CN107121364B - 一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，包括颗粒悬浮单元、电荷测量单元和激光信号测量单元，其中：颗粒悬浮单元包括防尘箱和设在防尘箱内的颗粒储存箱，颗粒储存箱内设有滤网、四壁设有风扇，防尘箱的两侧分别设有激光通孔，激光通孔处安装有激光透镜；所述电荷测量单元用于测定防尘箱内颗粒物的带电量，所述激光信号测量单元用于测量激光穿过颗粒系统后激光功率的变化。本发明可精确测量到不同颗粒物在不同湿度、不同浓度、不同带电量、不同粒度分布等条件下对激光信号衰减和去极化的影响，为开展沙尘天气下激光通信的研究提供良好的实验基础，并可实现相同条件下的多次重复测量。

Description

一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置

技术领域

本发明属于物理实验技术领域，涉及一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置。

背景技术

随着传统通信技术与传统雷达技术及现代激光技术的融合发展，激光在雷达技术和通信技术中得到了广泛的发展和应用。由于激光具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，因此，与传统通信技术相比，激光通信具有通信容量大、保密性强、方向性强、经济成本低等特点。但相应地，大气中悬浮的颗粒物如雾、烟、尘埃、沙尘等对激光信号有着散射和吸收作用，使得激光信号在低能见度天气下会受到严重的衰减和去极化作用。而颗粒系统的粒度分布、颗粒浓度、颗粒湿度、颗粒带电量、颗粒的化学成分等均对激光有不同程度的影响，然而其中哪些是显著影响的因素，目前因缺乏相关的实验测量装置导致没有较好的研究结果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，该测量装置可精确测量到颗粒在不同湿度、不同浓度、不同带电量、不同粒度分布等条件下对激光信号衰减和去极化的影响。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，包括颗粒悬浮单元、电荷测量单元和激光信号测量单元，其中：

所述颗粒悬浮单元包括一个由透明材料制成的防尘箱和一个颗粒储存箱，所述颗粒储存箱位于防尘箱内的底部，所述颗粒储存箱内设有滤网，颗粒储存箱的四壁设有风扇；所述防尘箱的两侧分别设有激光通孔，所述激光通孔处安装有激光透镜；所述防尘箱的其中一个侧壁设有开启门；

所述电荷测量单元包括法拉第筒、静电计和电子秤，所述法拉第筒和电子秤位于防尘箱内的底部，且所述法拉第筒放置在电子秤上，所述静电计位于防尘箱外，所述法拉第筒与静电计电连接；

所述激光信号测量单元包括设置在防尘箱两侧的第一升降杆和第二升降杆以及激光功率计，所述第一升降杆和第二升降杆上分别固定有第一升降平台和第二升降平台，所述第一升降平台和第二升降平台可随第一升降杆和第二升降杆的升降分别做上下移动；所述第一升降平台上设有激光器，所述激光器发射出的激光束与激光器所在一侧的激光透镜相对应；所述激光功率计包括激光功率传感器和激光功率计表头，所述激光功率传感器位于第二升降平台上并与激光功率计表头相连接，且所述激光功率传感器与其所在一侧的激光透镜相对应。当激光器发射出的激光束穿过防尘箱两侧的激光透镜后，可由激光功率计实时测量所穿出激光束的功率大小。

进一步地，为增加防尘箱内的湿度变化，所述测量装置还包括湿度控制单元，所述湿度控制单元包括加湿器、湿气管和温湿度仪，所述温湿度仪包括相互连接的温湿度传感器和温湿度仪表头，所述加湿器和温湿度仪表头位于防尘箱外，所述温湿度传感器位于防尘箱内，所述湿气管一端连接加湿器、另一端伸入防尘箱内，且湿气管位于防尘箱内的部分设有出气孔。

进一步地，所述颗粒悬浮单元还包括风扇转速控制器，所述风扇转速控制器分别与颗粒储存箱四壁的风扇相连接并位于防尘箱外，通过操作风扇转速控制器可调节颗粒储存箱四壁的风扇的转速大小，以此控制颗粒储存箱内的风力大小。

进一步地，所述多功能测量装置还包括用于监测测量数据的PC机，所述PC机分别与静电计、电子秤和激光功率计表头相连接。

进一步地，所述防尘箱的两侧各设有两个激光通孔，且防尘箱两侧的激光通孔两两对应，形成用于两束激光通过的两组激光通孔；所述激光器和激光功率计也包括两组，分别与两组激光通孔相对应。其中一组的激光器通过发射550纳米波长的激光来监测防尘箱内的颗粒浓度和能见度，另一组则用于监测任意波长的激光在颗粒悬浮系统中的功率变化。

