路锁定装置固定于待测激光源与传感器之间，所述传感器将待测激光源发射的激光功率信号转换为电信号，并传送至仪器主机进行处理。

如图2所示，所述仪器主机，由前置放大电路单元、V－F转换电路和数据处理单元组成；所述前置放大电路单元接收所述传感器输出的电信号，进行滤波、放大之后，传送至所述V－F转换电路；所述V－F转换电路产生的规则脉冲信号输出至数据处理单元；

所述数据处理单元，由模拟信号处理电路和主控CPU组成；

其中，所述模拟信号处理电路，由程控放大单元、脉冲信号峰值保持电路、调理电路和比较器构成；所述V－F转换电路产生的脉冲信号传送到程控放大单元，并通过CPU控制可程控改变增益实现不同量程的转换；所述程控放大单元输出信号依次传送至脉冲信号峰值保持电路和调理电路，经过处理的信号最后通过比较器输出至CPU中。

其中，比较器用于脉冲信号到来的判断，也可对一些混噪声信号的脉冲能量信号进行有效抑制，避免仪表在测量脉冲能量时对噪声信号误测量；所述比较器触发零点的设置约在所述程控放大器特定量程的20％；

所述程控放大单元由程控放大器和其级联的一级放大电路组成；其中程控放大器的型号可选择PGA202芯片，其参考端接入自动调零电路，通过CPU采集本端信号，进而改变程控放大器的参考电位，实现电路“0”点的自动调整；PGA202之后再增加一级放大电路，目的是实现3倍信号增益，以避免信号在两个10进制量程转换临界点的测量误差。

所述主控CPU还分别于图形点阵LCD和导电橡胶键盘阵列相连，分别用来显示简单图形不同字体的文本和通过键盘菜单选择控制整个仪表；

所述主控CPU采用Philips公司的P89C51RD2，该单片机兼容通用的8051系列单片机，并在片内集成了64kEEPROM和768字节RAM，从而优化了外围电路结构，提高了系统的集成度和可靠性。

所述传感器为热电偶，其原理为：利用吸收体将激光辐射能转换为热能，再将热信号转换为电信号；其具体工作过程为：当激光作用于激光功率检定仪接收表面时，引起接收面局部温度升高，形成接收面与热沉之间的温度梯度，在接收面与热沉之间放置热电偶，由于温度梯度的存在，在热电偶两端(冷端与热端)形成电势差，同时热流由温度较高的接收面向温度较低的热沉流动，随着温度梯度的增加热流增大，当入射功率引起温度升高的速率与传导引起的温度降低的速率达到平衡时，接收面与热沉之间的温度梯度保持恒定，此时功率激光功率检定仪处于平衡状态，温度梯度正比于入射激光功率，因此通过测量热电偶两端的电势差，既可得到入射激光功率的定量描述。

如图3所示，所述光路锁定装置包括钢性底座2、模拟光束发射器4和三棱镜5，所述钢性底座2上设置有定距滑动模块6，所述模拟光束发射器4、三棱镜5和传感器3固定在同一滑动模块6上；所述三棱镜5的两个直角边分别垂直于模拟光束发射器4和激光源1发射的光束；

所述光路锁定装置原理是：通过模拟激光束来判断激光输出终端与激光功率检定仪之间相对位置，由于被测激光设备不会发射模拟光束，模拟光束发射器也不可能与激光设备输出终端的位置完全重合，必然带来位移误差；因此，利用光路的可逆性，从激光功率检定仪端发出模拟光束，然后调整激光功率检定仪位置，若模拟光束射在激光设备的输出端口上，那么从激光设备输出终端射出的激光必然也会照射在激光功率检定仪上。

如图4所示，所述V－F转换电路由LM331集成电路构成，保证了电压的频率转化，使输出脉冲信号的频率精确的正比于输入电压，提高了测量数据的准确性；

所述V－F转换电路的输出频率F_out由以下公式得出：

$F_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{2.09V}\·\frac{R_S}{R_i}\·\frac{1}{R_t{C}_t}$

式中，F_out为V－F转换电路的输出脉冲信号的频率；V_in为V－F转换电路的输入模拟电压；R_s为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的短路电阻值；R_i为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的总电阻值；R_t为LM331芯片的R/C引脚与外接+12V电源之间的电阻；C_t为LM331芯片的R/C引脚与地之间的电容。

所述主控CPU还分别与图形点阵LCD和导电橡胶键盘阵列相连。

所述多波长激光功率检定仪的检定方法为：

(1)稳定性测试:使用连续激光器持续照射5s，以被测功率计和监视功率计比值的标准偏差来衡量仪器的稳定性，其测试结果如表1所示；

表1仪器稳定性测试结果

被测仪器	稳定性(％)
		毫瓦级功率计	±0.72
瓦级功率计	±0.39
		能量计	±0.85

(2)温度对灵敏度的影响：保持激光的入射角度不变，改变实验环境温度，使温度从0℃到40℃变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量温度对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果，其测试结果如表2所示，此测试结果激光的入射角为0度；

表2温度对灵敏度的影响

被测仪器	温度影响(％)
		毫瓦级功率计	±0.52
瓦级功率计	±0.87
		能量计	±1.24

(3)入射角对灵敏度的影响：保持实验环境温度，改变激光入射角度，使入射光束在不超过5°的范围内变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量入射角对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果，其测试结果如表3所示，此测试结果实验环境温度为20℃；

