专利名称：一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光测量技术领域，涉及的是风机转动对流场的扰动的测量，特别是配合四象限光电探测器来对横流风机工作时叶轮交错带来的流场微小扰动的测量装置，该方法特别适用于对脉冲气体激光器腔内风机的微小扰动的测量。
背景技术：
脉冲放电泵浦的脉冲气体激光器在工业加工、集成电路光刻和激光医疗和等领域获得了广泛的应用，如CO2气体激光器和准分子激光器等。脉冲气体激光器中主放电区域工作介质的均匀性对放电均匀性及远场光束质量有重要影响，因此需要循环系统来使放电区的工作介质不断更新，从而保证工作介质的均匀性。气体的循环流动由风机来驱动，风机种类主要有横流风机、轴流风机和离心风机。伴随着对重复频率指标的要求增高，对循环系统中风机的转速要求也在不断提高，而在高流速条件下，轴流风机和离心风机的成本较高，而横流风机不仅能在高气压下获得较高的流速，且横流风机纵横与放电电极结构接近，使整个激光器结构紧凑。横流风机一般主要由转子、蜗壳、叶轮等构成，风机扇叶交错在流场中会产生周期性的扰动，这些扰动虽然较小，但在应用于光刻的准分子激光器中，对光源的稳定性要求极高，因此需要不断对叶轮的结构进行优化，减小流场的扰动，同样也急需有高灵敏度的流场扰动检测方法来对流场的微小扰动进行检测。

发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，该方法能够简单而准确地测量风机工作时叶轮转动带来的微小扰动。本发明提供的一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，其特征在于，该系统包括测量子系统和信号处理子系统；所述测量子系统包括测激光光源和四象限光电探测器；探测激光光源和四象限探测器分别用于放置在被测流场区域的两端，探测激光光源用于测量时发出的激光光束同风机的转轴平行，并且光束通过风机流道的流场，探测激光光源产生的激光穿过被测流场区域后直接照射在四象限光电探测器的光敏面上；四象限光电探测器用于采集信号，并提供给信号处理子系统进行处理，得到风机叶轮扰动信号。本发明通过将探测激光光束同风机转轴平行放置，并穿过风机工作产生的流场中，采用四象限光电探测器来探测经过被测流场区域的探测激光光束。由于风机转动在被测流场区域产生微小扰动，使光束发生微小偏折，四象限探测器各个象限探测到的光强信号会发生变化；而风机扇叶交替产生的扰动是周期性的，因此四象限光电探测器记录的风机扇叶扰动信号也具有周期性。A/D转换器将这些信号转化为数字信号，并通过数字信号处理的方法进行处理，对风机叶轮扰动的信号进行提取，获得风机叶轮造成的扰动的频率和大小。本发明通过光学测量的方式获得叶轮转动时的扰动信息，具有测量装置简单、精度高、操作方便的特点，具有很强的实用性。


图1为本发明的测量子系统原理框图；图2为四象限光电探测单个象限的时域输出信号；图3为对时域的探测信号进行数字信号处理后获得的频域信号，其中横坐标为不同频率信号，纵坐标相应信号的幅值大小。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本发明提供的一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，它主要包括测量子系统和信号处理子系统两个方面。所述测量子系统主要由探测激光光源101和四象限光电探测器102构成，所述信号处理子系统包括数据处理电路103，A/D数据转换器104，处理器105和显示器106。

