（光学工程专业论文）燃烧驱动化学激光器测控系统的初步研究.pdf

国防科学技术大学研究生学位论文 摘要 测控系统是确保化学激光器正常运行的一个重要组成部分，本文利用虚拟仪 器技术对燃烧驱动化学激光器的测控系统进行了初步研究，内容主要包括： l 、对燃烧驱动化学激光器测控系统的整体结构进行了规划，将其分为五个部 分，分别是压力监控及单路检测，激光器启动运行控制，气压和质量流量测量， 安全报警，数据处理。 2 、详细介绍了测控系统的工作原理，结合了虚拟仪器技术，对燃烧驱动化学 激光器测控系统的硬件进行了规划和设计，分析了每个部分的功能，尤其是对数 据采集卡的功能，做了充分的说明和利用。设计制作了信号调理电路，初步研究 了适应本系统电路的信号抗干扰办法。 3 、给出了用l a b v i e w 设计测控系统软件部分的方法，其中详细介绍了数据 采集方案以及采集程序的设计和优化，解决了多块采集卡的同步问题；并用多功 能数据采集卡控制输出信号。 4 、优化了测控系统的软件设计，利用状态机来合理构建程序结构，分析并提 出了一种新的滤波方法，能快速有效的进行实时信号滤波。 最后给出了实验结果，表明系统的功能基本达到了设计要求，实现了压力的 自动测量和处理，激光器的控制运行，满足实际应用的需要。 主题词：化学激光器，测控系统，l a b v le w ，虚拟仪器 第1 页 国防科学技术大学研究生学位论文 a b s t r a c t m e a s u r ea n dc o n t r o is y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o p o r t i o nt o i n s u r et h ep r o p e rf u n c t i o no fc h e m i c a il a s e r t h i sp a p e rh a si n i t i a l l ys t u d i e dt h e m e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e mw h i c h i su s e do nt h ec o m b u s t i o nd r i v e n c o n t i n u o u sw a v ec h e m i c a ll a s e r ，u s i n gt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) t h em a i nc o n t e n ti sf o l l o w i n g ： a tf i r s t ，t h ew h o l ec o n f i g u r a t i o no fm e a s u r ea n dc o n t r o i s y s t e m o n c o m b u s t i o nd r i v e nc h e m i c a il a s e rh a sb e e np r o g r a m m e d 1 th a sb e e nd i v i d e d i n t of i v ep a r t ，i n c l u d i n gt h ei n s p e c t i o no fp r e s s u r ea n ds i n g l eg a sp a t h ，t h es t a r t a n do p e r a t i o nc o n t r o lo fl a s e r ，t h em e a s u r e m e n to fa i rp r e s s u r ea n df l o wm a s s ， s a f e t ya l a r m ，d a t ap r o c e s s i n g s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h em e a s u r e a n dc o n t r o is y s t e mi nd e t a i l c o m b i n e dw i t hv i r t u a l n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h e p a p e rg i v e st h ed e s i g na n dp r o g r a mo ft h ew h o l eh a r d w a r es y s t e m ，i n t r o d u c e s t h ef u n c t i o n o fe v e r y p a r t ，e s p e c i a l l ye x p l o i t e d t h em u l t i f u n c t i o no fd a t e a c q u i s i t i o n ( d a q ) c a r d t h ea u t h o ra l s od e s i g n st h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i t ，h a sa p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ew a yo fa n