西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 錢 航 黃 超 唐 影 于 力 易愛平

目前，以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)總線技術(shù)和虛擬儀器編程技術(shù)為核心的新技術(shù)，正在廣泛應(yīng)用于測(cè)試以及各種技術(shù)領(lǐng)域，采用這些新技術(shù)的測(cè)試儀器，其技術(shù)性能比獨(dú)立的臺(tái)式儀器有顯著的提高。相比與臺(tái)式儀器，將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于藍(lán)綠激光器各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)中：即通過(guò)軟件把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件結(jié)合在一起，監(jiān)測(cè)激光器的工作狀態(tài)，對(duì)于減少手工操作內(nèi)容，提高激光器的自動(dòng)化水平，有較大的幫助。

1.電路設(shè)計(jì)

藍(lán)綠激光器處于重頻運(yùn)行時(shí)，由于工作氣體XeF2被光解離后不能再生，必須由供給裝置不斷向激光氣室中補(bǔ)給XeF2氣體，通常采用恒定載氣流帶出XeF2氣體不能保證激光器氣室中XeF2氣體濃度的穩(wěn)定性，需根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)控制載氣流的大小，來(lái)達(dá)到控制XeF2氣體濃度的目的；另外，激光器運(yùn)行過(guò)程中需監(jiān)測(cè)8路光信號(hào)，其重頻運(yùn)行時(shí)需采集、記錄、存儲(chǔ)以及處理的信號(hào)多達(dá)上百個(gè)，人工處理耗時(shí)長(zhǎng)，效率低；為解決上述難題，增加氣室中工作氣體XeF2濃度的穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)處理效率，開展了基于虛擬儀器技術(shù)的XeF2氣體濃度控制及重頻高速數(shù)據(jù)采集的技術(shù)研究。

在藍(lán)綠激光器運(yùn)行之前的準(zhǔn)備階段，需要監(jiān)測(cè)激光器的工作介質(zhì)XeF2的濃度，并通過(guò)改變載氣流的流量保持濃度值，當(dāng)氣體流量和濃度都達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，控制激光器放電，同時(shí)測(cè)量激光器μs級(jí)的放電波形信號(hào)及光信號(hào)，以便了解激光器的工作狀態(tài)是否正常，工作原理如圖1所示。計(jì)算機(jī)控制流量計(jì)改變工作氣體的流量，從而使XeF2的濃度發(fā)生改變，將濃度值轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的電壓信號(hào)之后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)將獲得的電壓值轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的濃度值并顯示在程序中，根據(jù)反饋結(jié)果和設(shè)定值相比較，使計(jì)算機(jī)重新調(diào)節(jié)流量計(jì)閥門大小，形成閉環(huán)控制。當(dāng)氣體流量和濃度達(dá)到預(yù)定值之后，手動(dòng)控制采集卡由連續(xù)采集模式轉(zhuǎn)換為采集脈沖信號(hào)模式，用于測(cè)量激光器的放電波形及光信號(hào)。

圖1 濃度控制和電信號(hào)測(cè)量

圖2 流量計(jì)控制原理圖

1.1 激光器工作氣體濃度的控制

電路中所用的流量計(jì)，主要由氣體閥門、閥門控制器和控制電路3部分組成，流量計(jì)的質(zhì)量流量控制器通過(guò)D形接口與計(jì)算機(jī)控制的數(shù)采卡連接，包括控制端口、測(cè)量端口，信號(hào)地、直流±15V電源及電源地六種，流量計(jì)控制原理圖如圖2所示。

計(jì)算機(jī)輸出2路電壓信號(hào)和1路測(cè)量信號(hào)，其中一路信號(hào)用于控制流量計(jì)前端的電磁閥，起到保護(hù)流量計(jì)的作用；另一路輸出0-5V直流信號(hào)和測(cè)量信號(hào)一起形成對(duì)流量計(jì)的控制回路，控制流量計(jì)閥門的大小，并接收反饋信號(hào)，然后根據(jù)反饋信號(hào)與氣體流量的比例關(guān)系計(jì)算出實(shí)際氣體的流速，與預(yù)設(shè)值相比較后，將比較結(jié)果反作用于控制流量計(jì)閥門，通過(guò)改變氣體的流速來(lái)改變工作氣體XeF2濃度的大小。

