CN109374129A - 基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法和装校装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法和装校装置，解决现有人工装校精密度低缺少客观评估过程的技术问题。方法包括：通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号；利用所述应变信号形成所述腔镜姿态变化的应变规律；在装校过程中根据所述应变规律调整腔镜姿态。通过应变组件记录了高精度调谐过程中腔镜姿态变化相应的应变信号变化，通过调谐衰荡信号过程中获得的应变信号可以量化形成腔镜基于微小姿态‑应变程度的应变规律，利用应变规律结合现有的衰荡信号变化可以形成半自动精密调校工艺，提升人工装校工艺质量和装校效率，可以成为激光衰荡腔自动化装校的基础。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱调测技术领域，具体涉及一种基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置和装校方法。
背景技术
现有技术中，利用激光腔衰荡光谱技术定性、定量测量气体成分与组分含量是利用时间信号作为测量参考的相干光谱测量手段，具有不受光强变化的影响、吸收光程长、精度高、快速灵敏等优点。测量系统包括连续可调谐激光器或脉冲激光器、高精度无源谐振腔、光电探头以及辅助控制系统等。检测过程一般由充气、阈值关断、目标波长吸收、时间信号测量、拟合数据，最终换算得到气体成分与组分含量。无源衰荡腔作为核心器件，其腔内模式特性、结构尺寸稳定性等作为关键特性直接影响系统性能表现。根据激光谐振腔工作原理决定系统测量精度的关键参数是波长稳定性与腔长稳定性(即模式匹配的稳定性)。
通常采用精密结构设计以提高测量精度，包括利用低线膨胀系数材料制造无源谐振腔、利用压电陶瓷作为非可调元件驱动腔镜、利用高倍率放大观察设备做人工精密装校等。但是还会存在挂载可调补偿元件的情况，必须谐振腔保证变形在压电陶瓷变形范围内，通常为微米到亚微米级别。但是受观察视角、装校熟练度、环境干扰以及装调人员个体因素等的影响，想要进一步提升装校精度是非常困难的。近年来，由于人们对灵敏度、量程、测量精度、复合测量等的不断追求，使得直线腔、三镜腔、空间多边形腔等出现对精密装校技术提出了更高的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法和装校装置，解决现有人工装校精密度低缺少客观评估过程的技术问题。
本发明实施例的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，包括：
通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号；
利用所述应变信号形成所述腔镜姿态变化的应变规律；
在装校过程中根据所述应变规律调整腔镜姿态。
本发明一实施例中，所述通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号包括：
按照设计光路布置元件搭建所述激光衰荡腔；
手动调谐所述激光衰荡腔，至观测仪器上出现检测信号完成初步调谐；
在所述激光衰荡腔的腔镜结构上挂载所述应变组件和信号放大组件，通过所述信号放大组件将所述应变组件产生的应变信号传递至所述观测仪器；
通过精密装校装置对腔镜进行精密调谐至所述检测信号最大值，保留所述精密调谐过程中的检测信号变化数据和精密调谐步骤数据。
在所述精密调谐过程中同步采集所述应变信号形成应变信号变化数据。
本发明一实施例中，还包括：
在结束所述精密调谐后撤下所述精密装校装置过程中同步采集所述应变信号，形成量化误差应变信号。
本发明一实施例中，所述利用所述应变信号形成所述腔镜姿态变化的应变规律包括：
根据所述精密调谐步骤数据和所述应变信号变化数据形成所述腔镜的空间姿态-应变信号的有效应变范围；
对所述有效应变范围内数据进行优化，形成与所述腔镜姿态对应的应变规律。