t i - j a m m i n gf o rt h es i g n a li nc i r c u i t t h i r d l y ，i tj sg i v e nt h em e t h o do fs o f t w a r em a k e u pw i t hl a b v i e wo ft h e s y s t e m i nt h ep a p e r ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ew a yo fd a t ea c q u i s i t i o ni nd e t a i l ， t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ec o d e ，f i g u r e so u th o wt o s y n c h r o n i z e m u l t i b o a r dd a qc a r d ，t r i e st oc o n t r o lt h ed i g i t a ls i g n a lo u tw i t hm u l t i f u n c t i o n d a qc a r d f o u r t h l y ，i nt h ep a p e rt h ea u t h o ro p t i m i z e dt h ed e s i g no fs o f t w a r e b a s e do n t h er e s e a r c ho fd i g i t a lf i l t e r i n g ，t h ep a p e rp r e s e n t san e wd i g i t a lf i l t e r i n gm e t h o d ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l ya n d q u i c k l yd or e a lt i m es i g n a lf i l t e r i n g a ti a s t t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e m 。sf u n c t i o n s c a t c ht h er e q u i r e m e n to ft h ed e v i s ea n da p p l i c a t i o n s c o m p a r i n gw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h en e ws y s t e m s t r i k i n g l y r e d u c e sm a n u a l w o r ka n d i n c r e a s e st h et e s ta n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c h e m i c a ll a s e r ；m e a s u r ea n dc o n t r o l ；l a b v i e w ；v i r t u a l i n s t r u m e n t s ； 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：玉辜一 日期： 川年，二月乡日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书， 学位论文题目：燃烧壅麴丝堂邀羞墨型撞鍪统煎塑生珏窀 学位论文作者签名： 重瘁一一 日期： 纠年，二月3 日 储特教师擀：j 叠二魄7 郸月多日 国防科学技术大学研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 燃烧驱动化学激光器的发展概况 化学激光器是通过放热化学反应产生增益介质的粒子数反转并在振荡腔中获得激 光的装置川。其中燃烧驱动的连续波( c o n t i n u o u sw a v e ，c w ) 氟化氘氟化氢( f l u o r i d e d e u t e r i u m f l u o r i d eh y d r o g e n ，d f h f ) 化学激光器是化学激光器的典型代表，自1 9 6 9 年 美国科学家d j s p e n c e r 等人首次成功演示连续波d f h f 化学激光器以来拉j ，c wd f h f 化学激光器就以其特有的优势，一直倍受关注，在二十世纪七八十年代得到飞速发展【3 】。 美国政府极为重视c wd f h f 化学激光器的发展，每年拨出巨资进行研制，一直处 于领先地位。1 9 8 3 年美国建成了一台输出功率达2 2 m w 的d f 化学激光器( 称为中红 外先进化学激光器，简称m i r a c l ) ，光束质量达到2 倍衍射极限，它先后成功地击落 亚音速飞行的靶标、超音速飞行的导弹，破坏飞行中的火箭，使在轨卫星的传感器达到 饱和。1 9 9 2 年功率为5 m w 的a l p h a i ih f 化学激光的光束质量达到了近似衍射极限， 计划把它作为太空激光武器使用。