CN1532530A - 用绝对辐射计快速测量光功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用绝对辐射计快速测量光功率的方法：在接收器件上加低、高电功率P_L、P_H，温度传感器的电压输出值为T_L和T_H；求出响应度S和时间常数τ；一直维持加高电功率P_H，使输出维持在T_H；光辐射功率P_s进入，停止加高电功率P_H，由输出下降阶段前几秒的任意时刻t_j和t_j+1的输出值T(t_j)、T(t_j+1)，计算维持输出值为T_H时所需加电功率P_e1，t_j+1时刻加电功率Pe₁；利用响应度S计算维持输出值为T_H′时所需加电功率P_e2，热平衡时输出值为T_e2，计算入射的光功率P_s。本发明使接收器件的温度维持在同一温度上下小幅波动，能够很快达到平衡，缩短测量周期，提高测量精度。可用于光辐射测量，尤其适用于对动态变化的太阳辐照度进行测量。

Description

用绝对辐射计快速测量光功率的方法

技术领域：本发明涉及光学辐射能量计量技术领域，涉及采用电功率加热进行光功率测量方法的改进。

背景技术：对光功率进行测量时，一般是采用绝对辐射计对光功率进行测量。绝对辐射计的基本物理原理：是在它的接收器件上设置电阻丝，当对绝对辐射计加入射光时，使接收器件接收入射的光辐射Po(观测阶段)，经一段时间(t＞10τ)接收器件升温到最大值，接收器件与热沉达到热平衡，温度传感器电压输出To并由数据采集系统记录；然后关闭快门(电定标阶段)，调整在接收器件的电阻丝上所加电压V，再经与观测阶段相同的时间(t＞10τ)，使接收器件与热沉达到热平衡，接收器件的温度平衡在同观测阶段的最大升温值相同的温度，即接收器件的温度传感器电压输出Te＝To，使(观测阶段)入射的光辐射功率Po和(电定标阶段)电阻丝上所加电功率Pe等效。

$P_o=P_e=\frac{V^2}{R}\·\·\·\·\·\left(1\right)$

设接收器件入射的光辐射功率Po或电功率为Pe时，接收器件的温度传感器的输出电压值T(t)随时间变化的热力学微分方程为

解方程(2)求得

$T\left(t\right)=T_o(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式中T_o＝P_o/K

C-接收器件的热容量，

K-接收器件与绝对辐射计热沉之间的热传导系数，

τ＝C/K定义为绝对辐射计的时间常数。

从绝对辐射计接收入射的光辐射或进行电加热的时刻t＝0开始，接收器件的温度逐步升高，理论上讲只有当t→∞时，接收器件才升温到最大恒定值，接收器与热沉达到热平衡，接收器件的温度传感器的电压输出值稳定在To。当时间经过t＝τ＝C/K时，接收器件温度传感器电压输出值T(τ)＝0.63To，即达到最大电压输出值To的63％。当时间经过t＝10τ时，T(10τ)＝0.99995To，这时可以认为接收器件温度传感器电压输出值达到热平衡的最大电压输出值To。一般精度高的绝对辐射计的时间常数(τ)都比较长，达到数秒至数十秒，测量入射的光辐射功率时，使接收器件升温，经一定时间(＞10τ)，接收器与热沉达到热平衡(观测阶段)；然后绝对辐射计的快门关闭，挡住入射的光辐射，电加热使接收器件升温，经一定时间(＞10τ)，接收器与热沉达到热平衡(电定标阶段)，上述两个阶段为一个测量周期，大约需要20τ左右，这样测量一次需要数分钟，甚至十几分钟。

详细内容：由于背景技术采用绝对辐射计进行测量，绝对辐射计的接收器对光信息有一定的反应过程，使测量时需要较长的时间，绝对辐射计测量时对入射的光辐射有滞后反应，从而使测量精度低，为了解决上述问题本发明将缩短测量周期，根据在辐射或电加热时接收器升温的时间变化规律，动态预测入射的光辐射功率、观测阶段和电定标阶段在电阻丝上加不同电功率，使绝对辐射计接收器件的温度在观测和电定标阶段维持恒定，接收器件与热沉快速达到热平衡，为此本发明将要提供一种用绝对辐射计快速测量光功率的方法。