表3激光入射角对灵敏度的影响

被测仪器	入射角影响(％)
		毫瓦级功率计	±0.37
瓦级功率计	±0.69
		能量计	±0.75

(4)零漂测试：观察仪器预热10分钟以后的1小时内的相对零漂；

(5)面响应非均匀性测试：选择激光功率检定仪接受面的中心及相互垂直的两个方向上等间距的四个点进行测量；面响应非均匀性测试结果如表4所示；

其中，面响应非均匀性的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}_s=\±\left|\frac{R_{\max }-R_{\min }}{R_{\max }+R_{\min }}\right|$

式中，R_max为测量点中灵敏度的最大值，R_min为测量点中灵敏度的最小值；

激光功率检定仪灵敏度的计算公式为：

$R=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}$

式中，Δx是光辐射的输入增量，Δy是激光功率检定仪的输出(电流或电压)增量；

表4面响应非均匀性测试结果

被测仪器	面响应非均匀性(％)
		毫瓦级功率计	±0.82
瓦级功率计	±1.83
		能量计	±2.06

(6)重复性试验：观察同条件重复测量结果的一致性。

本发明所设计的多波长激光功率检定仪实现了集光机电一体化；操作方法简便，数字化显示，准确度高、稳定性好；小型化、轻量化适应野战快速检测激光器械的功率。

Claims (7)

1.一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，包括传感器、仪器主机和光路锁定装置；

所述光路锁定装置固定于待测激光源与传感器之间，所述传感器将待测激光源发射的激光功率信号转换为电信号，并传送至仪器主机；

所述仪器主机，由前置放大电路单元、V－F转换电路和数据处理单元组成；所述前置放大电路单元接收传感器输出的电信号，进行滤波、放大，将信号输出至所述V－F转换电路；所述V－F转换电路产生的规则脉冲信号输出至数据处理单元；

所述数据处理单元，由模拟信号处理电路和主控CPU组成；

其中，所述模拟信号处理电路，由程控放大单元、脉冲信号峰值保持电路、调理电路和比较器构成；所述V－F转换电路产生的脉冲信号传送到程控放大单元，并通过CPU控制可程控改变增益实现不同量程的转换；所述程控放大单元输出信号依次传送至脉冲信号峰值保持电路和调理电路，经过处理的信号最后通过比较器输出至CPU中；

所述光路锁定装置包括钢性底座、模拟光束发射器和三棱镜，所述钢性底座上设置有定距滑动模块，所述模拟光束发射器、三棱镜和传感器固定在同一滑动模块上；所述三棱镜的两个直角边分别垂直于模拟光束发射器和激光源发射的光束。

2.根据权利要求1所述的一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，所述传感器为插入式热电偶。

3.根据权利要求1所述的一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，所述程控放大单元由程控放大器和其级联的一级放大电路组成；所述程控放大器的参考端接入自动调零电路，通过CPU采集参考端信号实现电路零点的自动调整。

4.根据权利要求1所述的一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，所述V－F转换电路由LM331集成电路构成。

5.根据权利要求1所述的一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，所述V－F转换电路的输出频率F_out由以下公式得出：

$F_{out}=\frac{V_{in}}{2.09V}\·\frac{R_S}{R_i}\·\frac{1}{R_t{C}_t}$

式中，F_out为V－F转换电路的输出脉冲信号的频率；V_in为V－F转换电路的输入模拟电压；R_s为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的短路电阻值；R_i为LM331芯片的REF引脚与地之间的滑动变阻器的总电阻值；R_t为LM331芯片的R/C引脚与外接+12V电源之间的电阻；C_t为LM331芯片的R/C引脚与地之间的电容。

6.根据权利要求1所述的一种多波长激光功率检定仪，其特征在于，所述主控CPU还分别与图形点阵LCD和导电橡胶键盘阵列相连。

7.根据权利要求1-6所述的一种多波长激光功率检定仪的检定方法，其特征在于，包括

(1)稳定性测试:使用连续激光器持续照射5s，以被测功率计和监视功率计比值的标准偏差来衡量仪器的稳定性；

(2)温度对灵敏度的影响：保持激光的入射角度不变，改变实验环境温度，使温度从0℃到40℃变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量温度对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果；

(3)入射角对灵敏度的影响：保持实验环境温度，改变激光入射角度，使入射光束在不超过5°的范围内变化，以被测功率计和监视功率计的比值来衡量入射角对灵敏度的影响，以其中绝对值最大者为最终结果；

(4)零漂测试：观察仪器预热10分钟以后的1小时内的相对零漂；

(5)面响应非均匀性测试：选择激光功率检定仪接受面的中心及相互垂直的两个方向上等间距的四个点进行测量；

其中，面响应非均匀性的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}_s=\±\left|\frac{R_{\max }-R_{\min }}{R_{\max }+R_{\min }}\right|$

式中，R_max为测量点中灵敏度的最大值，R_min为测量点中灵敏度的最小值；

激光功率检定仪灵敏度的计算公式为：

$R=\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}$

式中，Δx是光辐射的输入增量，Δy是激光功率检定仪的输出增量；

(6)重复性试验：观察同条件重复测量结果的一致性。