CN213422481U - 一种高频响热流传感器标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频响热流传感器标定装置，包括：激光器，其内置有非球面透镜组系统和高频驱动板；4f成像系统，其设置在准直透镜激光出射方向上；一级分光模块；二级分光模块；光电探测器，其位置对准二级分光模块的一个分光光路；送进平台，其位置对准一级分光模块另一分光光路，送进平台通过传感器夹具固定有标准热流传感器和待标定热流传感器；相机，其连接有测控计算机；函数发生器，其分别与激光器和测控计算机相连；锁相放大器，其分别与送进平台、函数发生器和测控计算机相连。本实用新型提供的高频响热流传感器标定装置，得到了稳定、均匀、连续可调的高频响激光热源，实现了对高频响热流传感器的标定与检测。

Description

一种高频响热流传感器标定装置

技术领域

本实用新型属于高频响的热流传感器标定技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种高频响热流传感器标定装置。

背景技术

随着高性能飞行器的研发，其表面力热参数的准确预估越来越重要，尤其是转捩区的预测，因为层流向湍流发生转捩时，局部摩擦力和热流会发生较大变化，为了捕捉这些边界层内的细微变化，通常采用高频响热流传感器来测量飞行器表面的脉动热流。为了获得飞行器表面较高频率的脉动热流(100kHz以上)的准确值就必须对所用热流传感器进行频响特性标定，而且热流传感器标定装置需要覆盖所测脉动频率范围。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种高频响热流传感器标定装置，包括：

激光器，其内部设置有非球面透镜组系统，所述非球面透镜组系统包括靠近激光器光源的非球面透镜和准直透镜；所述激光器内部配置有大电流的激光器高频驱动板；

4f成像系统，其设置在所述准直透镜激光出射方向上；一级分光模块，其位置对准4f成像系统出射端口；二级分光模块，其位置对准一级分光模块的一个分光光路；

光电探测器，其位置对准所述二级分光模块的一个分光光路；送进平台，其位置对准所述一级分光模块另一个分光光路，所述送进平台通过传感器夹具固定有标准热流传感器和待标定热流传感器；所述二级分光模块的另一个分光光路上设置有相机，所述相机通过线缆连接有测控计算机；

函数发生器，其通过线缆分别与所述激光器和测控计算机相连；锁相放大器，其通过线缆分别与所述送进平台、函数发生器和测控计算机相连。

优选的是，其中，所述激光器为高频响的光纤激光器；

所述一级分光模块和二级分光模块为分光透镜。

优选的是，其中，所述送进平台的结构包括：

固定底座，其上固定设置有三个平行的纵向导轨；所述纵向导轨上滑动设置有滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ上一体成型设置有横向导轨；滑块Ⅱ，其滑动设置在所述横向导轨上，且滑块Ⅱ上固定设置有多个传感器夹具；

步进电机Ⅰ，其固定设置在所述固定底座一侧，所述步进电机Ⅰ的输出轴固定连接有丝杆Ⅰ，所述滑块Ⅰ中固定设置有滚珠丝母Ⅰ，且所述滚珠丝母Ⅰ套设在丝杆Ⅰ上；

步进电机Ⅱ，其固定设置在所述横向导轨一端，所述步进电机Ⅱ的输出轴固定连接有丝杆Ⅱ，所述滑块Ⅱ中固定设置有滚珠丝母Ⅱ，所述滚珠丝母Ⅱ套设在丝杆上Ⅱ。

优选的是，其中，所述4f成像系统包括通过支架固定的透镜Ⅰ和透镜Ⅱ，其中透镜Ⅰ位于所述透镜Ⅱ和激光器之间。

本实用新型至少包括以下有益效果：本实用新型提供的高频响热流传感器标定装置，采用内含大电流的驱动版的光纤激光器，并运用4f系统对均匀激光波面传递与整形，得到了稳定、均匀、连续可调的高频响激光热源，实现了对1MHz以内的高频响热流传感器的标定与检测，最高激光热源频率可达1MHz，最快响应时间小于100ns，填补了国内高速动态传感器标定与检测的空白。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型优选实施例所述的高频响热流传感器标定装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的送进平台结构示意图；

图3为本实用新型提供的非球面透镜组系统结构示意图；

图4为本实用新型提供的4f成像系统成像原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-4所示：本实用新型的一种高频响热流传感器标定装置，包括：