探测激光光源101和四象限探测器102分别位于被测流场区域的两端，探测激光光源101发出的激光光束同风机的转轴平行，并且光束通过风机流道的流场，探测激光光源101产生的激光穿过被测流场区域100后直接照射在四象限光电探测器102的光敏面上。四象限光电探测器102的采集信号经数据处理电路103处理后接入A/D数据转换器104，并采用处理器105对该信号进行数字信号处理，最后在显示器106上予以显示；所述四象限光电探测器102可以是普通的PIN或APD四象限光电探测器，其响应频率大于1MHz，所述A/D数据转换器可以是普通的数据采集卡，能控制采样频率和采样数的大小，所述处理器105可以通过软件实现，能够进行高频滤波和傅里叶变换等数字信号处理方法。工作之前，探测光源201出射的激光光斑平均分布于四象限光电探测器的四个象限，每个象限的输出大小相等；风机工作时，不同叶片之间的交替会在被测流场区域带来扰动，使被测流场区域的气体折射率发生变化，导致探测光束发生偏折，影响探测光斑在四象限光电探测器202上的分布，使四象限光电探测器202的各个象限的输出信号发生变化。由于不同叶片之间的交替产生的扰动是具有周期性的，四象限光电探测器202每个象限的输出信号变化也是具有周期性的，该波动的周期T与风机的转速η及叶轮的片数N相关，且满足T = 1/Nn(I)四象限光电探测器102将每个象限的实时信号交由数据转换电路103进行滤波、放大处理后接入A/D转换器104，通过A/D转换器104控制信号的采样频率fs和采样样品数N，将数字信号交由处理器105进行数字信号处理，对该信号进行滤波和傅里叶变换处理后，将四象限光电探测器102记录的实时信号转换成频域信号，由于扰动具有周期性，可以将上述风机叶轮的扰动信号从背景信号中提取出来，并通过显示器106予以实时显示。本发明基于上述原理设计而成，下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
风机转动前，调整探测激光光源101，使其发出的激光光斑平分于四象限光电探测器102的四个象限，保持各个象限的输出大小相等且保持不变。估算扰动源的振动频率，通过A/D转换器104控制数据的采样率频率fs和采样样品数N，从而对数据进行实时测量。为了避免混叠现象，应保证采样频率fs大于两倍的被测扰动信号频率。风机工作时，流场中产生扰动，使光束发生偏折，光斑在四象限光电探测器上发生移动，各个象限的输出发生变化，经由A/D转换器104进行采集后的信号如图2所示。在数据采集过程中，信号中会包含一些高频的噪声信号。采取滤波、傅里叶变换对数据进行处理后的信号如图3所示，从图中可以判断风机扰动的频率为854Hz，风机扰动振幅相对初始振幅，即扰动相对大小为
O.86%。综上所述，本发明能很好的对脉冲气体激光器风机叶片的微小扰动进行测量，具有较好的准确性和较高的精度，并具有测量装置简单、方法简便等一系列优点。以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，其特征在于，该系统包括测量子系统和信号处理子系统；所述测量子系统包括测激光光源和四象限光电探测器； 探测激光光源和四象限探测器分别用于放置在被测流场区域的两端，探测激光光源用于测量时发出的激光光束同风机的转轴平行，并且光束通过风机流道的流场，探测激光光源产生的激光穿过被测流场区域后直接照射在四象限光电探测器的光敏面上；四象限光电探测器用于采集信号，并提供给信号处理子系统进行处理，得到风机叶轮扰动信号。
2.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，其特征在于，所述信号处理子系统包括数据处理电路，A/D数据转换器，处理器和显示器； 数据处理电路用于将接收的四象限光电探测器的信号通过A/D数据转换器提供给处理器，处理器对该信号进行数字信号处理，最后在显示器上予以显示。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，其特征在于，所述四象限光电探测器为PIN或APD四象限光电探测器，其响应频率大于1MHz。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲气体激光器腔内风机叶轮扰动测量系统，它包括激光光源、象限光电探测器和信号处理子系统；探测激光光源和四象限探测器分别用于放置在被测流场区域的两端，探测激光光源用于测量时发出的激光光束同风机的转轴平行，并且光束通过风机流道的流场，探测激光光源产生的激光穿过被测流场区域后直接照射在四象限光电探测器的光敏面上；四象限光电探测器用于采集信号，并提供给信号处理子系统进行处理，得到风机叶轮扰动信号。本发明能很好的对脉冲气体激光器风机叶片的微小扰动进行测量，具有较好的准确性和较高的精度，并具有测量装置简单、方法简便等一系列优点。
文档编号G01H9/00GK103063289SQ20121053392
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者涂嫔, 徐勇跃, 左都罗, 王新兵, 卢宏, 陆培祥, 段练, 李斌 申请人:华中科技大学