本发明一实施例中，所述在装校过程中根据所述应变规律调整腔镜姿态包括：
挂载刚性腔镜连接架，通过促动装置调节所述所述腔镜姿态；
在调校腔镜姿态过程中利用所述观测仪器获取实时应变信号，调整所述腔镜姿态使实时应变信号趋于对应的所述应变规律。
通过观察检测信号的衰荡时间，检验是否复现精密调谐状态，当与所述精密调谐状态存在区别时根据所述应变规律调节所述腔镜姿态。
当达到所述精密调谐状态时，锁定所述促动装置完成装校。
本发明一实施例中，所述应变组件包括电阻应变片。
本发明实施例的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置，其特征在于，包括：
示波器，用于观测经激光衰荡腔输出的衰荡检测信号、协调程度和应变信号强度；
激光参量监控模块；，用于控制输入所述激光衰荡腔的光源激光器温度；
光学整形及光路控制模块，用于控制激光传输路径，调节光斑尺寸，耦合输入至所述激光衰荡腔；
辅助装调模块，用于对所述激光衰荡腔的腔镜空间姿态进行精细调整；
应变组件，用于采用电阻应变片与所述腔镜刚性适配连接采集腔镜形态变化形成的电阻信号；
信号放大组件，用于放大所述电阻信号并提供传输至示波器的数据链路；
刚性腔镜连接架，用于在装校时按需固定腔镜形态。刚性腔镜连接架包括带有自锁功能的顶丝或其它促动装置。
本发明一实施例中，包括三个所述电阻应变片，所述电阻应变片包括固定端和延伸端，所述电阻应变片的所述固定端固定在所述腔镜的周向边缘，所述电阻应变片沿所述腔镜的径向向外侧延伸，所述电阻应变片的所述延伸端与所述腔镜的调整固定结构适配连接，电阻应变片围绕所述腔镜周向均匀分布。
本发明一实施例中，包括四个所述电阻应变片，所述电阻应变片包括固定端和延伸端，所述电阻应变片的所述固定端固定在所述腔镜的周向边缘，所述电阻应变片沿所述腔镜的径向向外侧延伸，所述电阻应变片的所述延伸端与所述腔镜的调整固定结构适配连接，所述电阻应变片围绕所述腔镜周向以竖本发明一实施例中，所述示波器根据观测功能差别单独设置。
本发明实施例的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法和装校装置通过应变组件记录了高精度调谐过程中腔镜姿态变化相应的应变信号变化，通过调谐衰荡信号过程中获得的应变信号可以量化形成腔镜基于微小姿态-应变程度的应变规律，利用应变规律结合现有的衰荡信号变化可以形成半自动精密调校工艺，提升人工装校工艺质量和装校效率。可以成为激光衰荡腔自动化装校的基础，对装校过程中的腔镜姿态变化做出计算和预判，结合理论计算的优化对比判定装校精度。
附图说明
图1所示为本发明实施例基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法的主要流程图。
图2所示为本发明一实施例基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法的具体流程图。
图3所示为本发明一实施例基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置的主要结构示意图。
图4所示为本发明一实施例基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置中应变电阻片与腔镜的装配结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法如图1所示。在图1中，包括：
步骤100：通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号；
步骤200：利用应变信号形成腔镜姿态变化的应变规律；
步骤300：在装校过程中根据应变规律调整腔镜姿态。
本发明实施例的精密装校方法通过应变组件记录了高精度调谐过程中腔镜姿态变化相应的应变信号变化，通过调谐衰荡信号过程中获得的应变信号可以量化形成腔镜基于微小姿态-应变程度的应变规律，利用应变规律结合现有的衰荡信号变化可以形成半自动精密调校工艺，提升人工装校工艺质量和装校效率。本发明实施例的精密装校方法可以成为激光衰荡腔自动化装校的基础，对装校过程中的腔镜姿态变化做出计算和预判，结合理论计算的优化对比判定装校精度。
