CN104006878B - 激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统及测量方法，所述的测量系统含有校准用大功率卤钨灯、卤钨灯固定支架、温控箱、宽光谱型功率计、电能计、时间继电器、交流接触器。所述的测量方法包括以下步骤：(a)、测量实际校准时的环境温度；(b)、完成测量系统的布局；(c)、将温控箱的温度调整为校准时的环境温度；(d)、测量卤钨灯断电后的功率和卤钨灯上消耗的电能<i>E</i>；(e)、利用几何关系及功率能量关系计算出某时刻的辐射效率；(f)、计算不同时刻大功率卤钨灯残余能量辐射效率变化曲线；(g)、设定不同的通电时间，重复步骤(c)~(f)。本发明测量精确高，为激光能量计的精确校准奠定了基础。

Description

激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于激光能量计校准技术领域，具体涉及一种激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统及测量方法。

背景技术

在利用大功率卤钨灯作为校准源对高能激光能量计校准时，大功率卤钨灯上消耗的电能量一部分转换成光能辐射到被校准的高能激光能量计的吸收腔体上，另外一部分将以热能的形式滞留在大功率卤钨灯的灯丝和灯罩上，大功率卤钨灯在电源关断时刻实际向外界辐射的总能量可以利用光电型探测器测量得到。在大功率卤钨灯电源切断后，卤钨灯上残余的能量仍然会不断的向外辐射能量，这部分能量随着时间的增长而不断增大，最终趋近于一个常数。由于高能激光能量计的吸收体在大功率卤钨灯电源关断以后一定时间内才能达到热平衡，在这段时间内由于大功率卤钨灯残余能量辐射的影响吸收体上的热能仍然会增长，因此必须测量出大功率卤钨灯残余能量辐射占消耗总能量的比例，即残余能量的辐射效率，这样在最终的计算中就可以对这部分能量进行修正和补偿，从而提高校准精度。

但是残留在大功率卤钨灯上的能量却无法采用光电型探测器测量，那么校准的精度就会受到较大的影响。为了获得大功率卤钨灯在电源关断时刻实际向外界辐射的总能量，传统的方法是通过测量大功率卤钨灯的灯丝和灯罩材料的质量、比热和温升，并计算出残留在大功率卤钨灯上的能量，但这种方法的测量精度很低，无法满足校准的精度要求。当已知大功率卤钨某段时间内消耗的电能时，只需要测量出大功率卤钨灯在这段时间内的辐射效率就可以得到大功率卤钨灯在该段时间内向外界辐射的总能量。

由于大功率卤钨灯在电源关断后灯丝的色温会逐渐降低，因此辐射的光谱范围和最大辐射波长也不不断变化，采用光电型探测器无法获取整个辐射光谱也无法完成辐射能量的定标。另外大功率卤钨灯通常具有较大的体积，从大功率卤钨灯上辐射出来的光在空间上并不均匀，由于激光能量计吸收腔内部空间较狭小，直接将探测器安装在吸收腔内部测量的方式无法消除空间非均匀性对测量精度造成的影响。如果将大功率卤钨灯设置在积分球内部时，由于积分球对不同波长的光的衰减倍率不同，而辐射谱线在不断变化，采用积分球匀化取样的方式已经无法使用。并且随着大功率卤钨灯的灯丝温度降低周围的环境温度对残余能量辐射的影响已经无法忽略了，这些因素均给大功率卤钨灯残余你呢改良辐射效率的测量造成较大困难。

发明内容

为了解决校准用大功率卤钨灯残余能量辐射光谱范围宽、辐射的光谱形状随时间不断变化、辐射的空间非均匀性以及环境温度等因素对校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量所带来的问题，本发明提供一种激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统，本发明的另一个目的是提供一种激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率的测量方法。

本发明的激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统，其特点是，所述的测量系统含有校准用大功率卤钨灯、卤钨灯固定支架、温控箱、宽光谱型功率计、计算机、电能计、时间继电器、交流接触器、稳压器、功率计信号线、导线；其连接关系为，所述的卤钨灯固定支架设置在温控箱内部底板上，校准用大功率卤钨灯两端通过螺钉固定在卤钨灯固定支架上，温控箱上设置有一个圆孔，圆孔的直径大于校准用大功率卤钨灯的长度；所述的宽光谱型功率计设置在校准用大功率卤钨灯中心的垂线上，宽光谱型功率计与校准用大功率卤钨灯的距

离设置为L，并且宽光谱型功率计的光敏面中心、大功率卤钨灯中心、温控箱上的圆孔中心在同一条直线上；所述的校准用大功率卤钨灯通过导线依次与电能计、交流接触器、稳压器电连接；所述的交流接触器的主接点通过导线分别与电能计、稳压器电连接，交流接触器的辅助接点与时间继电器电连接，宽光谱型功率计所测得的功率数据通过功率计信号线与计算机相连接。