美国和以色列于1 9 9 6 年开始联合研究战术高能激光 武器系统( t a c t i c a lh i g he n e r g yl a s e r ，t h e l ) ，目前正在研制机动战术高能激光武器 系统( m o b i l et h e l ，m t h e l ) ，他们使用的都是d f 激光器，其中t h e l 的演示系统 已经在不同的作战场景下击落了2 8 枚火箭弹和5 枚炮弹，清晰地展示了用激光武器系 统来防御类似威胁的可行性。 我国从八十年代初开始从事c wd f h f 化学激光器的研究，先后研制成功电弧加热 型、燃烧驱动型c wd f h f 化学激光器和泛频c wh f 化学激光器。经过二十多年的努 力，输出功率大幅度提高，光束质量得到了明显的改善。 目前，研究人员仍在不断改进化学激光器的性能，使化学激光器向高效率，紧凑化 和经济化的方向发展，以实现军用和民用的实用化。 1 1 2 本课题的意义 燃烧驱动连续波h f 化学激光器，是通过h 2 和f 原子的化学反应形成h f 分子的粒 子数反转而产生激光的，其粒子数反转的方法是将分开通入的氧化剂和燃料经过超音速 混合喷管进入光腔，一旦反应物混合到一起，就发生一个快速的强放能的泵浦反应，使 反应产物h f 分子处于振动激发态i - i f ( v ) ，当粒子数形成部分反转后就进行受激发射， 发出激光。所谓燃烧驱动就是将含f 的氧化剂和一种燃料混合燃烧，燃烧造成的高温使 过量的含f 氧化剂分解产生f 原子，f 原子就可与h 2 反应产生振动激发态h f ( v ) 1 4 1 。 第1 页 国防科学技术大学研究生学位论文 激发h f d f 化学激光的基本原理是相同的，所不同的只是h f 分子和d f 分子结 构不同而引起的能级跃迁和波长不同。同样对于h f 激光器和d f 激光器两种激光器在 装置上也是基本相同的，只是所用燃料不同，h f 激光以h 2 作燃料而d f 激光以d 2 作燃 料，以及腔镜有各自不同的波长要求。 燃烧驱动连续波h f d f 化学激光器主要由燃烧室、喷管组件、光腔和扩压器四大 部分组成。燃烧室是利用燃烧驱动的引发技术从含f 氧化剂中解离出泵浦反应所需的f 原子；具有特定型面和结构的喷管组件是连续波h f d f 化学激光器中的一个关键部件， 它前接高温高压的燃烧室，后接低温低压的光腔，对化学激光器的性能有极大的影响； 光腔的主要作用是提供反应空间，并利用腔体几何形状对激活介质造成光学谐振条件， 从而获取放大作用和相干辐射输出；扩压系统接在光腔后面，其作用是把来自光腔中的 超音速低压混合气流，平稳的滞止，变成低速气流，而使压力升高，然后再用引射技术 将废气直排大气或者用具有连续抽速的机械真空泵来排放废气。 在化学激光器研究和发展中，相应的测量控制装置起到了及其重要的作用，尤其是 对气体压力和质量流量的测量，非常有利于激光器性能的分析和激光器运行状态的控制 和研究： 其一，气体的压强是化学激光器基本的运转参数，气体流速等参数可以通过测量压 力来推算。气流在某点的马赫数也与该点的压力有关，而只要知道了流场中几个代表点 的马赫数，则对流场性能就有明确的了解，从而鉴定激光器的气动性能设计是否合理和 喷管出口的流场是否均匀，以便通过实验不断的对激光器的结构进行改进。燃烧室压力， 燃烧室温度，腔压等都是衡量激光器性能的重要参数，燃烧室的热力学状态，激光器工 作介质的化学成分，氧化剂与燃料之间配比等对激光器的输出功率有重要影响【5 】。各路 反应气体的质量流量是影响激光器输出功率的重要因素。 其二，在原料气体从高压气瓶到进入激光器之前的气路中，一般经过减压阀、电磁 阀和文氏管，通常减压阀对气压的标定值不会很精确，真正有参考价值的是文氏管上游 的滞止压力，它对激光器的运行状态有重要影响。此时压力的测量，也有利于对减压阀 比较精确的调节，使激光器达到所需要的气路配比关系。 其三，精确控制激光器的气流注入和启动时间，才能使反应气体的配比达到实验所 要求的比值，完成实验预期目标。 因此，为了准确测量各种气体在燃烧室、超音速喷管、光腔、压力恢复系统等处的 压力和各反应气体的质量流量，精确控制激光器的气流注入和启动时间，为高功率化学 激光器的研究积累参数，就需要一套专门针对化学激光器的测控系统。此外，测控系统 还应能预防意外发生，在化学激光器的运行时候，有时会发生由于人为的疏忽或者其他 因素造成的实验事故，比如真空蝶阀忘记打开( 实验型化学激光器反应所产生的低压废 气是借助大型真空装置由机械真空泵连续抽走，没有实验时蝶阀一般关闭) ，带来的损 第2 页 国防科学技术大学研究生学位论文 失是巨大的，这就需要采取措施避免意外情况发生。 现代测控技术的发展为化学激光器测控系统的设计和研究提供了便利，尤其是虚拟 仪器技术，大大减少了系统开发所需要的时间和难度，并且还能保证所需要的精度和准 确性。该技术己广泛应用于机械控制、仪器测量等领域中，但是在激光器控制领域中还 应用较少，下面就对虚拟仪器技术做简要的介绍。 1 2 1 虚拟仪器概述 1 2 虚拟仪器技术简介 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 是基于计算机的软硬件测试平台 7 1 ，它的核心 技术思想就是“软件即是仪器 。