CN114414208B - 一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于激光测量技术领域，具体公开一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，包括：获取无输入条件下能量测量探头的输出信号随时间变化曲线，当输出电压波形起伏小于第一阈值后启动能量测量及校准系统进行校准测量；获取并记录能量测量及校准系统输出的所有波形，基于获取的所有波形计算并表征加载电能或激光的能量；获取光测量过程输出信号达到峰值的时长T1，令电校准过程输出信号达到峰值的时长T2＝T1，对输出信号进行校准处理。通过本申请提供的热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，实现校准和测量线性度性能的提升和稳定。
Description
技术领域
本申请属于激光测量技术领域，具体地说涉及一种热电堆型激光能量测量 及校准系统用校准方法。
背景技术
专利CN201711364164.2中公开了一种用于大型激光装置的能量测量及校准 系统，包括能量测量探头、AD转换模块、小组集中处理模块、能量电校准组件、 主干网络和能量测量及校准控制平台，所述能量测量探头的数据传输接口依次 连接AD转换模块、小组集中处理模块和主干网络，所述能量测量探头的电校准 接口通过能量电校准组件与主干网络连接，所述能量测量及校准控制平台与主 干网络连接。高功率固体激光装置要求完成对激光能量的同发实时精确测量， 其测量特点在于，受限于光路结构设计，能量测量探头必须分布布置在装置的 不同空间位置，即分布式测量；受限于控制系统的架构设计，空间上满足一定 关系的8个光束分为一个小组，实行统一控制，即分组式控制；所有数据、命令 都由集中控制系统统一处理，即数据及命令的集中管控。而出于最终输出能量 的平衡的需求，这些能量计还必须要保证测量过程中的相对精度，出于空间要 求，该能量测量探头无法进行充分的绝热及防潮设计，导致环境温湿度的波动、 探头附近的气流、附近元件的运动及发热都可能影响到测量的精度；另一方面， 探头制作过程中采用的元件、材料、工艺等因素都可能影响到测量精度。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种热电堆型激光 能量测量及校准系统用校准方法。本申请提供如下技术方案：
一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，包括：
获取无输入条件下能量测量探头的输出信号随时间变化曲线，当输出电压 波形起伏小于第一阈值后启动能量测量及校准系统进行校准测量；
获取并记录能量测量及校准系统输出的所有波形，基于获取的所有波形计 算并表征加载电能或激光的能量；
获取光测量过程输出信号达到峰值的时长T1，令电校准过程输出信号达到 峰值的时长T2＝T1，对输出信号进行校准处理。
进一步优选的，所述能量测量及校准系统中能量测量探头采用镍镉合金制 成薄金属膜电阻，所述薄金属膜电阻上设置有齿状回路导线，所述齿状回路导 线的首尾两端同侧引出。
进一步优选的，所述薄金属膜电阻与传感器分体式设置，通过导热胶相对 贴合。
进一步优选的，所述能量测量及校准系统中能量测量探头采用专用吸收体 ZAB00+，光学透过率水平为OD6。
进一步优选的，所述能量测量及校准系统中能量测量探头的传感器采用锑 化铋半导体热电堆与陶瓷聚合传感器。
进一步优选的，所述能量测量及校准系统中AD转换模块在转换过程中采用 高稳定参考电压及24位转换AD，采样率不低于1k。
进一步优选的，获取能量测量探头前表面的空气对流系数，在空气对流系 数小于5W/m2时启动能量测量及校准系统进行校准测量。
进一步优选的，当空气对流系数大于5W/m2时，在探头前表面增加一个透射 系数已知的窗口。
进一步优选的，所述能量测量及校准系统的测量及校准过程均维持在温度 25℃±5℃、湿度小于70％的环境下进行。
进一步优选的，测量前通过不小于待测光斑尺寸的测试光对能量测量探头 进行1-3次测试。
有益效果：
1、通过本申请提供的热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，实现 校准和测量线性度性能的提升和稳定；
2、本申请详细阐述了校准的各个细节操作，以确保校准过程的准确可靠；
3、通过将薄箔回型电阻升级为薄箔齿形电阻，方便导线的引入和引出，具 有更好的均匀性，能有效保证激光能量测量探头的灵敏度；
4、相较于将电阻膜直接镀在传感器上的设计，薄箔齿形电阻直接贴合设计 对工艺要求更低，成本更低；
5、通过将测量过程中电压到达峰值的时间与电校准过程中电压到达峰值的 时间设置相同，保证测量和校准输出的一致性，进一步提升校准精度。
附图说明
图1是本申请一种热电堆型激光能量测量及校准系统结构示意图；
图2是本申请(1)激光能量探头组成、(2)薄箔曲形电阻以及(3)热电 堆结构示意图；
图3是本申请一种热电堆型激光能量测量探头绝热保护安装结构示意图；