所述的宽光谱型功率计与校准用大功率卤钨灯中心之间的距离L大于校准用大功率卤钨灯尺寸的10倍。

一种用于激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统的测量方法，其特征在于依次包括如下步骤：

(a)、将校准用大功率卤钨灯按照校准状态设置到被校激光能量计内部，利用温度计测量出不同通电时长下被校激光能量计内部的环境温度T；

(b)、将校准用大功率卤钨灯水平设置在卤钨灯固定支架上，卤钨灯固定支架设置在温控箱内，利用交流接触器控制校准用大功率卤钨灯与稳压器之间的通断，利用时间继电器控制交流接触器的通断，时间继电器的通电时间设置为t ₁；

(c)、将宽光谱型功率计设置在距离校准用大功率卤钨灯中心为L处，测量宽光谱型功率计的光敏面的直径D；

(d)、将温控箱的温度调整到T；

(e)、时间继电器开始工作，利用计算机上的宽光谱型功率计采集软件记录下校准用大功率卤钨灯断电后t ₂内功率p _i，利用电能计测量出校准用大功率卤钨灯上消耗的电能E；

(f)、由以下公式可以计算出通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯在断电t后残余能量辐射效率η _c：

(g)、调整步骤(f)中的积分时间，从t=0改变至t=t ₂就可以获得通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率变化曲线；

(h)、多次通过时间继电器改变校准用大功率卤钨灯的通电时间，重复步骤(d)~(g)得到校准用大功率卤钨灯的残余能量辐射效率随通电时间变化曲线。

所述的宽光谱型功率计在校准用大功率卤钨灯断电后测量的时间t ₂大于校准用大功率卤钨灯通电时间t ₁的2倍。

本发明的积极进步效果在于：利用宽光谱型功率计可以有效测量校准用大功率卤钨灯的整个辐射光谱，辐射的光谱形状变化对测量精度影响可以忽略，将宽光谱型功率计设置在距离校准用大功率卤钨灯足够远的位置，校准用大功率卤钨灯辐射的光可以近似为点光源，可以有效消除校准用大功率卤钨灯辐射的空间非均匀性对测量精度造成的影响，选用一个温控箱模拟高能激光能量计实际校准中校准用大功率卤钨灯的环境温度，可以将环境温度对测量精度的影响控制在一个较低的范围内。本发明的方法可以精确的测量激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率，为高能激光能量计的精确校准奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为本发明的激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统布局示意图；

图2为本发明中的宽光谱型功率计测量得到的残余能量辐射功率随时间变化曲线图；

图3为本发明的校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率随时间变化曲线图；

图中，1.温控箱2.卤钨灯固定支架3.校准用大功率卤钨灯4.电能计5.交流接触器6.时间继电器7.稳压器8.导线9.宽光谱型功率计10.功率计信号线11.计算机。

具体实施方式

本发明的基本思想是：在校准用大功率卤钨灯3断电后，残余在校准用大功率卤钨灯3上的能量会不断辐射出来，随着校准用大功率卤钨灯3温度的降低辐射的光谱会不断变化，采用一个宽光谱型功率计9可以有效消除光谱变化对测量精度造成的影响。由于宽光谱型功率计9的光敏面较小，只能测量出校准用大功率卤钨灯3辐射的光中的很少一部分，而校准用大功率卤钨灯3通常尺寸较大，因此发射的光在空间分布并不均匀，将宽光谱型功率计9设置在距离校准用大功率卤钨灯3足够远的位置，校准用大功率卤钨灯3辐射的光可以近似为点光源，可以有效消除校准用大功率卤钨灯3辐射光的空间非均匀性对测量精度造成的影响，选用一个温控箱1模拟高能激光能量计实际校准中校准用大功率卤钨灯3的环境温度。根据宽光谱型功率计9的光敏面面积和空间几何关系就可以计算出校准用大功率卤钨灯3在不同时刻的残余能量的辐射值，最后除以校准用大功率卤钨灯3上消耗的电能既可以计算出校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率。