本发明用绝对辐射计快速测量光功率的方法步骤：

a、绝对辐射计未打开快门、未加入入射光辐射功率(测量前)：在绝对辐射计接收器件上加一个较低电功率 $P_L=\frac{V_L^2}{R},$ 接收器件和热沉达到热平衡后，接收器件的温度传感器输出的反应接收器件温度的热平衡电压输出值为T_L；在绝对辐射计接收器件上加一个较高电功率 $P_H=\frac{V_H^2}{R},$ 达到热平衡后，接收器件的温度传感器输出的反应接收器件温度的热平衡电压输出值为T_H；根据上述电功率P_L、P_H和热平衡电压输出值T_L、T_H，求出绝对辐射计响应度 $S=\frac{P_H-P_L}{T_H-T_L};$ 根据上述接收器件加较高电功率P_H时，接收器件温度在上升阶段任意时刻t_i采集的电压输出值为T(t_i)，i＝0、1、2、......m，由在上升阶段任意时刻t_i和t_i+n接收器件温度传感器电压输出值T(t_i)、T(t_i+n)，

整理公式(4)后求出时间常数τ：

$\mathrm{\τ}=(t_{i+n}-t_i)/\ln \left(\frac{T_H-T\left(t_{i+n}\right)}{T_H-T\left(t_i\right)}\right)\·\·\·\·\left(5\right)$

绝对辐射计接收器件上一直维持加高电功率 $P_H=\frac{V_H^2}{R},$ 使接收器件的温度传感器输出的反应接收器件温度的热平衡电压输出值一直维持在T_H；

b、打开绝对辐射计快门(观测阶段)：设入射的光辐射功率为P_s，入射的光辐射功率P_s开始进入绝对辐射计的时刻t_k＝0，在接收器件上停止加高电功率P_H，使接收器件的温度从高电功率P_H平衡状态的电压输出值T_H逐步下降，在接收器件的温度传感器的电压输出值尚未达到入射光辐射功率P_s平衡状态的电压输出值T_s前，这时接收器件的温度随时间的变化的热力学微分方程为：

    t_j＝0时，   

解方程(6)求得

$T\left(t_j\right)=(T_H-T_s)e^{-\frac{t_j}{\mathrm{\τ}}}+T_s\·\·\·\·\·\left(7\right)$

接收器件停止加高电功率P_H、接收入射的光辐射后P_s，接收器件温度传感器的电压输出值在从T_H逐步下降阶段的任意时刻t_j采集的电压输出值为T(t_j)，j＝0、1、2、......k，由温度传感器输出反应接收器件温度在从T_H逐步下降阶段前几秒的任意时刻t_j和t_j+1的电压输出值为T(t_j)、T(t_j+1)，t_j和t_j+1时刻采集的接收器件的温度传感器的电压输出值分别可表示为：

整理(8)式后得

$\frac{T\left(t_{j+l}\right)-T_s}{T\left(t_j\right)-T_s}=e^{\frac{t_{j+l}-t_j}{\mathrm{\τ}}}\·\·\·\·\left(9\right)$

设 $e^{-\frac{t_{j+l}-t_j}{\mathrm{\τ}}}=\mathrm{\α}--\left(10\right)$

则 $\frac{T\left(t_{j+l}\right)-T_s}{T\left(t_j\right)-T_s}=\mathrm{\α}\·\·\·\·\left(11\right)$

由于t_a2、t_b2和τ是已知的，所以可求出T_s

$T_s=\frac{T\left(t_{j+l}\right)-\mathrm{\αT}\left(t_j\right)}{1-\mathrm{\α}}\·\·\·\left(12\right)$

预测出观测阶段可能入射的光辐射功率：

            P_s′＝S·T_s                  ……(13)

也就是测量入射的光辐射功率P_s的前几秒就能够预测待测入射的光辐射功率P_s′，也就是预测出观测阶段维持接收器件的温度传感器的电压输出值为T_H时其所需加的电功率为：