该技术把仪器三部分： ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心； ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实 际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集( d a t ea c q u i s i t i o n ，d a q ) 设备、通 用接口总线( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，g p i b ) 仪器、v m e 总线的仪器扩展( v m e b u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，v x i ) 总线仪器模块、p c i 的仪器扩展( p c ie x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n ，p x i ) 总线，串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要是上述五种类型。本 文使用的是第一种构成方式，这种方式借助于插入计算机内的板卡( 数据采集卡、图像 采集卡等) 与专用软件，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 或通用编程工具v i s u a lc + + 和 v i s u a lb a s i c 等相结合，可以充分地利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利； ( 3 ) 软件结构：虚拟仪器软件由两大部分构成。其一是应用程序，它包含两方面 的程序，一方面是实现虚拟面板功能的前面板软件程序，另一方面是定义测试功能的流 程图软件程序。其二是i o 接口仪器驱动程序，这类程序用来完成特定外部硬件设备的 扩展、驱动与通信。 开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发工具。 概括起来有两大类，文本式编程语言( 如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等) 和图形化编程语言( 如l a b v i e w 、h p v e e 等) 。 1 2 2 虚拟仪器的特点及优势 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软 件是虚拟仪器的核心( 如图1 1 所示) ，其中软件的基础部分是设备驱动软件，这些标准 的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之 一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件 ( 如g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 ，d a q 板) 和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器 第3 页 国防科学技术大学研究生学位论文 模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的 软件模块【s 】。由于v i 的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的 测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满 足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的 v i 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。 图1 1 虚拟仪器的结构 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势1 9 】，归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导 致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现 比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简 洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元 件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户 的要求和操作需要来设计仪器面板。 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。 ( 3 ) 仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。 ( 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 ( 6 ) 由于其以p c 为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本 身来完成，而是在软件的支持下，利用p c 机c p u 的强大的数据处理功能来完成，使得 基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测 量【1 3 】。 ( 7 ) 可方便地存储和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 ( 8 ) 虚拟仪器可在较高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更 新周期。 第4 页 国防科学技术大学研究生学位论文 在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生的一门必修课 程。与此同时，美国h p 公司、泰克公司等公司也加入了研制虚拟仪器的行列。美国的 g e o m a t i c s 公司和g o l d s m i t h 公司利用虚拟仪器开发工具，研制开发了农业自动化灌溉 系统和秧苗分析系统；挪威c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试北海油田、 大气、水流的m p f m 系统。 在我国，虚拟仪器设计、生产、使用也逐渐起步，有几家企业如泛华测控仪器公司 在研制虚拟仪器，产品己在国内市场与n i 公司竞争。国内单位和院校正加紧步伐研究 和开发自己的虚拟仪器系统，我校进行了虚拟数字示波器的设计研究，其结果与h p 公 司的双通道台式数字存储示波器相比，增加了以下功能：增加了频域分析功能；充分利 用计算机的存储与外设连接的能力，测量结果和波形直接打印输出；提供了网络接口， 允许通过t c p i p 协议进行远程控制和数据共享；软件模块可修改或增加形成新的功能； 硬件具有开放性，可升级硬件以提高其性能。东方振动和噪声技术研究所研制成了 i n v 3 0 3 3 0 6 智能信号自动采集处理分析仪系统，并推出了d a s p ( d a t aa c q u i s i t i o n & s i g n a l p r o c e s s i n g ) 软件；重庆大学开发了虚拟实时噪声倍频程分析仪，实现了对噪声总声压级、 各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车 发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。 1 3 1 论文的主要任务和内容 1 3 论文内容 本文结合化学激光器的自身特点，虚拟仪器及l a b v i e w 图形化语言在数据采集， 数据处理，控制等方面的优势，应用现代测控技术新的发展与研究，设计了基于虚拟仪 器的燃烧驱动化学激光器测控系统，并给出了系统的调试结论。针对系统中的数字滤波 技术问题，提出了新的方法。实验表明，采用虚拟仪器技术设计的化学激光器测控系统， 在保证系统可靠性的前提下也简化了实验过程和数据处理过程。 本论文的重点主要包含下面几个方面： ( 1 ) 系统硬件设计 根据实验室现有条件，该系统硬件以p c 机为核心，选用p t 3 0 1 型压力变送器完成 对压力信号到电信号的转变。选用美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p ，n i ) 的数据采集卡完成被测信号的采集。设计了信号进入数据采集卡前的信号调理电路。选 用电磁阀，点火器等完成了对激光器运行的控制。 ( 2 ) 测控软件设计 软件包括对传感器信号的数据采集，激光器运行控制，数据处理，异常状态检测， 气路检测等几个主要的模块，可以完成运行参数输入、数据曲线回显、实验数据有效性 第5 页 国防科学技术大学研究生学位论文 监控、数据存储、数据处理和实验报告自动生成等其他功能。 ( 3 ) 数字滤波技术 在气路检测时，没有绝对稳定的气流，某状态下不同时刻采集到的数据会有所波动。 在激光器运行时，气压数据含有环境噪声和电路噪声，所以采取什么样的办法进行滤波 处理才能获得比较准确的数据结果有待进一步研究，这也是本文的重点之一。 本论文的技术难点主要包含下面几个方面： ( 1 ) 构建一个激光器测控系统软件结构 软件主体上采用l a b v i e w 实现，l a b v i e w 自身特点决定了构造合理的软件结构 框架相对较难，尤其是对于复杂系统更是难以把握。 ( 2 ) 信号噪声处理的数字滤波技术 ( 3 ) 多块采集卡实现同步采集 由于化学激光器测控的特点，需要实现气路的多路测量，往往一块数据采集卡不能 完成所有的功能，这就需要根据硬件连接的特点，从软硬件上实现同步采集。 ( 4 ) 软件结构的科学性 目前，由于本系统还在初始搭建阶段，随着对化学激光器的研究与制作更深入，需 要实现的测量和控制要求会更多，这就要求在程序编写时有一定的可扩展性，要注意合 理的布局，结构分明，层次清楚，能适应硬件的一定调整。 ( 5 ) 减少传感器输出的噪声，达到精确测量的目的。 1 3 2 各章节主要内容 第一章：介绍课题研究的背景与意义，尤其提到了气压测量在化学激光器研究中的 重要性，简要介绍了课题的基础虚拟仪器技术，说明了本论文的任务和完成情况； 第二章：介绍激光器测控系统的整体构成，结构与设计； 第三章：本章从两个方面介绍了气压测量理论的有关内容：介绍了气压测量和流 量测量的基本原理，并对扩散硅压力传感器的测量原理做了详细说明；对数字滤波技 术作了简要介绍； 第四章：本章作为此论文的重要内容，给出了系统的硬件详细说明及设计方案，介 绍了系统所用的数据采集卡，设计了信号调理电路； 第五章：本章是论文的核心章节，详细介绍了测控系统的软件设计方法，给出了软 件的整体结构，流程，并在l a b v i e w 这个基于数据流的图形语言中引入了状态机的概 念，在数据处理部分作出了对数字滤波器的设计，实现了对多块数据采集卡的同步控制 采集； 第六章：本章对全文进行总结，并给出作者认为系统需要改进的地方。 