本发明一实施例中，精密装校方法如图2所示。在图2中步骤100包括：
步骤110：按照设计光路布置元件搭建激光衰荡腔。
本领域技术人员可以理解，激光衰荡腔具有成熟的形制和结构，根据衰荡腔类型具有成熟的装配结构和装配治具保证衰荡腔可以稳定装配固定。
步骤120：手动调谐激光衰荡腔，至观测仪器上出现检测信号完成初步调谐。
对激光衰荡腔的元件进行手动调谐，通过观测仪器人工观察检测信号判断调谐效果，可以将激光衰荡腔的手动调谐精度接近精密调谐精度。通过手动调谐可以快速将激光衰荡腔装校精度接近最优装校精度的误差范围，提高调校效率。
步骤130：在激光衰荡腔的腔镜结构上挂载应变组件和信号放大组件，通过信号放大组件将应变组件产生的应变信号传递至观测仪器。
腔镜结构包括腔镜和腔镜调整固定结构，应变组件包括确定应变类型的应变传感器和传感器固定结构，通过传感器固定结构与腔镜调整固定结构间的适配连接形成挂载，可以将腔镜调整过程中形成姿态变化的拉力、扭矩、振动、曲率或方向的量化信号传递至应变传感器。
在本发明实施例中，应变传感器优选应变电阻(片)。
信号放大组件与应变传感器输出采用电连接，对输出的模拟信号或数字信号进行必要的调压、滤波和编码后传递至可识别的观测仪器。
在本发明实施例中，针对应变电阻(片)信号放大组件包括非平衡态惠斯通电桥，将应变电阻最为惠斯通电桥的一臂获得准确的电阻值变化，同时对阻值形成放大以体现量化信号细微差别。
步骤140：通过精密装校装置对腔镜进行精密调谐至检测信号最大值，保留精密调谐过程中的检测信号变化数据和精密调谐步骤数据。
本领域技术人员可以理解精密装校装置可以以极小步进单位调整腔镜的空间姿态，空间姿态包括在三维空间中的姿态和腔镜本身的形态。
本发明实施例中采用的是角秒级(手动/电动/压电)调节架。
本领域技术人员可以理解精密调谐过程中角秒级调节架的调谐步骤可以量化和记录。在利用精密装校装置调谐实现检测信号最大值的精密调谐过程中形成的精密调谐步骤数据可以包括步骤和步骤数据。
根据精密调谐过程各步骤的起止可以形成时间轴上对应时间节点的检测特征信号(即特定的检测信号变化数据)。
本领域技术人员可以理解检测信号最大值形成过程中的检测信号与精密调谐步骤和步骤数据在时间轴上存在紧密关联。
步骤150：在精密调谐过程中同步采集应变信号形成应变信号变化数据。
本领域技术人员可以理解检测信号最大值形成过程中的检测信号与应变信号在时间轴上存在紧密关联。
同时，根据精密调谐过程各步骤的起止可以形成时间轴上对应时间节点的应变特征信号(即特定的应变信号变化数据)。
本发明实施例的精密装校方法通过形成初步调谐和精细调谐两阶段对激光衰荡腔进行调谐，形成了调校时间效率和调校精度两方面的优势。利用应变组件的同步采集获得了精细调谐过程中对调校手段的精确物理量量化数据，包括依据时间轴的检测信号变化数据、精密调谐步骤数据、检测特征信号、应变信号变化数据和应变特征信号，保证了后续处理过程中数据类型和数据承载信息的广度和深度。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤100还包括：
步骤160：在结束精密调谐后撤下精密装校装置过程中同步采集应变信号，形成量化误差应变信号。量化误差应变信号可以作为应变信号变化数据的关联数据。
获得检测信号最大值时结束精密调谐。由于存在刚性连接精密装校装置的撤装过程会对精密调谐后的激光衰荡腔有细微状态影响，通过同步采集应变信号可以获得激光衰荡腔稳定状态下与精密调谐结束时状态的误差的量化误差应变信号。可以进一步为后续处理过程中的数据处理提供额外的误差调整量化数据。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤200包括：
步骤210：根据精密调谐步骤数据和应变信号变化数据形成腔镜的空间姿态-应变信号的有效应变范围。
利用精密调谐步骤数据和应变信号变化数据在坐标空间内形成腔镜姿态变化与对应应变信号变化的(矢量)映射关系，通过对映射关系的变化范围和应变传感器的物理量纲有效测量范围的耦合，确定应变传感器的有效应变测量范围和范围内的腔镜姿态变化数据。