进一步地，为了测量颗粒系统在不同条件下对激光偏振方向的影响，所述激光功率传感器与激光通孔之间还设有格兰激光棱镜，所述格兰激光棱镜固定于棱镜支架上并可随棱镜支架作转动。

进一步地，所述第一升降平台和第二升降平台上分别设有滑槽，所述激光器和激光功率传感器安装于滑槽上并可沿滑槽作水平移动，以便于激光的对准。

进一步地，为了更有利地控制防尘箱内部的湿度，所述加湿器包括两个或以上，所述湿气管包括湿气主管、匀气管和湿气支管，每个加湿器分别依次连接一个湿气主管和一个匀气管，所述湿气主管的一端与加湿器的出气口连接、另一端与匀气管连接，所述湿气主管和匀气管均位于防尘箱外，且所述匀气管与防尘箱侧壁相平行并水平设置；所述湿气支管为多根并位于防尘箱内，所述湿气支管上均匀设有出气孔，所述湿气支管与匀气管相连通。匀气管和湿气支管的设置可有效提高加湿效率，并保证湿气快速均匀地散布在防尘箱内。

进一步地，所述滤网为两层，并分别设置于颗粒储存箱的中部和顶部。

本发明测量装置的工作原理如下：

颗粒储存箱内预先盛放有用于实验的沙粒等颗粒物，颗粒储存箱四壁的风扇开启时，会将颗粒物吹起，使之形成扬起悬浮状态。颗粒储存箱上设置的滤网的作用在于：（1）使风扇气流更为均匀；（2）方便筛选出所需粒径的颗粒；（3）通过滤网与颗粒物间的摩擦使颗粒物带电，并且通过更换不同材质和网孔大小的滤网，可以改变颗粒物带电量的大小；（4）使颗粒物飞出颗粒储存箱时速度稳定，浓度均匀。防尘箱的设置可避免颗粒物飞出，且防尘箱和颗粒储存箱内的气流通过风扇形成循环，并使带电颗粒物在防尘箱内悬浮一段时间后，再逐渐沉降至防尘箱底部。

在此过程中，部分颗粒物沉降于法拉第筒内，并可通过电子秤和静电计分别称取和测量所沉降颗粒物的重量和带电量，电子秤和静电计将质量和电量数据分别传送给PC机进行处理，从而得出颗粒物的荷质比（电荷量与质量之比）。打开激光器，激光器发射出的激光由其所在一侧的激光透镜穿入，在经过悬浮的颗粒物后，由另一侧激光透镜穿出，激光功率传感器和激光功率计表头可实时测量激光功率的变化并传送给PC机自动采集，为研究颗粒系统对激光的衰减和去极化作用提供数据基础。另外，通过湿度控制单元可有效控制防尘箱内的湿度变化；通过更换不同网孔大小和材质的滤网，可有效控制颗粒带电量和粒径分布。

综上可见，本发明具有如下优点：可精确测量到不同颗粒物在不同湿度、不同浓度、不同带电量、不同粒度分布等条件下对激光信号衰减和去极化的影响，为开展沙尘天气下激光通信的研究提供良好的实验基础；相对于室外测量，本装置可实现相同条件下的多次重复测量，保证了实验结果的准确性；并且该测量装置结构简单，易于操作。

附图说明

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的正面结构剖视图；

图3为本发明的侧面结构外观图；

图4为本发明的侧面结构剖视图；

图5为本发明风扇的位置设置示意图；

图6为本发明第一升降平台的结构俯视图；

图7为本发明湿度控制单元的结构示意图；

图中，1-防尘箱，2-颗粒储存箱，3-滤网，4-风扇，5-风扇转速控制器，6-激光通孔，7-激光透镜，8-开启门，9-法拉第筒，10-电子秤，11-静电计，12-第一升降杆，13-第二升降杆，14-第一升降平台，15-第二升降平台，16-滑槽，17-激光器，18-激光功率传感器，19-激光功率计表头，20-格兰激光棱镜，21-棱镜支架，22-加湿器，23-湿气主管，24-匀气管，25-湿气支管，26-出气孔，27-温湿度传感器，28-温湿度仪表头，29-PC机，30-激光束。

具体实施方式

如图1-4所示，一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，包括颗粒悬浮单元、电荷测量单元、激光信号测量单元和湿度控制单元，其中：