第6 页 国防科学技术人学研究生学位论文 第二章激光器测控系统的整体构成与设计 激光器的测控系统主要目的是通过控制激光器的各路原料气流的输入，点火器的开 关等来控制激光器的开启运行，同时要能测量特定位置的压力，尤其是原料气流的输入 压力，以便实验人员参考调节。结合控制系统的理论，激光器的测量控制系统可以看做 一个典型的顺序控制系统【l o j 。并且根据功能要求，可将燃烧驱动化学激光器的测控系统 大致分为五个部分j ，分别为压力监控及单路检测，激光器启动运行控制，气压和质量 流量测量，安全报警，数据处理，这样也便于模块化的编程。 2 1 激光器测控系统概述 所谓顺序控制是指依照预定的步序，各步序满足预定的条件顺序处理控制执行元件 动作【1 2 】。其大致的结构框图如图2 1 所示，下面结合激光器控制系统的功能要求，对结 构进行详细说明： 幽2 1 控制系统结构 ( 1 ) 控制中。1 5 ：这是流程控制系统的核心部分，它接受输入控制信号，并对输入 信号进行逻辑处理，产生完成各种控制作用的输出控制信号。其输入输出的关系可表达 为 z i = f ( x i ，y i ) ( 2 1 ) 式中，m 是系统的现时输入，y f 是系统现时状态，z f 是现时输出，它是现时输入 和系统现时状态的函数。 ( 2 ) 输入模块：因为输入信号的多样性，所以现场信号一般不能直接加到起核心 控制作用的控制器上。例如输入的气压、温度、电流、电压等被测量信号，均为模拟量， 第7 页 国防科学技术大学研究生学位论文 只有经过模拟量转换模块才能被控制器所接受。 ( 3 ) 输出模块：与输入模块相似，是将控制器的输出控制信号转变成驱动执行机 构的信号。 ( 4 ) 检测模块：在实行控制线路中为了使整个系统工作可靠稳定，控制器应及时 了解控制对象执行情况，就需要对这些部分进行检查和测量，然后将测量信号送回控制 器。 ( 5 ) 用户界面与报警：提供人机交互界面，通过它使调整维护方便，并在激光器 运行时，随时监视气压的变化，及时向操作人员发出故障报警，并且随时监控激光器的 运行状态。 2 2 激光器测控系统的构成与设计 激光器控制系统的结构框图如图2 2 所示。 2 2 激光器控制系统结构 ( 1 ) 压力监控及单路检测 主要功能是对原料气罐的输出气体在文氏管处的压力进行控制和监视，在激光器运 行前调节好，保证原料气体按要求准确供给。并能够在激光器运行前检测各路电磁阀的 状态，对每个控制通道的执行元件实现选择性的检查，以便及时地发现、排除故障。 ( 2 ) 激光器启动运行控制 燃烧驱动化学激光器正常运行时，必须控制所需的各种原料气体，以一定的流量和 一定的时序快速注入激光器，因此这个部分的主要功能是通过打开、关闭电磁阀控制激 光器的进气量和比例，并在燃烧室内及时点火引发燃烧反应，启动激光器运行。 ( 3 ) 气压和质量流量测量 在激光器的启动运行中，准确测量气压值是非常重要的，工作气体气压和比例的稳 定将影响燃烧驱动化学激光器的稳定性及出光功率。与此同时为了及时诊断激光器的运 行状况，修正运行参数，并将化学激光器内部多种气体的质量流量定量地与它的输出光 功率联系起来，验证数值模拟的结果，需对激光器进气系统各路原料气体的实际流量、 第8 页 国防科学技术大学研究生学位论文 器件上各布测点的压力进行测量。质量流量值的获得直接与压力测量有关，论文后面有 相关理论的介绍。并且要将数据实时存储，以便后续处理。 ( 4 ) 安全报警 化学激光器在运行前需要将各路气瓶接好，冷却水装置要打开，尤其是保证连接真 空系统的真空蝶阀打开等等，如果任意一个环节出现问题或者疏漏，就会引起实验的失 败，带来巨大的损失。加入安全报警环节，可以在正式实验前排除这些状况，当检测数 值异常时，会在软件面板上高亮并发出警报来提醒实验人员，并可以克服传统的声光报 警装置信息显示不够全面详尽的不足。 ( 5 ) 数据处理 由计算机完成对保存数据的分析、处理、绘图、并生成文档，供测试人员诊断分析 出光前后光腔内气体压力的变化，诊断激光器的运行状态，为以后修正运行参数作参考。 虽然整个激光器的控制测量参数较多，计算存储量大，但是其结构并不复杂，采用 单一工作站的方式来设计整个测控系统就可以满足要求。 p c 工业控制计算机上的软件用来设置运行参数，监控硬件运行，存储并处理数据， 打印工作报告；而以多功能数据采集卡为核心的硬件主要完成数据的采集，执行用户程 序，检测各种状态，实现最终控制。 2 3 本章小结 本章简要介绍了化学激光器测控系统的整体构成，指出激光器的测量控制系统可以 看做一个顺序控制系统，并且根据功能要求，将燃烧驱动化学激光器的测控系统分为了 五个部分，以便从硬件和软件两方面设计测控系统的结构。在后面的硬件和软件设计中 也是按照这个结构进行的。 第9 页 国防科学技术大学研究生学位论文 第三章激光器气压测量理论 测控系统需要测量大量的参数，包括压力、温度等，这些物理量是通过各种传感器 转化成电压、电流、频率等信号，再经过数据采集和数据处理后获得的。