CN117096708A - 激光器异常放电的监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种激光器异常放电的监测方法，应用于激光技术领域。该激光器设有放电腔，放电腔内部设有主放电电极，主放电电极两侧设有预电离单元，该监测方法包括：在放电腔内部的主放电电极和预电离单元的外侧，放置至少三个探测器；利用至少三个探测器获取主放电电极与预电离单元放电时产生的光信号；基于该光信号，监测激光器是否存在放电异常的情况。本公开基于异常弧光放电和正常辉光放电的光信号差异，采用多个探测器等感光元件对放电工作状态实现监测，且通过多个探测器之间接收的光信号延时来实现对激光器放电工作故障的定位，具有灵敏度高，定位准确的优势。本公开还提供了一种激光器异常放电的监测装置。

Description

激光器异常放电的监测方法及装置

技术领域

本公开涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光器异常放电的监测方法及装置。

背景技术

横向激励大气压CO₂激光器(TEA CO₂激光器)是常见的脉冲气体激光器，具有高峰值功率、窄脉冲宽度等优点，被广泛应用于遥感探测、激光加工等领域。

TEA CO₂激光器是以均匀辉光放电作为工作基础，因此放电状态直接影响能量的注入过程和工作气体的泵浦过程，从而影响激光脉冲的输出稳定性。一台实际的TEA CO₂激光器的放电状态一般包含如下四种，分别是：预电离装置和主电极均未放电、仅预电离装置放电、预电离放电而主电极放电起弧以及预电离放电且主电极辉光放电正常。弧光放电相比辉光放电是一个更大电流的振荡泄放过程，对设备的电气线路可能造成损伤，以及在主放电区的电极或者预电离装置等位置留下烧蚀点，缩短了器件的使用寿命。

现有的监测放电的方法，除了在放电腔体上设置观察窗粗略判断放电工作状态，还有通过环绕高压馈入线缆设置感应线圈，通过监测放电工作时感应线圈内的电流的变化来判断是否出现放电异常，若电流峰值异常升高且出现大幅度振荡，说明激光器起弧严重，此时通过反馈机制对高压电源完成切断，以实现对设备安全的保护。然而弧光放电可能存在于主放电电极之间，也有可能存在于腔内高压绝缘装置被击穿、局部高压对地泄放等特殊位置。因此，现有的这两种方法只能确定弧光放电的产生，但对弧光放电的位置难以准确定位，对于辉光放电伴随局部弧光这类临界不稳定的放电状态，也难以准确有效地实施评估。且观察法无法自动快速响应，仅适用于试验及调试阶段。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种激光器异常放电的监测方法及装置，以解决现有观察法无法快速响应、临界状态无法准确评估以及无法准确定位异常弧光放电的位置的问题。