$P_{e1}=P_H-P_s^{\′}=\frac{V_{e1}^2}{R}\·\·\·\left(14\right)$

然后t_j+1时刻开始在接收器件的电阻丝上加电压Ve₁，即加电功率Pe₁，由于预测的入射光辐射功率P_s′＝S·T_s与入射光辐射功率P_s有微小的差别，所以接收器件与热沉达到热平衡后，接收器件的温度传感器的电压输出值并不一定准确地为电压输出值T_H，而是可能稍偏离电压输出值T_H，接收器件与热沉达到热平衡时温度传感器的电压输出值为T_H′；

c、关闭绝对辐射计快门(电定标阶段)：利用绝对辐射计响应度S计算出温度传感器的电压输出值为T_H′时所需加的电功率为

$P_{e2}=S\·T_H^{\′}=\frac{V_{e2}^2}{R}\·\·\·\·\left(15\right)$

在接收器件的电阻丝上加电压Ve₂，即加电功率Pe₂，由于加电功率时温度传感器的电压输出值Te₂与观测阶段的的电压输出值T_H′可能有微小的差别，所以接收器件与热沉达到热平衡后，辐射计接收器件的温度传感器的电压输出值并不一定准确地为电压输出值T_H′，而是可能稍偏离电压输出值T_H′，在加电功率P_e2接收器件与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值为T_e2，再用T_H′-T_e2＝ΔT进行功率修正，计算出入射的光功率：

$P_s=P_{e2}-P_{e1}+S\·\mathrm{\ΔT}=\frac{V_{e2}^2}{R}-\frac{V_{e1}^2}{R}+S(T_H^{\′}-T_{e2})\·\·\·\left(16\right)$

每个测量周期完成后，再根据上一次测量的电定标阶段在接收器件上加的电功率Pe₂和接收器件的温度传感器的电压输出值Te₂求出响应度

$S^{\′}=\frac{P_{e2}}{T_{e2}}\·\·\·\left(17\right)$

S′作为下一个周期测量的灵敏度。下一个周期测量的观测阶段重复步骤b、c的过程，完成用绝对辐射计快速对光功率的测量。所有的测量周期使接收器件的温度传感器一直维持在电压输出值T_H附近上下小幅波动。

本发明的积极效果：由于本发明在观测阶段光辐射入射时，接收器件的加较高的功率，入射的光辐射功率和在电阻丝上所加电功率之和近似等于P_H，接收器件与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值近似为T_H。本发明工作的前几秒接收器件只有较小的温度波动，之后很快又恢复到大致在较高的电压输出值T_H的热平衡状态，所以接收器件与热沉很快的能够达到热平衡。电定标阶段的接收器件也加较高的电功率，所加电功率近似等于P_H，接收器件与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值近似为T_H。所以整个测量周期接收器件与热沉能够很快达到平衡。解决了背景技术采用绝对辐射计进行测量时需要较长的时间、测量精度低的问题。本发明使测量周期缩短一倍，在观测阶段和电定标阶段接收器件的温度一直维持在同一温度上下小幅波动，提高测量精度。因此本发明提供了一种用绝对辐射计快速测量光功率的方法。本发明可应用于光辐射测量，尤其适用于对动态变化的太阳辐照度进行测量。

附图说明：

图1是背景技术接收器件的温度传感器的电压输出变化曲线；

图2是本发明步骤a接收器件的温度传感器电压输出变化曲线；

图3是本发明步骤b、c接收器件的温度传感器电压输出变化曲线；

具体实施方式如图2、3所示：绝对辐射计可采用各种类型的电校准绝对辐射计，本发明采用长春光机所研制的双锥腔补偿型绝对辐射计SIAR-2；绝对辐射计的快门可采用各种类型的快门，本发明采用由步进电机带动的摆动式快门；绝对辐射计的接收器件可采用平面型或腔型热接收器；绝对辐射计的温度传感器可采用各种类型的热电堆或热敏电阻温度传感器，本发明采用由150对铜-康铜串联而成的热电堆；热沉可采用铜等热传导效果好的金属材料。

a、绝对辐射计未打开快门、未加入入射光辐射功率(测量前)：接收器件上加低、高电功率P_L＝10mW和P_H＝70mW(P_H要大于绝对辐射计测量辐射功率工作范围的最大值)，测出热平衡电压输出值T_L＝1mV、T_H＝7mV，求出响应度S＝10mW/mV，并根据t_i＝5s和t_i+n＝10s两时刻加电功率，接收器件的温度传感器的电压输出值为T(t_i)＝2.3853mV、T(t_i+n)＝3.9578mV，求出时间常数τ＝12s。一直维持在接收器件上加高电功率P_H＝70mW。

