CN112082691A - 基于激光等离子体成像的低气压测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光等离子体成像的低气压测量方法及装置，方法中，待测真空腔内设置靶材，脉冲激光透过待测真空腔的窗口烧蚀靶材产生等离子体，在垂直于脉冲激光入射方向上，于脉冲激光发射后的预定时刻后拍摄等离子体图像，基于等离子体图像强度积分生成强度积分值，比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值，所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于羽翼长度获得待测真空腔的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获取待测真空腔的气压值。

Description

基于激光等离子体成像的低气压测量方法及装置

技术领域

本发明属于低压测量技术领域，特别是一种基于激光等离子体成像的低气压测量方法及装置。

背景技术

真空装置广泛应用于工业应用、军事工业、科学研究和深空探测等领域。目前主要的低压探测手段有，波登压力计、麦克劳林压力计、电容压力计、皮拉尼压力计、热阴极电离压力计、冷阴极电离压力计、基于法布里-珀罗折光仪的压力计，基于可调谐半导体激光吸收光谱的压力计。以上所提到的所有测量方式均需要将低压气体导入测量仪器并与之接触，不适合工程上的应用，比如真空灭弧室，内部真空度要求高于10^-2Pa，该设备广泛运用于高压电力系统中，插入的组件会严重影响真空灭弧室内的电场分布，从而导致放电现象，严重损害了真空灭弧室的绝缘能力。随着使用年限的增加和设备的老化，真空灭弧室的内部真空度会逐步降低，真空度的降低会极大削弱真空灭弧室的灭弧能力。现有的低压探测技术很难准确无损地探测真空灭弧室内的剩余气压，因此真空测量领域急需无量规非接触式低压探测技术。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于激光等离子体成像的低气压测量方法及装置，进行方便快捷的无量规非接触式的低压探测。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于激光等离子体成像的低气压测量方法包括以下步骤：

第一步骤中，待测真空腔内设置靶材，脉冲激光透过所述待测真空腔的窗口烧蚀靶材产生等离子体，

第二步骤中，在垂直于脉冲激光入射方向上，于脉冲激光发射后的预定时刻后拍摄所述等离子体图像，

第三步骤中，基于等离子体图像强度积分生成强度积分值，比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值，所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于羽翼长度获得待测真空腔的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获取待测真空腔的气压值。

所述的方法中，第三步骤中，基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值中，气压值和所述等离子体质心到靶材表面距离的关系为线性函数。

所述的方法中，第三步骤中，基于强度积分值获得待测真空腔的气压值中，气压值和所述强度积分值的关系为第一分段线性函数。

所述的方法中，第三步骤中，基于等离子体图像的羽翼长度获取待测真空腔的气压值中，气压值和所述羽翼长度的关系为第二分段线性函数，所述等离子体图像的羽翼为等离子体图像中大于预定亮度值的羽翼状图像部分。

所述的方法中，第三步骤中，所述预定气压为10Pa。

所述的方法中，第三步骤中，等离子体图像出现眼泪形图形时气压值为小于1Pa，当等离子体图像没有出现眼泪形图形则气压值1-10Pa。

根据本发明另一方面，一种基于所述的基于激光等离子体成像的低气压测量方法的测量装置包括，

待测真空腔，其表面设有第一透光窗口和第二透光窗口，

靶材，其设在所述待测真空腔中，且位于第一透光窗口轴线和第二透光窗口轴线的交叉位置，

脉冲激光器，其配置成发射脉冲激光，

平面反射镜，其调节所述脉冲激光的入射方向，

激光控制器，其连接所述脉冲激光器以控制其形成预定参数的脉冲激光，所述脉冲激光经由所述平面反射镜按照预定入射方向透过所述第一透光窗口烧蚀靶材以生成等离子体，

图像拍摄单元，其经由所述第二透光窗口拍摄等离子体图像，

延迟发生器，其连接所述激光控制器和所述图像拍摄单元以控制脉冲激光的产生和等离子体图像拍摄的时序，

数字计算机，其连接所述图像拍摄单元，数字计算机包括，

计算单元，其基于等离子体图像强度积分生成强度积分值、基于等离子体图像计算等离子体质心到靶材表面距离以及等离子体图像的羽翼长度，

测量单元，连接所述计算单元的测量单元比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，

当所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值，

当所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于羽翼长度获得待测真空腔的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获取待测真空腔的气压值。