本公开的第一方面提供了一种激光器异常放电的监测方法，所述激光器设有放电腔，所述放电腔内部设有主放电电极，所述主放电电极两侧设有预电离单元，所述监测方法包括：

在所述放电腔内部的所述主放电电极和所述预电离单元的外侧，放置至少三个探测器；

利用所述至少三个探测器获取所述主放电电极与所述预电离单元放电时产生的光信号；

基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况。

根据本公开的实施例，所述基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况包括：

对所述光信号进行采样；

对采样得到的所述光信号进行处理，得到所述光信号的幅值；

将所述光信号的幅值与预设阈值进行比对，若所述光信号的幅值小于等于预设阈值，确认所述激光器正常放电。

根据本公开的实施例，所述监测方法还包括：

若所述光信号的幅值大于预设阈值，确认所述激光器异常放电；

切断所述主放电电极和所述预电离单元的供电。

根据本公开的实施例，当所述激光器异常放电时，产生的光信号为弧光信号，所述监测方法还包括：

分别获取所述弧光信号到达所述至少三个探测器的时间；

基于所述时间，分别获得所述弧光信号到达所述至少三个探测器之间的距离差值；

基于所述距离差值，确定至少两条所述弧光信号的位置曲线；

基于所述位置曲线，确定所述激光器发生异常放电的位置。

根据本公开的实施例，所述激光器发生异常放电的位置为所述位置曲线的交点。

根据本公开的实施例，所述探测器的类型为光敏元件，所述探测器至少包括光电探测器。

根据本公开的实施例，所述至少三个探测器与所述主放电电极、所述预电离单元均设置于同一水平高度上。

本公开的第二方面提供了一种激光器异常放电的监测装置，所述激光器设有放电腔，所述放电腔内部设有主放电电极，所述主放电电极两侧设有预电离单元，所述监测装置包括：

至少三个探测器，用于获取所述主放电电极与所述预电离单元放电时产生的光信号，所述至少三个探测器，设置于所述激光器放电腔内部的所述主放电电极和所述预电离单元的外侧；

监测模块，用于基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况。

根据本公开的实施例，所述监测模块还包括：

信号采集单元，用于对所述光信号进行采样，所述信号采集单元与所述至少三个探测器连接，设置于所述激光器放电腔外部或所述激光器放电腔内部；

信号处理单元，用于对采样得到的所述光信号进行处理，得到所述光信号的幅值，以及，将所述光信号的幅值与预设阈值进行比对，若所述光信号的幅值小于等于预设阈值，确认所述激光器正常放电，所述信号处理单元与所述信号采集单元连接，设置于所述激光器放电腔外部。

根据本公开的实施例，所述监测模块，还包括：

高压脉冲单元，用于当监测到所述激光器放电异常时，切断所述主放电电极和所述预电离单元的供电，所述高压脉冲单元与所述信号处理单元连接，设置于所述激光器放电腔外部。

本公开基于异常弧光放电和正常辉光放电的光信号差异，采用多个探测器等感光元件对放电工作状态实现监测，且通过多个探测器之间接收的光信号延时来实现对激光器放电工作故障的定位，具有灵敏度高，定位准确的优势。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种激光器异常放电的监测方法的方法流程示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的单个探测器探测预电离放电、辉光放电、弧光放电的原理示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的多个探测器定位异常弧光放电位置的原理示意图；以及

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种激光器异常放电的监测装置中的探测器布局俯视示意图。

附图标记说明：

1-预电离单元放电的光信号；2-主放电电极正常辉光放电的光信号；3-主放电电极异常弧光放电的光信号；4-探测器；5-第一放电区域；6-第二放电区域；7-信号采集单元；8-信号处理单元；9-高压脉冲单元。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开实施例的一种激光器异常放电的监测方法的方法流程示意图，该激光器设有放电腔，该放电腔内部设有主放电电极，该主放电电极两侧设有预电离单元，该监测方法包括步骤S1-S3。

在步骤S1，在该放电腔内部的该主放电电极和预电离单元的外侧，放置至少三个探测器。

在步骤S2，利用该至少三个探测器，获取该主放电电极与预电离单元放电时产生的光信号。

在步骤S3，基于该光信号，监测激光器是否存在放电异常的情况。

在本公开中，由于辉光放电是将储能电容存储的能量通过均匀的电场进行泄放，弧光放电则是更大电流的点对点泄放，因此弧光放电相比辉光放电具有更短的泄放时间和数倍甚至更高的光信号幅度，因此，本公开基于异常弧光放电和正常辉光放电的光信号差异，通过至少三个探测器等感光元件对放电工作状态实现监测。

在本公开的一些实施例中，该基于光信号，监测激光器是否存在放电异常的情况包括：

对该光信号进行采样；

对采样得到的光信号进行处理，得到光信号的幅值；

将光信号的幅值与预设阈值进行比对，若光信号的幅值小于等于预设阈值，确认激光器正常放电。

在本公开中，由于异常弧光放电时光信号的幅值远大于正常辉光放电时光信号的幅值，因此，本公开以略大于主放电电极正常辉光放电时的光信号的幅值为阈值，当光信号的幅值小于等于预设阈值时，确认激光器正常放电。

在本公开的一些实施例中，该监测方法还包括：

若光信号的幅值大于预设阈值，确认激光器异常放电；

切断主放电电极和预电离单元的供电。

在本公开的一些实施例中，当激光器异常放电时，产生的光信号为弧光信号，该监测方法还包括：

分别获取该弧光信号到达至少三个探测器的时间；

基于该时间，分别获得弧光信号到达至少三个探测器之间的距离差值；

基于距离差值，确定至少两条弧光信号的位置曲线；

基于位置曲线，确定激光器发生异常放电的位置。

本公开中，当光信号的幅值大于预设阈值时，确认激光器存在放电异常的情况，因此通过切断电源的方式对激光器进行保护，同时，根据异常放电时弧光信号到达不同探测器的不同时间，计算出激光器发生异常放电的位置，以实现激光器异常放电位置的准确定位。