其中把传感器 送出的模拟信号转化成数字信号送计算机存储的过程称为数据采集i i 引。把所采集的数据 进行整理、分析、计算、滤波、压缩、扩展、预测及评估以提取数据中有用的信息，并 以文字、图表、图形、图像或声音方式表达出来的过程统称为数据处理【l 引。 在激光器启动及运行过程中，准确测量气压值和输入气流的质量流量是非常重要 的。要获得准确的参数值，以便对激光器进行深入实验研究，从传感器的选择，到采集 后的数据处理都十分重要，因此下面对相关理论作简要说明。 3 1 物理原理 3 1 1 扩散硅压力传感器的测量原理及压力变送器 扩散硅压力传感器是应变式压力传感器中性能较为优越的一种【1 6 】【17 1 ，与其它应变式 压力传感器相比，它具有体积小、成本低、稳定性良好等优点。 其机械原理如图3 1 所示，过程压力通过隔离膜片、密封硅油，传输到扩散硅膜片 上。同时参考端的压力( 大气压，绝压或密封压) 作用于膜片的另一侧，这样在膜片两 边加上的差压产生一个应力场，它使膜片的一部分压缩，另一部分拉伸，在压缩区和拉 伸区分别有两个应变电阻片，以感受压力引起的阻值变化，配以适当的外围电路，从而 将压力信号转化成电信号。 参考端压力 硅 膜片 被测压力 图3 1 机械原理图 与传统的应变片不同，扩散硅压力传感器中的应变电阻是直接在硅膜片受压部表面 的中央与周围区域中，用杂质扩散的方法形成，无须粘贴，具有优良的灵敏度、线性度， 并无迟滞。膜片的扩散硅电阻在电器性能上联结成惠斯登电桥结构【1 8 】【19 1 ，如图3 2 所示： 第1 0 页 国防科学技术大学研究生学位论文 图3 2 惠斯登电桥测量原理 图3 2 中，u 为电桥的激励电压，v 为电桥的输出电压值，足、j 6 c ”r ，、尺。为直 流电桥的桥壁电阻。 膜片受到压力产生的形变转化为电阻值的变化，进而使y 相应变化： 矿u = ( a r l r l a r 2 r 2 一a r 3 r 3 + a r 4 r 4 ) 4 ( 3 1 ) 欲，足为电阻冠的相对变化，其余依此类推。电阻的相对变化与所受电压成正比。 在恒定温度下，硅压力传感器具有良好的线性，气压测量值与传感器输出信号电压的关 系可表示为： 尸( y ) = ( v k ) 彳 ( 3 2 ) 其中，v 为传感器输出的信号电压，k 为传感器零点电压( 以下简称为零点) ，4 为 传感器的灵敏度，尸( 矿) 为所测气压值，e ( v ) 这一线性函数为平面坐标内的一条直线，彳 为斜率。 扩散硅电阻的阻值并非与温度无关，尽管硅压力传感器电桥的电阻是在同一硅基片 上扩散形成以获得相似的温度特性。同时传感器的紧凑结构使得应变电桥的电阻一般情 况下处在同样的温度下，以使整个电桥的输出少受温度的影响，但最终温度的影响还是 会引起测量结果的误差，因此需要对传感器中的电桥电阻进行温度补偿。 扩散硅压力传感器的温度补偿一般分为内补偿和外补偿【2 0 】，内补偿一般通过传感器 的设计、制造工艺、封装材料和形式来减小零点和满量程的温度系数。由于内补偿有局 限性，所以一般进行外补偿。外补偿的形式有很多种，有通过固定电阻网络的两点式补 偿；通过热敏电阻网络的三点式补偿；通过单片机的智能多点补偿等。 热敏电阻补偿的方法如图3 3 所示，图中的热敏电阻r 。处在与传感器电桥相同的温 度条件下，当电桥的灵敏度随着温度升高而下降时，热敏电阻尺。的值也下降，使电桥 的输入电压随着温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因电桥引起的输出下降。 选择分流电阻尼的值，可以得到良好的补偿。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生学位论文 图3 3 热敏电阻补偿法 近年来的发展趋势是利用集信号处理、温度补偿于一体的传感器专用信号调理芯 片。通过温度传感器或者内部桥路电阻的温度敏感性来感应或检测环境温度，温度经 a d 转换作为地址指针，依据此地址查找储存在存储器中相应的零点和满量程的温度修 正系数，再经d a 转换成模拟量，修正温度漂移。 压力变送器( p r e s s u r et r a n s m i t e r ，p t ) 一般包含检测部分和电路转换部分。检测部 分一般是指上文所说的硅压力传感器，它形成的电压信号被输送到电路转换部分后，通 过变换、整理、放大等环节，最后输出一个标准电信号( 可能是电压，也可能是电流) ， 这个标准信号与被测压力成正比1 2 。而标准型号输出的优点是抗干扰能力强，适合远距 离传输。 综合以上几点，考虑到测控系统的整体性、复杂性，选用压力变送器比单一的选择 压力传感器好。后者要进行温度补偿，而前者将所有的功能集成，并可以输出标准的电 信号，不易受外界影响，有较强的抗干扰能力，对于信号的准确性和精确性有较好的保 证，所以在本测控系统中均选用的是p t 3 0 1 型压力变送器，它使用的是热敏电阻补偿。 3 1 2 激光器的气压测量原理 激光器的气压测量一般是测量流动的气体压力，有一个定向流动的动能叠加到气体 分子不规则运动的动能上。为了能概括气体流动的情况，通常将压力分为静压和动压， 静压是运动流体或静止流体的实际压力，动压相当于流体定向运动动能的压力。总压就 是静压和动压之和。 在本测控系统中，所有压力变送器测量的都是气流的静压，所用的方法是在气体流 动的边界表面上，按一定的方式( 使流线相对不受干扰) 钻出一些小孔进行测量。