專利名稱：分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及的是監(jiān)控氣體溫度的裝置，特別是一種基于分子光譜來監(jiān)控放電等離子氣體溫度的裝置及方法。本發(fā)明尤其適用于分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控。
背景技術(shù)：
分子氣體激光器，例如CO2激光器、N2激光器以及準(zhǔn)分子激光器，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。分子氣體激光器幾乎都采用放電泵浦的方式將能量注入，所以放電質(zhì)量的好壞對(duì)于激光器的性能尤為重要。而一方面，放電過程中氣體的溫度是影響放電質(zhì)量好壞的重要因素；另一方面，氣體的溫度也是放電質(zhì)量好壞的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。特別是放電的崩潰(由輝光放電轉(zhuǎn)化成弧光放電)，一方面氣體溫度過高是它的成因之一，另一方面弧光放電過程中氣體溫度也明顯高于輝光放電中的氣體溫度。所以在分子氣體激光器工作時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣體溫度極為重要。傳統(tǒng)的氣體激光器溫度監(jiān)控裝置多采用熱電偶溫度傳感器或熱敏電阻傳感器。熱電偶溫度傳感器是由一端連接的兩根不同材質(zhì)的金屬線構(gòu)成，當(dāng)一端受熱時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，從而得到環(huán)境溫度。它的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單方便、無(wú)需供電且適合寬溫度范圍和各種大氣環(huán)境。熱敏電阻溫度傳感器實(shí)際上是熱敏的半導(dǎo)體材料，它的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化。它體積小、敏感度高。而新興的溫度傳感方式有光纖光柵傳感，它是利用溫度變化造成的光纖光柵熱變形，使光纖中的反射光產(chǎn)生中心波長(zhǎng)位移，從而探測(cè)環(huán)境溫度。它響應(yīng)速度快，不受電磁干擾的影響。但這些溫度傳感器存在的最根本的問題是，它只能放置在激光器腔內(nèi)非放電區(qū)域。因?yàn)檫@些傳感器如果放置在放電區(qū)域勢(shì)必會(huì)對(duì)放電穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；同時(shí)傳統(tǒng)的傳感器更是會(huì)受放電電磁干擾的影響。這樣，傳感器獲得的是腔內(nèi)氣體的平均溫度而不是放電過程中的氣體溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置及其方法，本發(fā)明能夠簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地監(jiān)控分子氣體激光器放電區(qū)域氣體溫度，信號(hào)的后續(xù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單。本發(fā)明提供的一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置，其特征在于，該裝置包括收集鏡、光譜儀、CCD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)；CCD相機(jī)接駁在光譜儀上，CCD相機(jī)和光譜儀均與計(jì)算機(jī)電連接，光譜儀的狹縫上安裝有光纖探頭，計(jì)算機(jī)用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度。利用上述分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其過程為第I步將等離子體發(fā)光通過收集鏡收集到光譜儀的光纖探頭端面上；第2步利用光譜儀獲得分子氣體激光器放電發(fā)射的某一帶系的分子光譜；
第3步再由CXD相機(jī)采集一次光譜數(shù)據(jù)；第4步將采集到的光譜數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度，并當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)報(bào)
目O本發(fā)明通過探測(cè)放電等離子體發(fā)光監(jiān)控氣體溫度，直接獲得放電中心區(qū)域的溫度。本發(fā)明是一種非接觸式溫度監(jiān)控裝置，特別適合分子氣體激光器這種對(duì)氣密性與氣體成分純度要求比較高的放電裝置的溫度監(jiān)控?？傊?，本發(fā)明采用全光學(xué)方法進(jìn)行溫度測(cè)量，完全解決了放電過程中電磁干擾的問題，并且采用光纖探頭將等離子體發(fā)光引入光譜儀，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理擬合氣體溫度流程圖。
具體實(shí)施例方式分子氣體激光器在工作時(shí)，放電等離子體有強(qiáng)輝光發(fā)射，發(fā)射的輝光會(huì)包含有氣體成分的分子光譜。而放電等離子體滿足局域熱平衡條件，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能與平動(dòng)能極易達(dá)到熱平衡，所以通常情況下，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度等于氣體的平動(dòng)溫度(也就是通常意義下的氣體溫度)。本發(fā)明基于上述原理設(shè)計(jì)而成，正是利用分子氣體激光器放電等離子體發(fā)射的分子光譜，擬合轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，獲得實(shí)時(shí)氣體溫度，從而對(duì)放電氣體溫度進(jìn)行監(jiān)控。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。如圖1所示，本發(fā)明提供的分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置包括收集鏡1、光譜儀3、CXD相機(jī)5以及計(jì)算機(jī)6。