所述颗粒悬浮单元包括一个透明玻璃材质的防尘箱1和一个透明树脂材质的颗粒储存箱2，颗粒储存箱2位于防尘箱1内的底部，颗粒储存箱2的中部和顶部各设有一层滤网3；颗粒储存箱2的四壁设有风扇4。具体地，如图5所示，颗粒储存箱2的前壁设有三个风扇、后壁设有两个风扇，其余两个侧壁各设有一个风扇，且前壁和后壁的风扇间隔对应设置，以达到更好的气流效果；防尘箱1外设有风扇转速控制器5，且风扇转速控制器5分别与颗粒储存箱2四壁的风扇4相连接，通过操作风扇转速控制器5可调节颗粒储存箱2四壁的风扇4的转速大小，以此控制颗粒储存箱2内的风力大小。防尘箱1的两侧各设有两个激光通孔6，每个激光通孔6处均安装有激光透镜7，且防尘箱1两侧的激光通孔6两两对应，形成用于两束激光通过的两组激光通孔；防尘箱1的其中一个侧壁还设有方便设备放入和取出的开启门8；

所述电荷测量单元包括法拉第筒9、静电计11和电子秤10，法拉第筒9和电子秤10位于防尘箱1内的底部，且法拉第筒9放置在电子秤10上，静电计11位于防尘箱1外，且法拉第筒9与静电计11电连接；为保证电子秤10称量的准确性，避免颗粒物沉降在电子秤10的上表面，本发明中，法拉第筒9的底面积应大于或等于电子秤10上表面的面积；

所述激光信号测量单元包括设置在防尘箱1两侧的第一升降杆12和第二升降杆13以及激光功率计，第一升降杆12和第二升降杆13上分别固定有第一升降平台14和第二升降平台15，第一升降平台14和第二升降平台15可随第一升降杆12和第二升降杆13的升降分别做上下移动。本发明中，第一升降杆12和第二升降杆13可选用丝杠升降机或电动升降杆。第一升降平台14上设有激光器17，激光器17发射出的激光束30与激光器17所在一侧的激光透镜7相对应；所述激光功率计包括激光功率传感器18和激光功率计表头19，激光功率传感器18位于第二升降平台15上并与激光功率计表头19相连接，且激光功率传感器18与其所在一侧的激光透镜7相对应；

本实施例中，激光器17和激光功率计也包括两组，分别与两组激光通孔相对应。其中一组的激光器通过发射550纳米波长的激光来监测防尘箱1内的颗粒浓度和能见度，另一组则用于监测任意波长的激光在颗粒悬浮系统中的功率变化。

为了测量不同条件下颗粒系统对激光偏振方向的影响，激光功率传感器18与激光通孔6之间还设有格兰激光棱镜20，格兰激光棱镜20固定于棱镜支架21上并可随棱镜支架21进行转动；转动格兰激光棱镜20，即可测量出激光穿过颗粒系统后的偏振方向。进一步地，如图6所示，以第一升降平台14为例，第一升降平台14和第二升降平台15上还分别设有用于激光器17和激光功率传感器18作水平移动的滑槽16，在激光器17和激光功率传感器18安装调试过程中，可使其沿滑槽16作水平移动，以便于激光束30的对准。

所述湿度控制单元包括加湿器22和温湿度仪，所述温湿度仪包括相互连接的温湿度传感器27和温湿度仪表头28。其中，加湿器22和温湿度仪表头28位于防尘箱1外，温湿度传感器27位于防尘箱1内。如图7所示，本发明中共设置了两个加湿器22，每个加湿器22分别依次连接一个湿气主管23和一个匀气管24。其中，湿气主管23的一端与加湿器22的出气口连接、另一端与匀气管24连接，湿气主管23和匀气管24均位于防尘箱1外，且匀气管24与防尘箱1侧壁相平行并水平设置；防尘箱1内设有三根湿气支管25，湿气支管25上均匀设有出气孔26，且湿气支管25与匀气管24相连通。本实施例中，与两个加湿器22分别连接的湿气支管25相互连通，形成共用的湿气支管。

本发明测量装置还包括用于监测测量数据的PC机29，PC机29分别与静电计11、电子秤10以及激光功率计表头19相连接，可对上述设备和仪器的监测数据或工作数据进行准确监测和记录。

本发明的工作过程如下：

（1）设备安装与调试：向颗粒储存箱2内装入沙粒或其他颗粒物；根据实验需求，安装符合要求的特定材质和网孔大小的滤网3。在第一升降平台14的滑槽16上安装激光器17，在第二升降平台15的滑槽16上安装激光功率传感器18，调节第一升降杆12和第二升降杆13的高度，使激光器17、格兰激光透镜20、激光功率传感器18恰好能够对准，对准过程中可以将激光器17或激光功率传感器18沿滑槽16移动，以方便对准。