如图 3 4 所示，为直角边缘的小孔。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生学位论文 l i i i d i i l 图3 4 壁面测压孔示意图 测量气体流量，目前已有许多方法，其中，基于临界流量理论【2 2 】的临界流文氏管( 又 称临界流量计) 是一种发展较为迅速的气体流量测量装置。它对于解决大流量气体测量 有其优点所在，如结构简单，复现性好，精确度比较稳定。 文氏管的结构如图3 5 所示，是个孔径逐渐减少的流道，孔径最小的部分称为喷管的 喉部，在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道，它可以使压力得到恢复，从而减少临界流 喷管的压力损失。在激光器气路的流量测量和控制时，激光器内部一般是经过真空机组 排气后的低压环境，从储气瓶里出来的高压气体在经过减压阀的调节后，其压力也大于 激光器内部的压力。所以，电磁阀打开后，气体经过文氏管喉部，压力减小，喷管喉部 的气流速度增大，随着压力的减小，喉部的气流速度会达到一个临界点，即音速，管道 内的气体流量廊达到临界流量，气体在喷管喉部的状态称为临界状态。在入i z l 温度瓦， 压力只保持一定的情况下，继续降低下游压力p ，也不会引起通过文氏管的流量改变， 这样就在一定的范围内隔绝了下游压力波动对流量的影响，保证了确定的流量【2 3 】。 图3 5 文氏管结构示意图 测量气体流量时，对于喉部截面积彳，比热比y ，喷管的流出系数c 与通用气体常 数r 己知时，只要测量来流的总压昂和总温瓦，便可按式下计算出流经临界文氏管的质 量流量： 历= c e o 彳岳 ( 3 3 ) 只可以认为是文氏管上游静压，因为当管路直径大于等于喉道直径的3 倍时，管路 内流速很小，静压近似等于总压；是气体分子量。 因此在标定后，就可以用压力值乘以相应的系数得到流量，这样就可以通过测量激 光器工作过程中的压力数据来计算燃料，稀释剂的流量，以便与理论计算值比较，进一 步研究其与激光器输出光功率的关系。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生学位论文 3 2 数字滤波原理 刚采集到的信号由于各种因素的影响并不是所测信号的真实值，而是加入了各种噪 声的非精确值。将信号滤波后，可以有效去除相关噪声，得到较为准确的值。 滤波器，顾名思义，其作用是对输入信号起滤波作用。当输入、输出是离散信号， 滤波器的冲激响应是单位抽样响应h ( n ) 时，这样的滤波器称作数字滤波器( d i g i t a lf i l t e r ， d f ) 。 广_ 1 x ( ) 二二二= | 办( 甩) ：二二= y ( 甩) 图3 6 线性时不变系统 对应上图的线性时不变( l s i ) 系统【2 4 】 2 5 】，其时域输入输出关系为y ( ，z ) = x ( n ) ：c 办( 聆) ， 对其进行傅立叶变换则得输入输出的频域关系： y ( e ) = x ( e 一) h ( e j ”) ( 3 4 ) 从x ( 胛) 变化成y ( n ) 如果是通过硬件滤波器完成的，那么这个滤波器实际上就起到了 一个数学函数的作用，因此，只要找到了实际滤波器的传递函数，就可以通过这一函数 写出数字滤波器的应用方程f 2 6 j 。其方法是首先求出滤波器的单位阶跃响应的拉普拉斯变 换式，由这一变换式求出其z 变换式，即系统函数： 酢) = 罴= m b k z 一 k = 0 1 一z 以 _ 一“ 七= l ( 3 5 ) 再按线性时不变系统去简化，就可以得到滤波器的实际应用方程( 差分方程) ： y ( n ) = 鲰y ( 尼) + 6 k x ( ，z 一七) (36)k 这里以巴特沃斯低通滤波器为= 例l ：n - y ( k ) = 一q y ( k - 1 ) 一y ( 七一2 ) + b l x ( k 一1 ) + b o x ( k 一2 ) ( 3 7 ) 式中y ( k ) 为本次的输出，y ( k 一1 ) 为上次的输出，y ( k 一2 ) 为上一次之前的输出， x ( k 一1 ) 为上一次的采样值，x ( k 一2 ) 为上一次之前的采样值，a 。、a ，、b o 、6 l 均为常数。 滤波就是对输入序列x ( n ) 进行一定的运算操作，从而得到输出序列y ( n ) 。实现滤波 从运算上看，只需三种运算：加法、单位延迟、乘常数。因此实现的方法有两种2 7 1 ： ( 1 ) 利用软件实现，它即是一段线性卷积的程序； ( 2 ) 硬件数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 实现，其所需的元件是 延迟器、乘法器和加法器。 我们知道，模拟滤波器( a n a l o gf i l t e r ，a f ) 只能用硬件来实现，其元件是电阻( r ) 、 第1 4 页 国防科学技术大学研究生学位论文 电感( l ) 、电容( c ) 及运算放大器或开关电容等。因此，d f 的实现要比a f 容易的 多，且易获得较理想的滤波性能，其原理如图3 7 所示，图a 是离散信号的输入频谱， 图b 是单位抽样响应，其带宽是”，图c 是离散信号的输出频谱。 0 w 0 m w 0 w c w ( a ) 离散