CXD相機(jī)5接駁在光譜儀3上，CXD相機(jī)5和光譜儀3均與計(jì)算機(jī)6電連接，光譜儀3的狹縫上安裝有光纖探頭。整個(gè)溫度監(jiān)控單次溫度測(cè)量過程如下將等離子體發(fā)光通過收集鏡I收集到光譜儀3的光纖探頭端面2上；利用光譜儀3獲得分子氣體激光器放電發(fā)射的某一帶系的分子光譜；再由CCD相機(jī)5以需要的時(shí)間間隔采集一次光譜數(shù)據(jù)；將采集到的光譜數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)6中，計(jì)算機(jī)6對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度，并當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)報(bào)警。在開始監(jiān)控之前，首先需要對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整收集鏡I的位置，使得收集鏡I盡可能多的收集等離子體發(fā)光并聚焦到光譜儀3的光纖探頭端面2上，固定收集鏡I與光纖探頭端面2的位置。通過計(jì)算機(jī)6調(diào)整光譜儀3光柵4的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)開啟CXD相機(jī)5實(shí)時(shí)監(jiān)視光柵4衍射到CCD相機(jī)成像面上的光譜，選擇所需要的分子光譜帶系。選擇的原則是第一，無(wú)原子光譜或其他分子光譜的疊加干擾；第二，原則上要求是計(jì)算機(jī)6數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的分子光譜帶系；第三，在滿足前兩個(gè)條件的前提下選擇發(fā)光亮度最高持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的分子光譜帶系。選擇探測(cè)的光譜帶系的同時(shí)，也調(diào)節(jié)CCD相機(jī)每幀的采樣時(shí)間，保證能夠獲得可分辨的分子光譜。調(diào)整完成后，即可開始監(jiān)控放電氣體溫度。為了能迅速獲得氣體溫度，計(jì)算機(jī)6的數(shù)據(jù)庫(kù)中需存儲(chǔ)以下數(shù)據(jù)信息光譜儀3與CXD相機(jī)5組成的探測(cè)系統(tǒng)整體的強(qiáng)度響應(yīng)率；幾種常見的分子光譜帶系(例如N2第一正帶、N2第二正帶、N2+第一負(fù)帶光譜、OH自由基)在不同溫度下的歸一化的擬合分子光譜。光譜儀3與CCD相機(jī)5組成的探測(cè)系統(tǒng)整體的強(qiáng)度響應(yīng)率是光譜儀3與CCD相機(jī)5組成的探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于不同波長(zhǎng)的光的強(qiáng)度響應(yīng)率，可事先使用光譜強(qiáng)度校準(zhǔn)燈進(jìn)行標(biāo)定，具體實(shí)施方法是將光譜儀3的光纖探頭接駁在光譜強(qiáng)度校準(zhǔn)燈上，記錄全波長(zhǎng)范圍每一波長(zhǎng)值CCD相機(jī)采樣的強(qiáng)度，再將全波長(zhǎng)范圍每一波長(zhǎng)值CCD相機(jī)采樣的強(qiáng)度除以光譜強(qiáng)度校準(zhǔn)燈全波長(zhǎng)范圍每一波長(zhǎng)值的發(fā)射光強(qiáng)度(在光譜強(qiáng)度校準(zhǔn)燈的說明書中會(huì)給出)，就得到了探測(cè)系統(tǒng)整體的強(qiáng)度響應(yīng)率。通常情況下，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的擬合分子光譜的波長(zhǎng)精度優(yōu)于5pm ；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的擬合分子光譜的溫度范圍需涵蓋放電低溫等離子體可能的溫度范圍，一般為200K至2000K ;數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的擬合分子光譜的溫度精度是監(jiān)控過程中測(cè)量氣體溫度能達(dá)到的精度，一般優(yōu)于1K。如圖2所示的是待測(cè)氣體光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理擬合氣體溫度流程圖。第I步采集分子氣體激光器腔內(nèi)氣體光譜數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括強(qiáng)度校正和歸一化處理。首先，根據(jù)待測(cè)氣體光譜數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)范圍選取相應(yīng)波長(zhǎng)范圍的探測(cè)系統(tǒng)整體的強(qiáng)度響應(yīng)率，將待測(cè)氣體光譜數(shù)據(jù)每個(gè)波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度除以探測(cè)系統(tǒng)整體的強(qiáng)度響應(yīng)率每個(gè)波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度響應(yīng)率得到強(qiáng)度校正后的待測(cè)氣體光譜數(shù)據(jù)。再按最大值為1、最小值為O對(duì)待測(cè)氣體光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。
·
第2步判斷是否為第一次溫度測(cè)量，如果是，進(jìn)入第3步，否則，轉(zhuǎn)入第6步。第3步設(shè)定一個(gè)初始溫度范圍；初始溫度范圍可以設(shè)定一個(gè)較寬范圍。第4步計(jì)算初始溫度范圍上限(Ta)下限(Tb)的擬合分子光譜方差；提取溫度范圍上、下限對(duì)應(yīng)的擬合分子光譜，按下述公式計(jì)算擬合分子光譜的方差 X2(Ta)、X2(Tb)
權(quán)利要求