在本公开的一些实施例中，激光器发生异常放电的位置为位置曲线的交点。

在本公开的一些实施例中，探测器的类型为光敏元件，探测器至少包括光电探测器。

在本公开的一些实施例中，至少三个探测器与主放电电极、预电离单元均设置于同一水平高度上。

图2示意性示出了根据本公开实施例的单个探测器探测预电离放电、辉光放电、弧光放电的原理示意图。

以单个探测器为例，当激光器正常辉光放电工作时，探测器应间隔数个μs先后探测到两个光信号，分别是预电离单元放电的光信号和主放电电极放电的光信号，如图2所示，1为预电离单元放电的光信号，2为主放电电极正常辉光放电的光信号，3是主放电电极异常弧光放电的光信号。3相比2有更高的幅值和更窄的宽度。因此，设定略高于主放电电极正常辉光放电时光信号的幅值为判定产生弧光的阈值，当任一探测器探测到光信号的幅值陡然增大，宽度变小，超过了该阈值，即确定激光器有异常弧光放电产生。

图3示意性示出了根据本公开实施例的多个探测器定位异常弧光放电位置的原理示意图。

如图3所示，以设置4个探测器为例，当激光器异常弧光放电时，由于弧光放电是点对点放电，激光器异常放电位置与这四个探测器的距离各不相同，因此各探测器采集到的弧光信号的上升沿或尖峰有一定的延时，利用该延时就可以推断弧光信号产生的时间。假设这4个探测器分别检测到弧光信号的时刻为t₁、t₂、t₃和t₄，且t₁＜t₂＜t₃＜t₄，因此可推断弧光信号分别到达左上探测器和右上探测器的距离差为(t₂-t₁)×c，c为光速，由此可计算得出满足该距离差的弧光点位置曲线，该位置曲线即为图3中所示的实线轨迹，同理可知，弧光信号分别到达左下探测器和左上探测器的距离差为(t₃-t₁)×c，可计算得出满足该距离差的弧光点位置曲线，即为图3中所示的虚线轨迹；弧光信号分别到达右下探测器与左上探测器的距离差为(t₄-t₁)×c，满足该距离差的弧光点位置曲线对应为图3中所示的点线轨迹，三条位置曲线的交点即为激光器发生弧光放电的位置。

本公开基于弧光放电和辉光放电的光信号差异，采用感光元件探测器对放电工作状态实现监测，灵敏度高。同时利用多个探测器之间接收的光信号延时，确定弧光信号到不同探测器的距离差，利用轨迹交叉确定弧光的位置，实现了对激光器放电工作故障的准确定位，除可判定并定位主电极放电产生的弧光，对于预电离放电和主放电未产生的特殊情形、高压对地提前泄放击穿产生弧光的特殊情形、辉光放电伴随局部弱弧光的特殊情形等，亦能够通过光信号的特征和各探测器接收的信号延时，予以判定工作异常状态或对弧光位置进行定位。相比用感应电流等间接监测放电状态的现有方法更丰富灵活，准确性更高。

基于上述监测方法，本公开还提供了一种激光器异常放电的监测装置，该激光器设有放电腔，该放电腔内部设有主放电电极，该主放电电极两侧设有预电离单元。该监测装置包括：

至少三个探测器，用于获取主放电电极与预电离单元放电时产生的光信号，该至少三个探测器，设置于激光器放电腔内部的主放电电极和预电离单元的外侧；

监测模块，用于基于该光信号，监测激光器是否存在放电异常的情况。

在本公开的一些实施例中，监测模块还包括：

信号采集单元，用于对光信号进行采样，信号采集单元与至少三个探测器连接，设置于激光器放电腔外部或激光器放电腔内部；

信号处理单元，用于对采样得到的光信号进行处理，得到光信号的幅值，以及，将光信号的幅值与预设阈值进行比对，若光信号的幅值小于等于预设阈值，确认激光器正常放电，信号处理单元与信号采集单元连接，设置于激光器放电腔外部。

在本公开的一些实施例中，该监测模块还包括：高压脉冲单元，用于当监测到激光器放电异常时，切断主放电电极和预电离单元的供电，高压脉冲单元与信号处理单元连接，设置于激光器放电腔外部。

