CN214471418U - 基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置。本实用新型中的脉冲延时触发器分时触发两台单脉冲激光器，使得两台单脉冲激光器的两束激光脉冲通过各自的光路系统辐照在待校准的温度传感器上，温度传感器外接有高时间分辨率动态信号采集系统，用于获取温度传感器的相应信号，通过响应信号峰峰值的间隔与触发信号的时间间隔完成所述温度传感器的校准；本实用新型通过脉冲延时触发器标准双脉冲信号时间间隔和温度传感器响应信号峰峰值间隔的时间相对偏差，确定传感器热响应动态特性，避免了单脉冲激光功率、横模和纵模分布等脉冲质量对校准结果的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及动态温度校准技术领域，具体涉及一种基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置。
背景技术
在关系我国国家安全的航空航天和冶金领域存在大量高温、微秒级的瞬态测温需求，如航空和航天发动机叶片设计制造、特种钢的连铸过程监控等。目前，应用于上述极端环境下的微秒级温度传感器主要有MEMS薄膜温度传感器、热敏电阻和光学测温传感器，而如何解决这些传感器的动态热响应校准问题是保证其测量结果准确可靠的前提，但是至今国内外相关研究还处于实验室阶段，尚未形成统一可行的校准技术。
目前，现行的《JJF 1049-1995温度传感器动态响应校准规范》给出的投掷法只能对毫秒级的温度传感器进行校准，而作为目前动态温度测量的研究热点之一，单脉冲激光或(激波管)压力波产生的微秒级热响应及其在温度传感器动态校准技术中的应用仍处于实验室研究阶段，未能形成广泛认可的有效技术标准，其技术瓶颈就在于基于激波管或者单脉冲激光的温度冲击信号重复性和稳定性影响因素过多(如激光光束质量、脉冲功率和压力波非定常性等)，导致校准系统自身不确定度过大(>20％)而无法作为有效的计量标准方法。此外，对于微秒级(或更高时间分辨率)温度传感器，其时间常数达到微秒量级，现行规范中的时间常数定义基于投掷法对应的阶跃信号，所适用的温度传感器时间常数在毫秒量级，无法满足微秒级温度传感器的校准需要。因此需要发展新的稳定可靠的温度传感器动态校准系统，以满足微秒级及以上时间分辨率的动态温度校准需要，同时构建完整的量值溯源链。
发明内容
针对传统动态温度校准技术难以产生高重复性、低不确定度的微秒级及以上温度阶跃，无法满足微秒级温度传感器动态校准的问题，本实用新型提出了一种基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型包括皮秒级数字脉冲延时触发器、两台纳秒级脉冲激光器、反光镜、激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜。
所述的数字脉冲延时触发器分别与两台脉冲激光器信号连接，用于分时触发两台脉冲激光器，其中的一台脉冲激光器依次通过反光镜、激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜后入射至待校准的温度传感器；另一台脉冲激光器依次通过激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜后入射至待校准的温度传感器。
所述的温度传感器外接有信号放大器和高精度示波器，用于获取温度传感器的响应信号，通过响应信号峰峰值的间隔与触发信号的时间间隔比对完成所述温度传感器的校准。
进一步说，在激光汇聚偏振镜和激光扩束镜之间的光路上设置有激光功率计，用于检测激光脉冲强度。
进一步说，还设置有多光谱测温系统，用于测量温度传感器表面温度，与温度传感器的输出信号进行对比，检测温度传感器的准确性。
进一步说，还设置有加热炉，利用加热炉使得温度传感器周围的环境温度保持在一定范围内，减小环境温度对温度传感器校准的影响。
与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型通过脉冲延时触发器标准双脉冲信号时间间隔和温度传感器响应信号峰峰值间隔的时间相对偏差，确定传感器热响应动态特性，避免了单脉冲激光功率、横模和纵模分布等脉冲质量对校准结果的影响，直接溯源到时间单位，精度和重复性高、不确定度低、响应快。
(2)本实用新型可根据不同传感器测温范围，可以配备相应的可控温度环境设备实现不同温区的校准需要。
附图说明
图1为温度传感器动态校准系统原理中标准脉冲触发信号A触发第一个激光脉冲；
图2为温度传感器动态校准系统原理中温度传感器产生第一个响应信号；
图3为温度传感器动态校准系统原理中标准脉冲触发信号B触发第二个激光脉冲；
图4为温度传感器动态校准系统原理中温度传感器产生第二个响应信号；
图5为温度传感器动态校准系统原理中脉冲延时触发器标准双脉冲信号的时间间隔Δt和温度传感器响应信号峰峰值间隔Δt′；
图6为温度传感器动态校准的量值溯源。