图4是本申请输出信号随时间变化曲线图；
图5是本申请无输入条件下探头输出信号随时间变化曲线图；
图6是本申请热电堆型激光能量测量及校准系统最终测量及校准特性图。
附图中：1、激光能量测量探头；2、AD转换模块；3、小组集中处理模块； 4、电校准组件；5、主干网络；6、能量测量及校准控制台；a、吸收体；b、热 匀体；c、薄箔曲形电阻；d、传感器；e、绝热板。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合本申请的附 图，对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本 领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例， 都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如 “上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而 非限制本申请创造。
如图1所示，一种热电堆型激光能量测量及校准系统，包括激光能量测量探 头、AD转换模块、小组集中处理模块、能量电校准组件、主干网络、能量测量 及校准控制平台，能量测量探头的数据传输接口依次连接AD转换模块、小组集 中处理模块和主干网络，能量测量探头的电校准接口通过能量电校准组件与主 干网络连接，能量测量及校准控制平台与主干网络连接。小组集中处理模块设 置为多个，每一个小组集中处理模块连接多个能量测量探头，采用一套能量电 校准组件对多组能量测量探头分时复用，可在不降低校准效率的情况下降低装 置研制总成本。热电堆型激光能量测量及校准系统还设置有数据采集系统、供 电电源模块、通道切换模块、精密电流测量模块及控制软件，数据采集系统将 信号调理、模数转换后通过一定接口上传至上位机，可以完成原始数据的输出 和再处理功能。
能量测量探头的结构如图2所示，包括吸收体、薄电阻膜、热匀体、热电堆、 热沉。吸收体采用相应测量波长的中性暗色玻璃，吸收体通过导热胶与薄电阻 膜、热匀体等粘合，而热匀体传热系数较高的金属铜，并在该热匀体上镀一层 绝缘材料(如硅脂漆)，再通过导热胶将热电堆阵列与热匀体粘合，最后，再利用 导热胶将热电堆阵列与铝材构成的热沉粘合在一起。薄电阻膜选用自带引出导 线的薄箔齿型电阻，其中，薄电阻膜上设置有齿状回路导线，齿状回路导线的 首尾两端同侧引出，导线可将电能直接施加在能量测量探头中，替代激光能量 对能量测量探头进行校准。齿状回路设计可将电能量均匀、线性地施加在激光 能量测量探头，替代激光能量对测量系统进行校准。由于薄箔齿型电阻直接分 布于吸收体之后，传感器之前，相较于电阻丝缠绕探头四周加热的方式，具有 更好的均匀性，且与光测量的方式等效性更强。由于薄箔齿型电阻厚度很小 (d＝0.3mm)，因此其热容量较小，能保证激光能量测量探头的有效灵敏度。相较 于将电阻膜直接镀在传感器上的设计，改方法对工艺要求更低，成本更低。相 较于采用薄箔回形电阻的设计，该齿状回路的曲线设计更方便引脚的引出和导 线的连接。
供电电源模块中具有定时开关及波形编辑能力，可将电能量加载在能量测 量探头中。
精密电流测量模块具有实时测量、远程传输的能力，可实时精确记录加载 过程中电流的量值，换言之，虽然负载电阻为纯阻性元件，仍将电流的实时量 值精确记录并最终采用求和的方式计算能量，用以提高校准的精度。
该系统具有通道切换模块及控制软件，可实现“通道选择—能量加载—能量 测量及计算—响应波形记录—输出信号处理”的协同联动及任意组合，因此，可 实现指定探头的自动校准。
对于光功率密度较小的光束测量，为实现大口径低能量的低功率密度的光 束能量测量，可采用专用吸收体ZAB00+，光学透过率水平为OD6，可减少探头 测量中的比热容和热阻，同时保证光学吸收率。
为保证粘贴的紧密程度及粘贴后的传热效果，采用导热胶对吸收体、薄膜 电阻、热匀体、热电堆及热沉等原件进行粘贴。
为保证测量过程中热能较少地耗散至周围环境，在测量传感器粘合体的四 周，围绕一圈聚四氟乙烯，用于实现测量过程中的绝热，如附图3所示。
为保证传感器的线性度和灵敏度，采用锑化铋半导体热电堆与陶瓷聚合的 方式作为传感器。根据能量计口径选用制冷器TECE-12703或同类型的定制产品， 通过灵敏度和线性度筛选后可作为探头热电堆材料。筛选过程为：检测时，将 绝缘垫放于导热工装之中，再将热电堆放于绝热垫中，将平面镀膜电阻放于绝 热工装之中，通过铰链扣上该工装，在工装之上放置1千克的金属块使其紧密热 接触.利用直流电源分析仪N6705B，根据实际需要来编程，将一个已知脉宽、已 知电压的电脉冲加载在平面镀膜电阻上，同时启动该仪器输出测量功能，对其 输出电能量Eelc完成实时监测；同时，启动转换模块SCXI-1205,将热电堆对该能 量响应进行实时精确监测，记录输出曲线并找到电压变化最大值Umax.利用输出电能量Eelc计算热电堆温度升高ΔT,最终得到热电堆的灵敏度为：S＝Umax/ΔT，通 过改变输出电能量Eelc以及得到不同的Umax得到热电堆的响应线性度。