1.2 高速光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集

采集多路重頻光電信號(hào)和工作氣體濃度電信號(hào)的采集卡選用的是NI公司的PCI-5105，它有8路同步采樣通道，60MS/s實(shí)時(shí)采樣率，60MHz模擬帶寬，可用于連續(xù)信號(hào)和脈沖信號(hào)的采集。針對(duì)激光器氣體濃度和光電信號(hào)這兩種不同類型的信號(hào)，5105在采集之前需轉(zhuǎn)換模式，在激光器放電之前的準(zhǔn)備階段，使用連續(xù)信號(hào)采集模式，用于測(cè)量連續(xù)的氣體濃度信號(hào)，當(dāng)濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于采集μs級(jí)重頻脈沖的放電波形及光信號(hào)。5105采集卡通過(guò)PCI總線與計(jì)算機(jī)通信，相比較于傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)PCI總線與計(jì)算機(jī)的通信速度遠(yuǎn)超示波器的GPIB或USB數(shù)據(jù)線，這對(duì)于高速重頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集以及處理有較高的優(yōu)勢(shì)；(3)由計(jì)算機(jī)控制的采集卡能方便的與其他控制設(shè)備組成新的虛擬儀器系統(tǒng)，采集到的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)綜合并分析處理后，能夠及時(shí)反饋回各種測(cè)控設(shè)備；(3)以計(jì)算機(jī)為依托，對(duì)各種信號(hào)的分析處理能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于各種臺(tái)式儀器。

圖3 控制程序濃度測(cè)量界面

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)將分為兩個(gè)部分來(lái)檢測(cè)虛擬儀器在藍(lán)綠激光器工作時(shí)的狀態(tài)：一是監(jiān)測(cè)激光器工作介質(zhì)的濃度并通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)大??；二是測(cè)量激光器在單次或重頻狀態(tài)下的放電波形及光信號(hào)，并與示波器所測(cè)量的信號(hào)相比較，查找是否有不一致或者失真的情況發(fā)生。

2.1 濃度的測(cè)量

如圖3所示，通過(guò)程序界面的游標(biāo)可以調(diào)節(jié)流量計(jì)閥門的大小，并在軟件中實(shí)時(shí)顯示出工作氣體XeF2濃度值，當(dāng)濃度達(dá)到要求之后，程序?qū)?huì)顯示出全時(shí)長(zhǎng)濃度的變化過(guò)程，圖中顯示了4分鐘之內(nèi)采集卡所采集到的8萬(wàn)個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的集合代表了XeF2氣體濃度的變化情況。

2.2 放電波形及光信號(hào)的采集

XeF2的濃度達(dá)到要求之后，點(diǎn)擊濃度與電信號(hào)轉(zhuǎn)換按鈕，手動(dòng)將5015采集卡調(diào)整至采集脈沖波形的待觸發(fā)狀態(tài)；激光器放電后，數(shù)采卡被觸發(fā)，并將所采集到的信號(hào)顯示在程序中，測(cè)量信號(hào)的波形如圖4所示，其中包括了3路激光器放電電流波形和1路光信號(hào)。

在數(shù)采卡最高采樣速度60MS/s的條件下，采集μs級(jí)的脈沖信號(hào)的能力與示波器差別不大，由圖4與圖5看出，采集卡所采集信號(hào)與示波器的采集信號(hào)在信號(hào)特征上類似，完全能夠滿足測(cè)量要求。

圖4 控制程序光電信號(hào)采集界面

圖5 示波器DPO4104采集波形

2.3 重頻電信號(hào)的采集

在藍(lán)綠激光器重頻放電的過(guò)程中，程序?qū)⒅鸫蔚娘@示每一次放電的電流波形，并用數(shù)據(jù)庫(kù)的形式將數(shù)值保存下來(lái)，在放電結(jié)束后，可通過(guò)數(shù)據(jù)讀取軟件將放電波形重新繪制，如圖6所示，圖中的波形是激光器10HZ重頻條件下放電15次的電流波形情況。

圖6 重頻運(yùn)行時(shí)的放電波形

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，使用pc為基礎(chǔ)的虛擬儀器設(shè)備，能夠滿足藍(lán)綠激光器在重頻狀態(tài)下對(duì)高速光信號(hào)的測(cè)量要求，為加強(qiáng)藍(lán)綠激光器的自動(dòng)化水平，提高工作效率，有較大的幫助。

3.結(jié)論

將虛擬儀器技術(shù)代替各種臺(tái)式儀器，用于監(jiān)測(cè)藍(lán)綠激光器運(yùn)行過(guò)程中的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)對(duì)XeF2濃度的遠(yuǎn)程閉環(huán)控制及對(duì)μs級(jí)重頻激光器放電波形的采集工作，可異步監(jiān)測(cè)連續(xù)和重頻脈沖兩種不同類型的電信號(hào)，重頻采集能力達(dá)到10HZ以上，并能夠通過(guò)編寫控制程序?qū)烧呓Y(jié)合在一起，完成了激光器重頻運(yùn)行時(shí)對(duì)其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及處理任務(wù)，提高了數(shù)據(jù)處理效率，節(jié)約了運(yùn)行成本，保證了激光器的順利穩(wěn)定運(yùn)行。

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