所述的测量装置中，平面反射镜和第一透光窗口之间设有用于聚焦脉冲激光的第一透镜单元，所述图像拍摄单元和第二透光窗口设有用于第二透镜单元。

所述的测量装置中，图像拍摄单元包括增强CCD相机。

所述的测量装置中，所述数字计算机包括用于优化计算单元计算的大数据自学习单元。

本文中的低气压指的是小于10⁵Pa的气压。

本发明通过激光器产生高能脉冲激光，通过聚焦后的高能脉冲激光烧蚀待测真空腔内的靶材，产生激光诱导等离子体，在高能脉冲发出一定时间间隔后再利用增强CCD相机拍摄所产生的等离子体图像，根据等离子体图像判断待测真空腔气压大致处于高压，中压还是低压范围内，再选择合适的方式来获取待测真空腔气压数值。本发明属于无量规非接触式低压探测技术，无需将低压气体导入测量仪器，可实现无接触式低压探测，实验装置简单，精确度较高，可重复测试，与压强计所测得标称值误差在10％以内。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述说明和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明的基于激光等离子体成像的低气压测量方法的步骤流程图；

图2为本发明根据等离子体图像获取待测真空腔气压值的示意图；

图3为本发明在已知气压值条件下获取作为标尺的图像实例的示意图；

图4为本发明为根据等离子体图像获取待测真空腔气压值实例的示意图，黑实线、紫虚线和红实线分别表示羽翼长度、等离子体强度积分和等离子体质心到靶材表面距离三种方式；

图5(a)至图5(b)为本发明实例测试结果示意图；

图6为本发明的基于激光等离子体成像的低气压测量方法的测量装置的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，基于激光等离子体成像的低气压测量方法包括，

第一步骤中，待测真空腔8内设置靶材11，脉冲激光透过所述待测真空腔8的窗口烧蚀靶材11产生等离子体，

第二步骤中，在垂直于脉冲激光入射方向上，于脉冲激光发射后的预定时刻后拍摄所述等离子体图像，

第三步骤中，基于等离子体图像强度积分生成强度积分值，比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材11表面距离获得待测真空腔8的气压值，所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于等离子体图像的羽翼长度获取待测真空腔8的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获得待测真空腔8的气压值。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，基于所述等离子体质心到靶材11表面距离获得待测真空腔8的气压值中，气压值和所述等离子体质心到靶材11表面距离的关系为线性函数。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，基于强度积分值获得待测真空腔8的气压值中，气压值和所述强度积分值的关系为第一分段线性函数。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，基于等离子体图像的羽翼长度获取待测真空腔8的气压值中，气压值和所述羽翼长度的关系为第二分段线性函数，所述等离子体图像的羽翼为等离子体图像中大于预定亮度值的羽翼状图像部分。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，所述预定气压为10Pa。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，等离子体图像出现眼泪形图形时气压值为小于1Pa，当等离子体图像没有出现眼泪形图形则气压值1-10Pa。

所述的方法的优选实施方式中，预定时刻为600ns。

在一个实施例中，方法包括，

第一步：等离子体图像的获取。脉冲激光器2产生的脉冲激光经过平面镜折射后被一块平面凸透镜聚焦，然后透过待测真空腔8的高透光窗口聚焦在待测真空腔8的靶材11上，高能脉冲激光烧蚀靶材11产生等离子体。在垂直于入射脉冲激光的方向上的增强CCD相机通过一个平面凸透镜，透过真空腔的高透光窗口在脉冲激光发出后的一段时间间隔后拍摄等离子体图像。增强CCD相机与数字计算机5相连，增强CCD相机拍摄到的等离子体图像直接在数字计算机5上进行处理。

第二步：从等离子体图像中获取压强值。如图2所示。步骤如下：步骤1.将获取的等离子体图像进行强度积分，获得强度积分值；

步骤2.将得到的强度积分值与气压为10Pa时的强度积分值进行比对；如果小于10Pa时的强度积分值，说明气压值小于10Pa，进行步骤3；如果大于10Pa时的强度积分值，说明气压值大于10Pa，进行步骤6；

步骤3.气压低于10Pa时，判断等离子体图像是否出现眼泪形；如果是，说明气压低于1Pa，进行步骤4；如果否，说明气压高于1Pa，进行步骤5；

步骤4.气压低于1Pa，此时利用等离子体羽翼长度作为依据获取待测真空腔8气压值；

步骤5.气压高于1Pa，低于10Pa时，此时利用等离子体积分强度作为依据获取待测真空腔8气压值；

步骤6.气压高于10Pa时，此时利用等离子体质心到靶材11表面距离作为依据获取待测真空腔8气压值。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，本实例包括两部分，第一部分获取图像标尺；第二部分，在不同已知气压值条件下，根据本发明获取待测气压值，并与标称值进行对比验证。