（2）激光功率测定：设备调试完成后，开启风扇4，在风扇4的风力作用下，颗粒储存箱2内的颗粒物被吹起，并经滤网3进入防尘箱1内，形成颗粒悬浮状态，并且控制风扇4的风力大小和吹风时间以控制防尘箱1内颗粒物的浓度。开启激光器17，激光束30由激光透镜7穿出后，激光功率计可对穿出的激光进行功率实时测定。

（3）为满足不同湿度条件下颗粒系统对激光功率的影响测定，可开启加湿器22，加湿器22产生的湿气经湿气主管23和匀气管24进入湿气支管25内，并由出气孔26排出，通过温湿度仪表头28读取防尘箱1内的湿度值和温度值，通过调节加湿器22的加湿时长和湿气浓度调节防尘箱1内的湿度。

（4）为满足颗粒不同带电量大小和不同粒径分布对激光功率的影响，可更换不同材质和孔径大小的滤网4，以改变防尘箱1内悬浮颗粒物的带电量大小和颗粒粒径分布。

由此，利用本发明测量装置可完成不同颗粒物在不同湿度、不同浓度、不同带电量、不同粒度分布等条件下对激光信号衰减和去极化影响的精确测定。

Claims (3)

1.一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，其特征在于，包括颗粒悬浮单元、电荷测量单元和激光信号测量单元，其中：

所述颗粒悬浮单元包括一个由透明材料制成的防尘箱和一个颗粒储存箱，所述颗粒储存箱位于防尘箱内的底部，所述颗粒储存箱内设有滤网，颗粒储存箱的四壁设有风扇；所述防尘箱的两侧分别设有激光通孔，所述激光通孔处安装有激光透镜；所述防尘箱的其中一个侧壁设有开启门；

所述电荷测量单元包括法拉第筒、静电计和电子秤，所述法拉第筒和电子秤位于防尘箱内的底部，且所述法拉第筒放置在电子秤上，所述静电计位于防尘箱外，所述法拉第筒与静电计电连接；所述法拉第筒的底面积大于或等于电子秤上表面的面积；

所述激光信号测量单元包括设置在防尘箱两侧的第一升降杆和第二升降杆以及激光功率计，所述第一升降杆和第二升降杆上分别固定有第一升降平台和第二升降平台，所述第一升降平台和第二升降平台可随第一升降杆和第二升降杆的升降分别做上下移动；所述第一升降平台上设有激光器，所述激光器发射出的激光束与激光器所在一侧的激光透镜相对应；所述激光功率计包括激光功率传感器和激光功率计表头，所述激光功率传感器位于第二升降平台上并与激光功率计表头相连接，且所述激光功率传感器与其所在一侧的激光透镜相对应；

所述防尘箱的两侧各设有两个激光通孔，且防尘箱两侧的激光通孔两两对应，形成用于两束激光通过的两组激光通孔；所述激光器和激光功率计也包括两组，分别与两组激光通孔相对应；所述激光功率传感器与激光通孔之间设有格兰激光棱镜，所述格兰激光棱镜固定于棱镜支架上并可随棱镜支架进行转动；所述第一升降平台和第二升降平台上分别设有滑槽，所述激光器和激光功率传感器安装于滑槽上并可沿滑槽作水平移动；

还包括湿度控制单元，所述湿度控制单元包括加湿器、湿气管和温湿度仪，所述温湿度仪包括相互连接的温湿度传感器和温湿度仪表头，所述加湿器和温湿度仪表头位于防尘箱外，所述温湿度传感器位于防尘箱内，所述湿气管一端连接加湿器、另一端伸入防尘箱内，且湿气管位于防尘箱内的部分设有出气孔；所述加湿器包括两个或以上，所述湿气管包括湿气主管、匀气管和湿气支管，每个加湿器分别依次连接一个湿气主管和一个匀气管，所述湿气主管的一端与加湿器的出气口连接、另一端与匀气管连接，所述湿气主管和匀气管均位于防尘箱外，且所述匀气管与防尘箱侧壁相平行并水平设置；所述湿气支管为多根并位于防尘箱内，所述湿气支管上均匀设有出气孔，所述湿气支管与匀气管相连通。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，其特征在于，所述颗粒悬浮单元还包括风扇转速控制器，所述风扇转速控制器分别与颗粒储存箱四壁的风扇相连接并位于防尘箱外。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，其特征在于，所述滤网为两层，并分别设置于颗粒储存箱的中部和顶部。

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