步骤220：对有效应变范围内数据进行优化，形成与腔镜姿态对应的应变规律。
对有效应变范围内数据优化包括但不限于：
应变重复数据的过滤；
应变数据的正确性校验；
建立腔镜姿态坐标系，确定腔镜姿态变化-应变程度的拟合曲线，包括曲线零点、截距等特定参数；
根据有效应变范围内数据形成腔镜姿态变化的理论(应变传感器的)应变数值；
利用理论应变数值修正拟合曲线获得确定姿态的确定应变值；
根据确定应变值形成应变规律。应变规律可以以腔镜姿态偏离度-应变信号强度的曲线形式表示。
本发明实施例的精密装校方法通关过数据处理获得应变信号强度与腔镜姿态变化的应变规律，使得腔镜精细调谐过程中的调节手段实现以应变信号强度量化的操作过程，使得重复激光衰荡腔精密装校可以获得准确的量化参考基准。
如图2所示，在本发明一实施例中，步骤300包括：
步骤310：挂载刚性腔镜连接架，通过促动装置调节腔镜姿态。
促动装置包括但不限于自锁螺纹顶丝或其它可调固定元件。
步骤320：在调校腔镜姿态过程中利用观测仪器获取实时应变信号，调整腔镜姿态使实时应变信号趋于对应的应变规律(曲线的对应应变信号强度)。
步骤330：通过观察检测信号的衰荡时间，检验是否复现精密调谐状态，当与精密调谐状态存在区别时根据应变规律调节腔镜姿态。
观察检测信号的衰荡时间使用专用的观测仪器，观测衰荡时间和观测实时应变信号可以同时进行。
步骤340：当达到精密调谐状态时，锁定促动装置完成装校。
达到精密调谐状态包括可以存在可以忽略的装校误差，装校误差至少小于量化误差应变信号强度。
本发明实施例的精密装校方法中利用应变规律可以完成同一类型激光衰荡腔精密装校过程为形成自动化精密装校提供了技术方案解决基础。
本发明实施例的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置如图3 所示。在图3中，包括：
示波器10，用于观测经激光衰荡腔输出的衰荡检测信号、协调程度和应变信号强度。实现基于时间轴的多信号同步观测。
激光参量监控模块20，用于控制输入激光衰荡腔的光源激光器温度。实现对光源横模、纵模等物理参数的稳定控制。
光学整形及光路控制模块30，用于控制激光传输路径，调节光斑尺寸，耦合输入至激光衰荡腔。
辅助装调模块40，用于对腔镜空间姿态进行精细调整。根据精密调谐精度选用角秒级的手动/电动/压电调节架。
应变组件50，用于采用电阻应变片与腔镜刚性适配连接采集腔镜形态变化形成的电阻信号。包括与腔镜刚性连接的适配结构。
信号放大组件60，用于放大电阻信号并提供传输至示波器10的数据链路。包括模/数转换和数据编码电路。
刚性腔镜连接架70，用于在装校时按需固定腔镜形态。刚性腔镜连接架包括带有自锁功能的顶丝或其它促动装置。
本发明一实施例中，应变组件与腔镜的装配结构如图4所示。在图4中，包括电阻应变片51和腔镜81，在图4的A部分装配结构中，包括三个电阻应变片51，电阻应变片51包括固定端和延伸端，电阻应变片51的固定端固定在腔镜81的周向边缘，电阻应变片51沿腔镜81的径向向外侧延伸，电阻应变片51的延伸端与腔镜81的调整固定结构适配连接，电阻应变片 51围绕腔镜81周向均匀分布即以120度均布。
本发明实施例的装配结构保证了电阻应变片51可以有效感应腔镜81平面姿态的变化。
在图4的B部分装配结构中，包括四个电阻应变片51，电阻应变片51 包括固定端和延伸端，电阻应变片51的固定端固定在腔镜81的周向边缘，电阻应变片51沿腔镜81的径向向外侧延伸，电阻应变片51的延伸端与腔镜81的调整固定结构适配连接，电阻应变片51围绕腔镜81周向以竖直和水平位置均匀分布，即以0度、90度、180度、270度均布。
本发明实施例的装配结构保证了电阻应变片51可以有效感应腔镜81转动(水平的电阻应变片51)和俯仰(竖直的电阻应变片51)的姿态变化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，包括：
通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号；
利用所述应变信号形成所述腔镜姿态变化的应变规律；
在装校过程中根据所述应变规律调整腔镜姿态。