第一部分：

首先获取气压值在10^-2Pa到10⁵Pa，步长为一个数量级，增强CCD在脉冲激光器2发射脉冲激光600ns后拍摄，曝光时间为100ns条件下所拍摄的等离子图像如图3，每个压强值等离子体图像拍摄三次，可以看出每个压强值下的三次等离子体图像形状、强度和等离子体质心位置都十分相似，各个压强值条件下等离子体质心位置和等离子体积分强度的最大标准差分别在6.5％和5％，说明本发明基于激光等离子体成像技术的低气压测量方法具有很强的鲁棒性。

利用上述所得的等离子体图像作为获取待测真空腔8压强值的标尺。在本发明中，获取低气压中的高压(气压高于10Pa低于10⁵Pa)范围气压值的依据是等离子体质心到靶材11表面的距离。根据我们在已知气压环境下所拍摄得到的图像可以知道，当气压从10⁵Pa到10Pa时，距离从0.3mm增加到4.5mm距离的变化几乎是线性的，如图4红色实线。

从已知气压下获得的图像我们可以看出来，获取中压(气压高于1Pa低于10Pa)范围气压值的方式是等离子体积分强度。此时，为了获取压强与积分强度的关系增加一个5Pa时的等离子体图像，根据我们在已知气压环境下所拍摄得到的图像可以知道，当气压从1Pa增加到10Pa时，积分强度从0.8x10⁷增加到4.5x10⁷，如图4紫色虚线。

获取低压(气压低于1Pa)范围气压值的判据是羽翼长度，如图4黑色实线部分。当气压值从1Pa降低到10^-2Pa时，羽翼长度从4.3mm增加到6.8mm，标准偏差低于1.5％。

第二部分：

分别在气压值为5x10³Pa，5x10²Pa，5x10¹Pa，7Pa，3Pa，5x10^-1Pa，5x10^-2Pa条件下利用本发明获取待测气压值。精确度计算公式如下：

其中

n分别表示利用本发明所获得的气压值，热离子组合气压计所测得的气压值，测量次数。

分别利用三种方式，等离子体质心到靶材11表面的距离，等离子体积分强度和等离子体羽翼长度获取高于10Pa压强值，1Pa-10Pa压强值和低于1Pa压强值。结果如下图5(a)至图5(b)，图5(a)的横坐标表示由热离子组合气压计所测得的气压值，纵坐标表示由本发明所测得的气压值，可以看到所有数据点几乎处于与横坐标成45°的直线上，说明本发明装置与热离子组合气压计符合度高。图5(b)是利用上式计算得到的精确度，误差棒表示5次测量结果的波动，可以看出在整个10^-2Pa-10⁵Pa气压范围内，偏压并未显示出很强的规则性，但是平均准确度大致在10％内。

如图6所示，一种所述的基于激光等离子体成像的低气压测量方法的测量装置包括，

待测真空腔8，其表面设有第一透光窗口91和第二透光窗口92，

靶材11，其设在所述待测真空腔8中，且位于第一透光窗口91轴线和第二透光窗口92轴线的交叉位置，

脉冲激光器2，其配置成发射脉冲激光，

平面反射镜1，其调节所述脉冲激光的入射方向，

激光控制器3，其连接所述脉冲激光器2以控制其形成预定参数的脉冲激光，所述脉冲激光经由所述平面反射镜1按照预定入射方向透过所述第一透光窗口91烧蚀靶材11以生成等离子体10，

图像拍摄单元6，其经由所述第二透光窗口92拍摄等离子体图像，

延迟发生器4，其连接所述激光控制器3和所述图像拍摄单元6以控制脉冲激光的产生和等离子体图像拍摄的时序，

数字计算机5，其连接所述图像拍摄单元6，数字计算机5包括，

计算单元，其基于等离子体图像强度积分生成强度积分值、基于等离子体图像计算等离子体质心到靶材11表面距离以及等离子体图像的羽翼长度，

测量单元，连接所述计算单元的测量单元比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，

当所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材11表面距离获得待测真空腔8的气压值，

当所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于等离子体图像的羽翼长度获取待测真空腔8的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获得待测真空腔8的气压值。

所述的测量装置的优选实施例中，平面反射镜1和第一透光窗口91之间设有用于聚焦脉冲激光的第一透镜单元71，所述图像拍摄单元6和第二透光窗口92设有用于第二透镜单元72。

所述的测量装置的优选实施例中，图像拍摄单元6包括增强CCD相机。

所述的测量装置的优选实施例中，所述数字计算机5包括用于优化计算单元计算的大数据自学习单元。

所述的测量装置的优选实施例中，测量装置包括平面反射镜1、激光器、激光控制器3、延迟发生器4、数字计算机5、增强CCD相机、平凸透镜，平面反射镜1折射脉冲激光并使脉冲激光入射待测真空腔8。