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

图1为本发明的激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统布局示意图，在图1中，本发明的激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统含有校准用大功率卤钨灯3、卤钨灯固定支架2、温控箱1、宽光谱型功率计9、计算机11、电能计4、时间继电器6、交流接触器5、稳压器7、功率计信号线10、导线8；其连接关系为，所述的卤钨灯固定支架2设置在温控箱1内部底板上，校准用大功率卤钨灯3两端通过螺钉固定在卤钨灯固定支架2上，为了防止卤钨灯固定架2的温升太高对卤钨灯造成损坏，卤钨灯固定支架2采用紫铜制成，并在卤钨灯固定支架2表面镀金，金层厚度为5μm，温控箱1上设置有一个圆孔，圆孔的直径大于校准用大功率卤钨灯3的长度，从而保证校准用大功率卤钨灯3辐射的光不会被温控箱1遮挡；所述的宽光谱型功率计9设置在校准用大功率卤钨灯3中心的垂线上，宽光谱型功率计9与校准用大功率卤钨灯3的距离设置为L，并且宽光谱型功率计9的光敏面中心、大功率卤钨灯3中心、温控箱1上的圆孔中心在同一条直线上；所述的校准用大功率卤钨灯3通过导线8依次与电能计4、交流接触器5、稳压器7电连接；所述的交流接触器5的主接点通过导线8分别与电能计4、稳压器7电连接，交流接触器5的辅助接点与时间继电器6电连接，宽光谱型功率计9所测得的功率数据通过功率计信号线10与计算机11相连接。

所述的宽光谱型功率计9与校准用大功率卤钨灯3中心之间的距离L大于校准用大功率卤钨灯3长度的10倍。

在本实施例中，温控箱1温度控制范围为0℃~200℃，时间继电器6设置的最长时间为999s，时间继电器6的时间控制精度为0.1s，电能计4的测量不确定度为0.1%，校准用大功率卤钨灯3的额定功率为6000W，校准用大功率卤钨灯3额定电压为220V，校准用大功率卤钨灯的长度为18cm，温控箱1上的圆孔的直径为20cm。

一种用于激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统的测量方法，依次包括如下步骤：

(a)、将校准用大功率卤钨灯3按照校准状态设置到被校激光能量计内部，利用温度计测量出不同通电时长下被校激光能量计内部的环境温度T；

(b)、将校准用大功率卤钨灯3水平设置在卤钨灯固定支架2上，卤钨灯固定支架2设置在温控箱1内，利用交流接触器5控制校准用大功率卤钨灯3与稳压器7之间的通断，利用时间继电器6控制交流接触器5的通断，时间继电器6的通电时间设置为t ₁；

(c)、将宽光谱型功率计9设置在距离校准用大功率卤钨灯3中心为L处，测量宽光谱型功率计9的光敏面的直径D；

(d)、将温控箱1的温度调整到T；

(e)、时间继电器6开始工作，利用计算机11上的宽光谱型功率计9采集软件记录下校准用大功率卤钨灯3断电后t ₂内功率p _i，利用电能计4测量出校准用大功率卤钨灯3上消耗的电能E；

(f)、由以下公式可以计算出通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯3在断电t后残余能量辐射效率η _c：

(g)、调整步骤(f)中的积分时间，从t=0改变至t=t ₂就可以获得通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯3残余能量辐射效率变化曲线；

(h)、多次通过时间继电器6改变校准用大功率卤钨灯3的通电时间，重复步骤(d)~(g)得到校准用大功率卤钨灯3的残余能量辐射效率随通电时间变化曲线。

所述的宽光谱型功率计9在校准用大功率卤钨灯3断电后测量的时间t ₂大于校准用大功率卤钨灯3通电时间t ₁的2倍。

在本实施例步骤(a)中，被校激光能量计内部通常设置成一个空心腔体，在测试时激光入射到空心腔体内部，在校准时将校准用大功率卤钨灯3设置在吸收腔内部用来模拟激光辐照，在校准用大功率卤钨灯3辐射过程中由于灯丝的温度会达到数千摄氏度，环境温度对辐射的影响可以忽略，但是当校准用大功率卤钨灯3断电后，校准用大功率卤钨灯3的温度会迅速降低，环境温度对校准用大功率卤钨灯3辐射强度的影响就很显著了。有时被校激光能量计内部也会设置多个校准用大功率卤钨灯3，此时就需要按照校准状态测量出被校激光能量计内部的环境温度。在不同通电时间下被校激光能量计内部的环境温度存在差异，在本实施例中选取了几个典型的通电时间分别为10s、30s、50s，三个典型的通电时间对应的内部环境温度分别为35℃、48℃、67℃。

在本实施例步骤(b)中，时间继电器6的通电时间t ₁设置为50s。

在本实施例步骤(c)中，L＝2m，D＝8mm。

在本实施例步骤(d)中，温控箱1的温度设置为67℃。

在本实施例步骤(e)中，为了保证测量得到的残余能量辐射功率曲线涵盖激光能量计达到热平衡时刻，宽光谱型功率计9在校准用大功率卤钨灯3断电后测量的时间大于校准用大功率卤钨灯3通电时间的2倍,因此t ₂设置为200s，此时校准用大功率卤钨灯3上消耗的电能E=288kJ,宽光谱型功率计9测量得到的残余能量辐射功率曲线如图2所示。