考虑测量和电校准过程中传热及耗散方式的差别，电加热的脉宽应当充分 考虑探头传热效果，最终使得电校准过程输出信号到达峰值的时间等于光测量 过程到达峰值的时间，如附图4所示，其中T1为激光测量时到达峰值的时间，T2 为电校准时到达峰值的时间，设计电加热时间长度，使T1＝T2。
为防止测量过程的干扰信号及随机信号叠加影响最终测量结果，采取以下 设计措施提高精度：
a)信号转换前，必须经过滤波和调理，防止干扰及随机信号；
b)每次测量过程中的波形都必须被全部获取和保存，而不是采用信号的部分 特征，来完整表征加载的能量相应；
c)转换过程中采用高稳定参考电压及24位转换AD，采样率不低于1k，保证 电压转换过程的精度。
为保证测量过程中耗散的能量够小，应保证测量过程中探头前表面空气对 流系数小于5W/m2，如果测量或校准环境无法保证该条件，则应当在探头前表面 增加一个透射系数已知的窗口，对探头的前表面进行保护。
测量前，应当首先对探头的本底响应进行监测，直至环境波动、探头热平 衡等因素引起的电压起伏满足要求时方可测量，针对不同口径和热容量的探头， 设置电压起伏值要求；根据上一个发次能量测量值的大小，设置足够长的时间 间隔，保证该探头已经回到热平衡状态；为满足该要求，相邻两次测量的时间 必须足够长，该时长根据测量能量而定，换言之，应当让图5中的ΔU/ΔT足够小。
为保证环境温度对测量及校准响应线性度的影响够小，应保证测量、校准 过程都在(25℃±5℃)的环境下开展，保证测量和校准的精度。
为保证环境湿度、探头湿度及洁净性对测量及校准线性度的影响够小，应 保证以下三点：
a)在没有窗口的情况下，测量和校准的环境湿度不应当超过70％；
b)测量前保证探头表面的清洁，保证吸收的均匀性和一致性；
c)测量前，应当采用不小于被测光斑的光对能量测量探头进行1～3发测试， 保证能量测量探头表面无残余水蒸气凝结，保证测量精度。
通过上述处理，该热电堆型激光能量测量及校准系统的灵敏度明显得到提 升，并且能够维持较长时间，如图6所示。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。
以上已将本申请做一详细说明，以上所述，仅为本申请之较佳实施例而已， 当不能限定本申请实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍 属本申请涵盖范围内。
Claims (9)
1.一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，包括：
获取无输入条件下能量测量探头的输出信号随时间变化曲线，当输出电压波形起伏小于第一阈值后启动能量测量及校准系统进行校准测量，能量测量探头采用镍镉合金制成薄金属膜电阻，所述薄金属膜电阻上设置有齿状回路导线，所述齿状回路导线的首尾两端同侧引出；
获取并记录能量测量及校准系统输出的所有波形，基于获取的所有波形计算并表征加载电能或激光的能量；
获取光测量过程输出信号达到峰值的时长T1，令电校准过程输出信号达到峰值的时长T2＝T1，对输出信号进行校准处理。
2.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，所述薄金属膜电阻与传感器分体式设置，通过导热胶相对贴合。
3.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，所述能量测量及校准系统中能量测量探头采用专用吸收体ZAB00+，光学透过率水平为OD6。
4.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，所述能量测量及校准系统中能量测量探头的传感器采用锑化铋半导体热电堆与陶瓷聚合传感器。
5.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，所述能量测量及校准系统中AD转换模块在转换过程中采用高稳定参考电压及24位转换AD，采样率不低于1k。
6.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，获取能量测量探头前表面的空气对流系数，在空气对流系数小于5W/m2时启动能量测量及校准系统进行校准测量。
7.根据权利要求6所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，当空气对流系数大于5W/m2时，在探头前表面增加一个透射系数已知的窗口。
8.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，所述能量测量及校准系统的测量及校准过程均维持在温度25℃±5℃、湿度小于70％的环境下进行。
9.根据权利要求1所述的一种热电堆型激光能量测量及校准系统用校准方法，其特征在于，测量前通过不小于待测光斑尺寸的测试光对能量测量探头进行1-3次测试。
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