2.如权利要求1所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，所述通过应变组件采集精密调谐过程中同步腔镜姿态变化的应变信号包括：
按照设计光路布置元件搭建所述激光衰荡腔；
手动调谐所述激光衰荡腔，至观测仪器上出现检测信号完成初步调谐；
在所述激光衰荡腔的腔镜结构上挂载所述应变组件和信号放大组件，通过所述信号放大组件将所述应变组件产生的应变信号传递至所述观测仪器；
通过精密装校装置对腔镜进行精密调谐至所述检测信号最大值，保留所述精密调谐过程中的检测信号变化数据和精密调谐步骤数据。
在所述精密调谐过程中同步采集所述应变信号形成应变信号变化数据。
3.如权利要求2所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，还包括：
在结束所述精密调谐后撤下所述精密装校装置过程中同步采集所述应变信号，形成量化误差应变信号。
4.如权利要求2所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，所述利用所述应变信号形成所述腔镜姿态变化的应变规律包括：
根据所述精密调谐步骤数据和所述应变信号变化数据形成所述腔镜的空间姿态-应变信号的有效应变范围；
对所述有效应变范围内数据进行优化，形成与所述腔镜姿态对应的应变规律。
5.如权利要求2所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，所述在装校过程中根据所述应变规律调整腔镜姿态包括：
挂载刚性腔镜连接架，通过促动装置调节所述所述腔镜姿态；
在调校腔镜姿态过程中利用所述观测仪器获取实时应变信号，调整所述腔镜姿态使实时应变信号趋于对应的所述应变规律。
通过观察检测信号的衰荡时间，检验是否复现精密调谐状态，当与所述精密调谐状态存在区别时根据所述应变规律调节所述腔镜姿态。
当达到所述精密调谐状态时，锁定所述促动装置完成装校。
6.如权利要求1所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校方法，其特征在于，所述应变组件包括电阻应变片。
7.一种基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置，其特征在于，包括：
示波器，用于观测经激光衰荡腔输出的衰荡检测信号、协调程度和应变信号强度；
激光参量监控模块；，用于控制输入所述激光衰荡腔的光源激光器温度；
光学整形及光路控制模块，用于控制激光传输路径，调节光斑尺寸，耦合输入至所述激光衰荡腔；
辅助装调模块，用于对所述激光衰荡腔的腔镜空间姿态进行精细调整；
应变组件，用于采用电阻应变片与所述腔镜刚性适配连接采集腔镜形态变化形成的电阻信号；
信号放大组件，用于放大所述电阻信号并提供传输至示波器的数据链路；
刚性腔镜连接架，用于在装校时按需固定腔镜形态。刚性腔镜连接架包括带有自锁功能的顶丝或其它促动装置。
8.如权利要求7所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置，其特征在于，包括三个所述电阻应变片，所述电阻应变片包括固定端和延伸端，所述电阻应变片的所述固定端固定在所述腔镜的周向边缘，所述电阻应变片沿所述腔镜的径向向外侧延伸，所述电阻应变片的所述延伸端与所述腔镜的调整固定结构适配连接，电阻应变片围绕所述腔镜周向均匀分布。
9.如权利要求7所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置，其特征在于，包括四个所述电阻应变片，所述电阻应变片包括固定端和延伸端，所述电阻应变片的所述固定端固定在所述腔镜的周向边缘，所述电阻应变片沿所述腔镜的径向向外侧延伸，所述电阻应变片的所述延伸端与所述腔镜的调整固定结构适配连接，所述电阻应变片围绕所述腔镜周向以竖直和水平位置均匀分布。
10.如权利要求7所述的基于应变信号复现的激光衰荡腔精密装校装置，其特征在于，所述示波器根据观测功能差别单独设置。
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