1.一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置，其特征在于，該裝置包括收集鏡、光譜儀、CCD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)；CCD相機(jī)接駁在光譜儀上，CCD相機(jī)和光譜儀均與計(jì)算機(jī)電連接，光譜儀的狹縫上安裝有光纖探頭，計(jì)算機(jī)用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度。
2.一種利用權(quán)利要求1所述分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，其過程為 第I步將等離子體發(fā)光通過收集鏡收集到光譜儀的光纖探頭端面上； 第2步利用光譜儀獲得分子氣體激光器放電發(fā)射的某一帶系的分子光譜； 第3步再由CCD相機(jī)采集一次光譜數(shù)據(jù)； 第4步將采集到的光譜數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度，并當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)報(bào)警。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第2步中，所述某一帶系的分子光譜的選擇的原則是第一，無(wú)原子光譜或其他分子光譜的疊加干擾；第二，原則上要求是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的分子光譜帶系；第三，在滿足前兩個(gè)條件的前提下選擇發(fā)光亮度最高持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的分子光譜帶系。
·3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第3步中，計(jì)算機(jī)的具體處理過程為 第3.1步接收分子氣體激光器腔內(nèi)氣體光譜數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理； 第3. 2步判斷是否為第一次溫度測(cè)量，如果是，進(jìn)入第3. 3步，否則，轉(zhuǎn)入第6步。
第3. 3步設(shè)定一個(gè)初始溫度范圍； 第3. 4步計(jì)算初始溫度范圍的上限Ta和下限Tb擬合分子光譜方差； 第3. 5步采用黃金分割搜索法在初始溫度范圍內(nèi)尋找方差最小的擬合分子光譜對(duì)應(yīng)的溫度，作為待測(cè)氣體溫度T，并根據(jù)待測(cè)氣體溫度T設(shè)定監(jiān)控溫度范圍，然后轉(zhuǎn)入第I步；第3. 6步采用逐項(xiàng)比較法在監(jiān)控的溫度范圍內(nèi)尋找方差最小的擬合分子光譜對(duì)應(yīng)的溫度 依次計(jì)算監(jiān)控溫度范圍內(nèi)的每一溫度對(duì)應(yīng)的方差，找到方差最小的溫度，如果方差最小的溫度不是監(jiān)控溫度范圍的上限或下限時(shí)，則該溫度為擬合溫度，即待測(cè)氣體溫度T ;否貝U，說明分子氣體激光器內(nèi)放電氣體溫度超過監(jiān)控溫度范圍，氣體放電不正常，予以報(bào)警；第3. 7步轉(zhuǎn)入第I步繼續(xù)監(jiān)控，直到任務(wù)完成。
·3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第3步中，計(jì)算機(jī)的具體處理過程為第·3.5步具體包括下述過程 第5.1步首先在取初始溫度范圍Tb至Ta的兩個(gè)黃金分割點(diǎn)T。和Td，Tc < Td,計(jì)算擬合分子光譜的方差x2(T。)和X2(Td)； 第5. 2步如果x2(T。)小于X 2 (Td)，則以Ta、Td為新的溫度范圍上下限，Τ。為新溫度范圍上下限的其中一個(gè)黃金分割點(diǎn)，再取另一個(gè)黃金分割點(diǎn) ；，計(jì)算X2(Te)與x2(T。)； 如果x2(T。)大于x2(Td)，則以Te、Tb為新溫度范圍的上下限，Td為新溫度范圍上下限的其中一個(gè)黃金分割點(diǎn)，再取另一個(gè)黃金分割點(diǎn)Tf，計(jì)算X2(Tf)與X2(Td)； 第5. 3步判斷第5. 2步所得到的兩個(gè)黃金分割點(diǎn)中方差較小的那個(gè)黃金分割點(diǎn)的溫度值是否滿足設(shè)定的精度；如滿足，則進(jìn)入第5. 4步；否則繼續(xù)縮小溫度范圍，直到溫度值滿足設(shè)定的精度；第5. 4步判斷該溫度的方差是否小于X2(Ta)和X 2 (Tb)，如果是，則該溫度為擬合溫度，即待測(cè)氣體溫度T，進(jìn)入第5. 5步；否則，在初始溫度范圍的上限或下限外重新設(shè)定溫度范圍，轉(zhuǎn)入第4步； 第5. 5步根據(jù) 所得到的待測(cè)氣體溫度T設(shè)定監(jiān)控溫度范圍，作為監(jiān)控使用，然后轉(zhuǎn)入第I步監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分子氣體激光器腔內(nèi)氣體溫度監(jiān)控裝置及其方法。該裝置包括收集鏡、光譜儀、CCD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)；CCD相機(jī)接駁在光譜儀上，CCD相機(jī)和光譜儀均與計(jì)算機(jī)電連接，光譜儀的狹縫上安裝有光纖探頭，計(jì)算機(jī)用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)依次進(jìn)行位置校正、強(qiáng)度校正、歸一化、擬合曲線對(duì)比，獲取并記錄氣體溫度。方法通過探測(cè)放電等離子體發(fā)光監(jiān)控氣體溫度，直接獲得放電中心區(qū)域的溫度。本發(fā)明是一種非接觸式溫度監(jiān)控裝置，特別適合分子氣體激光器這種對(duì)氣密性與氣體成分純度要求比較高的放電裝置的溫度監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
文檔編號(hào)G01K11/00GK103063324SQ20121053366
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者楊晨光, 徐勇躍, 左都羅, 王新兵, 陸培祥, 唐建, 何崇文, 胡攀攀 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)