在本实施例步骤(f)中，通电时间为50s时校准用大功率卤钨灯3在断电t后残余能量辐射效率η _c：

在本实施例步骤(g)中，校准用大功率卤钨灯3残余能量辐射效率变化曲线如图3所示。

在本实施例步骤(h)中，通过时间继电器6改变校准用大功率卤钨灯3的通断时间t ₁分别为10s、30s，重复步骤(d)～(g)得到在通电时间分别为10s、30s时校准用大功率卤钨灯3的残余能量辐射效率随时间变化曲线。

实施例2

本实施例与实施例1的测量系统布局相同，不同之处是：

(1)卤钨灯固定支架2采用黄铜制成，并且卤钨灯固定支架2材料表面通过抛光工艺提高材料表面对不同波长光的反射率，降低卤钨灯固定支架2的温升；

(2)宽光谱型功率计9与校准用大功率卤钨灯3的距离L设置为3m；

(3)校准用大功率卤钨灯3的额定功率为11000W；

本实施例与实施例1中方法的步骤相同，不同之处是：

(1)时间继电器6的通电时间t ₁分别设置为20s、40s、60s，对应的内部环境温度分别为42℃、57℃、73℃；

(2)宽光谱型功率计9在校准用大功率卤钨灯3断电后测量的时间t ₂设置为150s。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统，其特征在于，所述的测量系统含有校准用大功率卤钨灯(3)、卤钨灯固定支架(2)、温控箱(1)、宽光谱型功率计(9)、计算机(11)、电能计(4)、时间继电器(6)、交流接触器(5)、稳压器(7)、功率计信号线(10)、导线(8)；其连接关系为，所述的卤钨灯固定支架(2)设置在温控箱(1)内部底板上，校准用大功率卤钨灯(3)两端通过螺钉固定在卤钨灯固定支架(2)上，温控箱(1)上设置有一个圆孔，圆孔的直径大于校准用大功率卤钨灯(3)的长度；所述的宽光谱型功率计(9)设置在校准用大功率卤钨灯(3)中心的垂线上，宽光谱型功率计(9)与校准用大功率卤钨灯(3)的距离设置为L，并且宽光谱型功率计(9)的光敏面中心、大功率卤钨灯(3)中心、温控箱(1)上的圆孔中心在同一条直线上；所述的校准用大功率卤钨灯(3)通过导线(8)依次与电能计(4)、交流接触器(5)、稳压器(7)电连接；所述的交流接触器(5)的主接点通过导线(8)分别与电能计(4)、稳压器(7)电连接，交流接触器(5)的辅助接点与时间继电器(6)电连接，宽光谱型功率计(9)所测得的功率数据通过功率计信号线(10)与计算机(11)相连接；所述的宽光谱型功率计(9)与校准用大功率卤钨灯(3)中心之间的距离L大于校准用大功率卤钨灯(3)尺寸的10倍。

2.一种用于激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量系统的测量方法，其特征在于依次包括如下步骤：

(a)、将校准用大功率卤钨灯(3)按照校准状态设置到被校激光能量计内部，利用温度计测量出不同通电时长下被校激光能量计内部的环境温度T；

(b)、将校准用大功率卤钨灯(3)水平设置在卤钨灯固定支架(2)上，卤钨灯固定支架(2)设置在温控箱(1)内，利用交流接触器(5)控制校准用大功率卤钨灯(3)与稳压器(7)之间的通断，利用时间继电器(6)控制交流接触器(5)的通断，时间继电器(6)的通电时间设置为t ₁；

(c)、将宽光谱型功率计(9)设置在距离校准用大功率卤钨灯(3)中心为L处，测量宽光谱型功率计(9)的光敏面的直径D；

(d)、将温控箱(1)的温度调整到T；

(e)、时间继电器(6)开始工作，利用计算机(11)上的宽光谱型功率计(9)采集软件记录下校准用大功率卤钨灯(3)断电后t ₂内功率p _i，利用电能计(4)测量出校准用大功率卤钨灯(3)上消耗的电能E；

(f)、由以下公式计算出通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯(3)在断电t后残余能量辐射效率η _c：

(g)、调整步骤(f)中的积分时间，从t=0改变至t=t ₂就能够获得通电时间为t ₁时校准用大功率卤钨灯(3)残余能量辐射效率变化曲线；

(h)、多次通过时间继电器(6)改变校准用大功率卤钨灯(3)的通电时间，重复步骤(d)~(g)得到校准用大功率卤钨灯(3)的残余能量辐射效率随通电时间变化曲线。

3.根据权利要求2所述的激光能量计校准用大功率卤钨灯残余能量辐射效率测量方法，其特征在于，所述的宽光谱型功率计(9)在校准用大功率卤钨灯(3)断电后测量的时间t ₂大于校准用大功率卤钨灯(3)通电时间t ₁的2倍。