b、打开绝对辐射计快门(观测阶段)：入射的光辐射功率P_s开始进入绝对辐射计的时刻t_j＝0，在接收器件上停止加高电功率P_H＝70mW，使接收器件的温度从高电功率P_H＝70mW平衡状态的电压输出值T_H＝7mV逐步下降，根据在t_j＝3s和t_j+1＝5s时刻，温度传感器的电压输出值为T(t_j)＝6.7788mV、T(t_j+1)＝6.6592mV，求出α＝0.84648，所以求出T_s＝5.99975mV，预测出观测阶段可能入射的光辐射功率P_s′＝S·T_s＝59.9975mW，从而预测出观测阶段维持接收器件的温度电压输出值为T_H时其所需加的电功率为P_e1＝P_H-P_s′＝10.0025mW，然后t_b2时刻开始在接收器件的电阻丝上加电功率P_e1＝10.0025mW，接收器件与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值T_H′＝6.99982mV；

c、关闭绝对辐射计快门(电定标阶段)：加电功率为P_e2＝S·T_H′＝69.9982mV，达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值T_e2＝6.99975mV，ΔT＝0.00007mV，计算出入射的光功率P_s＝P_e2-P_e1+S·ΔT＝60.0007mW；

这个测量周期完成后，根据电定标阶段在接收器件上加的电功率P_e2＝S·T_H′＝69.9982mV和接收器件的温度传感器的电压输出值T_e2＝6.99975mV求出响应度S′＝10.0033mW/mV作为下一个周期测量的灵敏度。下一个周期测量的观测阶段重复步骤b、c的过程，完成用绝对辐射计快速对光功率的测量。

Claims (1)

1、用绝对辐射计快速测量光功率的方法，其特征在于：测量的步骤如下：

a、绝对辐射计未打开快门、未加入入射光辐射功率(测量前)：在绝对辐射计接收器件上加一个较低电功率P_L，接收器件和热沉达到热平衡后，接收器件的温度传感器输出的反应接收器件温度的热平衡电压输出值为T_L；在绝对辐射计接收器件上加一个较高电功率P_H，达到热平衡后，接收器件的温度传感器输出的反应接收器件温度的热平衡电压输出值为T_H；根据上述电功率P_L、P_H和热平衡电压输出值T_L、T_H，求出接收器件响应度S；根据上述接收器件加较高电功率P_H时，接收器件温度在上升阶段任意时刻t_i采集的电压输出值为T(t_i)，由在上升阶段任意时刻t_i和t_i+n接收器件温度传感器电压输出值T(t_i)、T(t_i+n)，求出时间常数τ；绝对辐射计接收器件上一直维持加高电功率P_H，使接收器件的温度传感器输出反应接收器件温度的热平衡电压输出值一直维持在T_H；

b、打开绝对辐射计快门(观测阶段)：设入射的光辐射功率为P_s，入射的光辐射功率P_s开始进入绝对辐射计的时刻t_j＝0，在接收器件上停止加高电功率P_H，接收器件温度传感器的电压输出值在从T_H逐步下降阶段的任意时刻t_j采集的电压输出值为T(t_j)，由温度传感器输出反应接收器件温度在从T_H逐步下降阶段前几秒的任意时刻t_i和t_j+1的电压输出值为T(t_j)、T(t_j+1)，求出α和T_s，然后预测出观测阶段可能入射的光辐射功率P_s′，也就是测量入射的光辐射功率P_s的前几秒就能够预测待测入射的光辐射功率P_s′，计算出观测阶段维持接收器件的温度传感器的电压输出值为T_H时其所需加的电功率P_e1，然后t_b2时刻开始在接收器件的电阻丝上加电功率Pe₁，接收器与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值为T_H′；

c、关闭绝对辐射计快门(电定标阶段)：利用绝对辐射计响应度S计算出温度传感器的电压输出值为T_H′时所需加的电功率Pe₂，在接收器件的电阻丝上加电功率Pe₂，接收器与热沉达到热平衡时，接收器件的温度传感器的电压输出值为T_e2，再用ΔT进行功率修正，计算出入射的光功率P_s；

每个测量周期完成后，根据在接收器件上加的电功率Pe₂和接收器件的温度传感器的电压输出值Te₂求出响应度S′，把响应度S′作为下一个周期测量的灵敏度；下一个周期测量的观测阶段重复步骤b、c的过程，完成用绝对辐射计快速对光功率的测量。

Images