以下将结合图4对该监测装置进行详细描述。

图4示意性示出了根据本公开实施例的一种激光器异常放电的监测装置的俯视示意图。

如图4所示，在本实施例中，探测器采用光电二极管探测器，虚线区域代表激光器放电腔内部，主放电电极放电过程中产生第一放电区域5，预电离单元放电过程中产生第二放电区域6，激光器放电腔腔内设置了4个探测器4，这4个探测器4均设置于主放电电极和预电离单元的外侧，可接收来自第一放电区域5和第二放电区域6产生的光信号。探测器探测到光信号后将光信号传输至激光器放电腔腔外，由信号采集单元7采样，再输送到信号处理单元8。信息处理单元8通过分析采集的光信号波形的幅值、延时等信息，当监测到起弧等非正常放电状态时，及时控制高压脉冲单元9切断放电区域5和6的高压供电，以免对激光器造成更大的损害。

需要说明的是，在满足探测器处于主放电电极和预电离单元的外侧，且与主放电电极和预电离单元处于同一水平高度时，不论探测器怎样分布，探测器均可接收到来自主放电电极和预电离单元放电产生的全部光信号，因此探测器可以如图4所示分散于主放电电极和预电离单元的外侧的四角，也可以同时放置于主放电电极和预电离单元的外侧的任意一侧，或分布放置于主放电电极和预电离单元的外侧的任意位置，本公开对探测器的分布不做限制。同样的，只要信号采集单元可对探测器传输的光信号进行采样，信号采集单元可任意设置于激光器放电腔内部或激光器放电腔外部，本公开对此也不做限制。

根据本公开的实施例，信号采集单元7和信号处理单元8和高压脉冲单元9中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。

根据本公开的实施例，信号采集单元7和信号处理单元8和高压脉冲单元9中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器异常放电的监测方法，其特征在于，所述激光器设有放电腔，所述放电腔内部设有主放电电极，所述主放电电极两侧设有预电离单元，所述监测方法包括：

在所述放电腔内部的所述主放电电极和所述预电离单元的外侧，放置至少三个探测器；

利用所述至少三个探测器获取所述主放电电极与所述预电离单元放电时产生的光信号；

基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况包括：

对所述光信号进行采样；

对采样得到的所述光信号进行处理，得到所述光信号的幅值；

将所述光信号的幅值与预设阈值进行比对，若所述光信号的幅值小于等于预设阈值，确认所述激光器正常放电。

3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括：

若所述光信号的幅值大于预设阈值，确认所述激光器异常放电；

切断所述主放电电极和所述预电离单元的供电。

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，当所述激光器异常放电时，产生的光信号为弧光信号，所述监测方法还包括：

分别获取所述弧光信号到达所述至少三个探测器的时间；

基于所述时间，分别获得所述弧光信号到达所述至少三个探测器之间的距离差值；

基于所述距离差值，确定至少两条所述弧光信号的位置曲线；

基于所述位置曲线，确定所述激光器发生异常放电的位置。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述激光器发生异常放电的位置为所述位置曲线的交点。

6.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述探测器的类型为光敏元件，所述探测器至少包括光电探测器。

7.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述至少三个探测器与所述主放电电极、所述预电离单元均设置于同一水平高度上。

8.一种激光器异常放电的监测装置，其特征在于，所述激光器设有放电腔，所述放电腔内部设有主放电电极，所述主放电电极两侧设有预电离单元，所述监测装置包括：

至少三个探测器，用于获取所述主放电电极与所述预电离单元放电时产生的光信号，所述至少三个探测器，设置于所述激光器放电腔内部的所述主放电电极和所述预电离单元的外侧；

监测模块，用于基于所述光信号，监测所述激光器是否存在放电异常的情况。

9.根据权利要求8所述的监测装置，其特征在于，所述监测模块还包括：

信号采集单元，用于对所述光信号进行采样，所述信号采集单元与所述至少三个探测器连接，设置于所述激光器放电腔外部或所述激光器放电腔内部；

信号处理单元，用于对采样得到的所述光信号进行处理，得到所述光信号的幅值，以及，将所述光信号的幅值与预设阈值进行比对，若所述光信号的幅值小于等于预设阈值，确认所述激光器正常放电，所述信号处理单元与所述信号采集单元连接，设置于所述激光器放电腔外部。

10.根据权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述监测模块还包括：

高压脉冲单元，用于当监测到所述激光器放电异常时，切断所述主放电电极和所述预电离单元的供电，所述高压脉冲单元与所述信号处理单元连接，设置于所述激光器放电腔外部。