所述的测量装置的优选实施例中，激光器用以产生高能脉冲激光，烧蚀待测真空腔8内靶材11产生等离子体，所述的激光控制器3用于控制高能脉冲激光的产生。

所述的测量装置的优选实施例中，所述的延迟发生器4控制脉冲激光的发生跟等离子体图像采集的时序跟间隔；

所述的测量装置的优选实施例中，所述的数字计算机5存储并处理增强CCD相机所采集到的等离子体图像。

所述的测量装置的优选实施例中，所述的增强CCD相机通过聚焦透镜和待测真空腔8的高透光窗口拍摄脉冲激光烧蚀靶材11产生的等离子体图像并实时发送至数字计算机5。

所述的测量装置的优选实施例中，第一和第二透镜单元72包括平凸透镜，分别用于聚焦高能脉冲激光，提高脉冲激光能量密度，增强等离子体产生效果，和增强CCD相机聚焦拍摄等离子体图像。

所述的测量装置的优选实施例中，延迟发生器4用于控制脉冲激光的产生和等离子体图像获取的时序。脉冲激光器2发出的脉冲激光经过平面镜1反射后，再利用平面凸透镜聚焦经过高透光窗口91聚焦在在待测真空腔8内的靶材11表面，聚焦后的脉冲激光烧蚀靶材11产生等离子体10；在脉冲激光器2产生脉冲激光一定时间间隔后延迟发生4控制增强CCD相机6拍摄等离子体图像。等离子体图像经过高透光窗口并被平面凸透镜所聚焦，由增强CCD相机拍摄得到。增强CCD相机拍摄得到的等离子体图像直接传输到数字计算机上进行分析处理。

本发明具有装置简单、可重复性高、精度较高、成本低、非接触式无量规探测、无需破坏原待测真空环境、便于工程应用等优点。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于激光等离子体成像的低气压测量方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤中，待测真空腔内设置靶材，脉冲激光透过所述待测真空腔的窗口烧蚀靶材产生等离子体，

第二步骤中，在垂直于脉冲激光入射方向上，于脉冲激光发射后的预定时刻后拍摄所述等离子体图像，

第三步骤中，基于等离子体图像强度积分生成强度积分值，比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值，所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于羽翼长度获得待测真空腔的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获取待测真空腔的气压值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第三步骤中，基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值中，气压值和所述等离子体质心到靶材表面距离的关系为线性函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，基于强度积分值获得待测真空腔的气压值中，气压值和所述强度积分值的关系为第一分段线性函数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，基于等离子体图像的羽翼长度获取待测真空腔的气压值中，气压值和所述羽翼长度的关系为第二分段线性函数，所述等离子体图像的羽翼为等离子体图像中大于预定亮度值的羽翼状图像部分。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，所述预定气压为10Pa。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，等离子体图像出现眼泪形图形时气压值为小于1Pa，当等离子体图像没有出现眼泪形图形则气压值1-10Pa。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的基于激光等离子体成像的低气压测量方法的测量装置，其包括，

待测真空腔，其表面设有第一透光窗口和第二透光窗口，

靶材，其设在所述待测真空腔中，且位于第一透光窗口轴线和第二透光窗口轴线的交叉位置，

脉冲激光器，其配置成发射脉冲激光，

平面反射镜，其调节所述脉冲激光的入射方向，

激光控制器，其连接所述脉冲激光器以控制其形成预定参数的脉冲激光，所述脉冲激光经由所述平面反射镜按照预定入射方向透过所述第一透光窗口烧蚀靶材以生成等离子体，

图像拍摄单元，其经由所述第二透光窗口拍摄等离子体图像，

延迟发生器，其连接所述激光控制器和所述图像拍摄单元以控制脉冲激光的产生和等离子体图像拍摄的时序，

数字计算机，其连接所述图像拍摄单元，数字计算机包括，

计算单元，其基于等离子体图像强度积分生成强度积分值、基于等离子体图像计算等离子体质心到靶材表面距离以及等离子体图像的羽翼长度，

测量单元，连接所述计算单元的测量单元比较所述强度积分值和预定气压下等离子体图像强度的第一强度积分值，

当所述强度积分值大于所述第一强度积分值，则基于所述等离子体质心到靶材表面距离获得待测真空腔的气压值，

当所述强度积分值小于所述第一强度积分值，当等离子体图像出现眼泪形图形，则基于羽翼长度获得待测真空腔的气压值，当等离子体图像没有出现眼泪形图形，则基于强度积分值获取待测真空腔的气压值。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，平面反射镜和第一透光窗口之间设有用于聚焦脉冲激光的第一透镜单元，所述图像拍摄单元和第二透光窗口设有用于拍摄等离子体图像第二透镜单元。

9.根据权利要求7所述的测量装置，其中，图像拍摄单元包括增强CCD相机。

10.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述数字计算机包括用于优化计算单元计算的大数据自学习单元。

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