附图标记：1、皮秒级数字脉冲延时触发器，2、纳秒级脉冲激光器a，3、纳秒级脉冲激光器b，4、反光镜，5、激光汇聚偏振镜，6、激光功率计，7、激光扩束镜，8、激光聚焦镜，9、光电二极管，10、高精度示波器a，11、温度传感器，12、多光谱测温系统，13、加热炉，14、信号放大器，15、高精度示波器b。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。
本实施例利用皮秒级数字脉冲延时触发器1产生一个触发信号A激发纳秒级脉冲激光器a 2，使其发射一束激光，如图1所示，经过由反光镜4、激光汇聚偏振镜5、激光扩束镜7和激光聚焦镜8组成的光路系统，辐照在温度传感器11上，此时激光作为热源，使得温度传感器11的表面温度产生变化，通过信号放大器14和高精度示波器b 15可以得到温度传感器11的输出响应信号A，如图2所示。接着脉冲延时触发器1产生一个触发信号B激发纳秒级脉冲激光器b 3，使其发射一束激光，如图3所示。由于利用皮秒级数字脉冲延时触发器1产生已知时间间隔Δt的双脉冲触发信号A、B，去触发两台脉冲激光器2、3产生纳秒级激光脉冲，虽然在触发过程中会存在一定延时，但是这个延时时间是纳秒级，对测试的结果不会产生影响，因此认定脉冲延时触发器1产生的双脉冲触发信号的时间间隔Δt为标准。脉冲激光器b 3产生的激光经过光路系统后辐照在温度传感器11的同一传感区域上，继而得到温度传感器11的响应信号B，如图4所示。此时，温度传感器响应信号峰峰值的间隔为Δt′，如图5所示。当时间相对偏差k小于或等于临界时间相对偏差kc时，将脉冲延时触发器的脉冲时间间隔Δt减小一个步长，重复上述步骤，直到时间相对偏差k大于临界时间相对偏差kc，温度传感器的时间常数τ为上一步中脉冲延时触发器的标准脉冲时间间隔Δt，即τ＝Δt，完成对温度传感器的动态校准，本实施例中的的临界时间相对偏差kc由温度传感器厂商在出厂时设定。
所述时间相对偏差k为脉冲延时触发器标准双脉冲信号的时间间隔Δt和温度传感器响应信号峰峰值间隔Δt′的差值的绝对值，与脉冲延时触发器标准双脉冲信号的时间间隔Δt之比乘以100％所得的数值，即
以百分数表示。
同时利用激光功率计6对每个脉冲激光功率进行实时测量，检测激光脉冲强度是否损耗。利用光电二极管9以及高精度示波器a 10测量双脉冲激光的时间间隔，检验脉冲延时触发器的准确性。利用多光谱测温系统12测量温度传感器表面温度，与温度传感器的输出信号进行对比，检测温度传感器的准确性。利用加热炉13使得温度传感器周围的环境温度保持在一定范围内，减小环境温度对温度传感器校准的影响。
本实用新型的温度传感器动态校准的量值溯源如图6所示。根据《JJG 2007-2015时间频率计量器具》给出的时间频率国家计量检定系统表，以标准时间间隔发生器和计数器为计量器具的时间溯源方法，建立双脉冲激光温度传感器动态校准系统的溯源链。量值传递过程是由标准时间间隔发生器检定计数器，再由计数器检定示波器，示波器检定脉冲延时触发器和脉冲激光器，脉冲延时触发器检定脉冲激光器，脉冲激光器完成温度传感器的检定。由此开展测量结果的不确定度评定，实现温度传感器动态响应时间的量传与溯源。
Claims (4)
1.基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置，包括皮秒级数字脉冲延时触发器、两台纳秒级脉冲激光器、反光镜、激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜，其特征在于：
所述的数字脉冲延时触发器分别与两台脉冲激光器信号连接，用于分时触发两台脉冲激光器，其中的一台脉冲激光器依次通过反光镜、激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜后入射至待校准的温度传感器；另一台脉冲激光器依次通过激光汇聚偏振镜、激光扩束镜和激光聚焦镜后入射至待校准的温度传感器；
所述的温度传感器外接有信号放大器和高精度示波器，用于获取温度传感器的响应信号，通过响应信号峰峰值的间隔与触发信号的时间间隔比对完成所述温度传感器的校准。
2.根据权利要求1所述的基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置，其特征在于，在激光汇聚偏振镜和激光扩束镜之间的光路上设置有激光功率计，用于检测激光脉冲强度。
3.根据权利要求1所述的基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置，其特征在于，还设置有多光谱测温系统，用于测量温度传感器表面温度，与温度传感器的输出信号进行对比，检测温度传感器的准确性。
4.根据权利要求1所述的基于双脉冲激光的温度传感器动态校准装置，其特征在于，还设置有加热炉，利用加热炉使得温度传感器周围的环境温度保持在一定范围内，减小环境温度对温度传感器校准的影响。
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