激光器1，其内部设置有非球面透镜组系统，所述非球面透镜组系统包括靠近激光器光源的非球面透镜F1和准直透镜F2；所述激光器1内部配置有大电流的激光器高频驱动板；

4f成像系统2，其设置在所述准直透镜F2激光出射方向上；一级分光模块3，其位置对准4f成像系统2出射端口；二级分光模块4，其位置对准一级分光模块3的一个分光光路；

光电探测器5，其位置对准所述二级分光模块4的一个分光光路；送进平台6，其位置对准所述一级分光模块3另一个分光光路，所述送进平台6通过传感器夹具固定有标准热流传感器和待标定热流传感器；所述二级分光模块4的另一个分光光路上设置有相机7，所述相机7通过线缆连接有测控计算机8；

函数发生器9，其通过线缆分别与所述激光器1和测控计算机8相连；锁相放大器10，其通过线缆分别与所述送进平台6、函数发生器9和测控计算机8相连。

工作原理：所述激光器1产生辐照度为高斯分布的激光束，非球面透镜组系统将辐照度为高斯分布的激光束整形为均匀光束，即激光入射光束首先经过非球面透镜组系统的非球面透镜F1调制后，在准直透镜F2位置得到辐照度均匀分布的近平顶光束。准直透镜F2的作用有两个，一是将得到的较为均匀的近平顶光束准直成平行光，第二个作用是在准直过程中出射光束会有一定的混光效果，在特定的工作距离处(准直透镜F2的BFL)，近平顶光会进一步匀化得到满足不均匀度指标的平顶光。为了满足激光器能在1MHz的驱动频率下达到2W的输出功率，为其配备了大电流的高频驱动板，其中电流可达3A以上，驱动板频率为1MHz，确保了激光器能输出1MHz的2W功率；光束从激光器1出来后，先后进入所述的4f成像系统2、一级分光模块3、二级分光模块4、送进平台6、相机7和光电探测器5；4f成像系统2用于对光束进行二次匀化光束直径的扩束和缩束，使光束的最终不均匀度和光斑大小满足使用要求。一级分光模块3使绝大部分光能量进入送进平台6上的标准热流传感器和待标定热流传感器，极小一部分光进入二级分光模块4；二级分光模块4使一部分光能量进入相机7，另一部分进入光电探测器5。一级分光模块3和二级分光模块4的分光比例需根据主光路和分光路的光束接收仪的响应灵敏度具体设计，进入送进平台6方向的光束为主光路，进入相机7和光电探测器5的光束为分光路，根据分光路光束接收仪响应灵敏度的安全阈值，调整一级分光模块和二级分光模块的分光比例，既要保证光束接收仪能检测到分光路的弱光辐照，又需要确保光束接收仪不被激光烧坏。送进平台6用于夹持安装标准热流传感器和待标定热流传感器，标定时可移动标准热流传感器和待标定热流传感器的具体位置来对准激光束。相机7用于检测光束的不均匀度。光电探测器5用于同步监测光束的高频动态辐照波形。函数发生器9用于给激光器1的高频驱动板提供高频信号源，同时给锁相放大器10提供参考的基准信号。锁相放大器10用于获取待标定热流传感器的微弱输出高频信号，支持待标定热流传感器频响特性的评估，包括幅值-频率和相位-频率响应检测。测控计算机8分别与激光器1、送进平台6、标准热流传感器、待标定热流传感器、相机7、光电探测器5、锁相放大器10和函数发生器9相连，用于控制激光器1的光束输出和送进平台6的移动以及采集相机7、光电探测器5、标准热流传感器和待标定热流传感器的输出信号。本实用新型提供的高频响热流传感器标定装置，最高激光热源频率进而达1MHz，最快响应时间小于100ns，填补了国内高速动态热流传感器标定与检测的空白。

在上述技术方案中，所述激光器1为内含大电流的1MHz驱动板的2W光纤激光器，在光纤光源到光纤头这一传输路径上使用非球面透镜组系统开展匀化，光束从光纤头出来的光已经存在一个满足均匀性指标的激光波面；

所述一级分光模块3和二级分光模块4为分光透镜。

在上述技术方案中，所述送进平台6的结构包括：

固定底座11，其上固定设置有三个平行的纵向导轨12；所述纵向导轨12上滑动设置有滑块Ⅰ13，所述滑块Ⅰ13上一体成型设置有横向导轨14；滑块Ⅱ15，其滑动设置在所述横向导轨14上，且滑块Ⅱ15上固定设置有两个传感器夹具16，分别用于固定标准热流传感器和待标定热流传感器；

步进电机Ⅰ17，其固定设置在所述固定底座11一侧，所述步进电机Ⅰ17的输出轴固定连接有丝杆Ⅰ18，所述滑块Ⅰ13中固定设置有滚珠丝母Ⅰ19，且所述滚珠丝母Ⅰ19套设在丝杆Ⅰ18上；

步进电机Ⅱ20，其固定设置在所述横向导轨14一端，所述步进电机Ⅱ20的输出轴固定连接有丝杆Ⅱ21，所述滑块Ⅱ15中固定设置有滚珠丝母Ⅱ22，所述滚珠丝母Ⅱ22套设在丝杆Ⅱ21上。开启步进电机Ⅱ20，步进电机Ⅱ20通过驱动丝杆Ⅱ21转动，使滑块Ⅱ15沿横向导轨14发生横向运动，即可将夹持在传感器夹具16上的标准热流传感器或待标定热流传感器对准一级分光模块5的主光路；同时，通过开启步进电机Ⅰ17，步进电机Ⅰ17驱动丝杆Ⅰ18转动，使滑块Ⅰ13沿纵向导轨13纵向运动，可对标准热流传感器和待标定热流传感器进行纵向位置的调节。

在上述技术方案中，所述4f成像系统包括通过支架固定的透镜ⅠF3和透镜Ⅱ，其中透镜ⅠF3位于所述透镜ⅡF4和激光器之间，如图4所示，A为已经满足匀化指标的均匀光斑，通过由透镜ⅠF3和透镜ⅡF4组成的实焦点4f系统就2可将这一均匀光斑面传递到指定距离处形成较小的同样满足匀化指标的光斑B。

综上所述，本实用新型提供的高频响热流传感器标定装置，采用内含大电流的1MHz驱动版的2W光纤激光器，并运用4f系统对均匀激光波面传递与整形，得到了稳定、均匀、连续可调的高频响激光热源，实现了对1MHz以内的高频响热流传感器的标定与检测。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种高频响热流传感器标定装置，其特征在于，包括：

激光器，其内部设置有非球面透镜组系统，所述非球面透镜组系统包括靠近激光器光源的非球面透镜和准直透镜；所述激光器内部配置有大电流的激光器高频驱动板；

4f成像系统，其设置在所述准直透镜激光出射方向上；一级分光模块，其位置4f成像系统出射端口；二级分光模块，其位置对准一级分光模块的一个分光光路；

光电探测器，其位置对准所述二级分光模块的一个分光光路；送进平台，其位置对准所述一级分光模块另一个分光光路，所述送进平台通过传感器夹具固定有标准热流传感器和待标定热流传感器；所述二级分光模块的另一个分光光路上设置有相机，所述相机通过线缆连接有测控计算机；

函数发生器，其通过线缆分别与所述激光器和测控计算机相连；锁相放大器，其通过线缆分别与所述送进平台、函数发生器和测控计算机相连。

2.如权利要求1所述的高频响热流传感器标定装置，其特征在于，所述激光器为高频响的光纤激光器；

所述一级分光模块和二级分光模块为分光透镜。

3.如权利要求1所述的高频响热流传感器标定装置，其特征在于，所述送进平台的结构包括：

固定底座，其上固定设置有三个平行的纵向导轨；所述纵向导轨上滑动设置有滑块Ⅰ，所述滑块Ⅰ上一体成型设置有横向导轨；滑块Ⅱ，其滑动设置在所述横向导轨上，且滑块Ⅱ上固定设置有多个传感器夹具；

步进电机Ⅰ，其固定设置在所述固定底座一侧，所述步进电机Ⅰ的输出轴固定连接有丝杆Ⅰ，所述滑块Ⅰ中固定设置有滚珠丝母Ⅰ，且所述滚珠丝母Ⅰ套设在丝杆Ⅰ上；

步进电机Ⅱ，其固定设置在所述横向导轨一端，所述步进电机Ⅱ的输出轴固定连接有丝杆Ⅱ，所述滑块Ⅱ中固定设置有滚珠丝母Ⅱ，所述滚珠丝母Ⅱ套设在丝杆上Ⅱ。

4.如权利要求1所述的高频响热流传感器标定装置，其特征在于，所述4f成像系统包括通过支架固定的透镜Ⅰ和透镜Ⅱ，其中透镜Ⅰ位于所述透镜Ⅱ和激光器之间。

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