（测试计量技术及仪器专业论文）低温辐射计计量特性、测量装置及量值传递方法的研究.pdf

中国计量科学研究院硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获锝中豳计量科学研究院或其他教育机构的学位 或证书丽使用过的材料。与我一陵工作的间志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：马划 时间： 枷 - 6 功 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国计量科学研究院有关保鹭、使用学位论文的娥定，即：学校有 权僚留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用彩印、缩e p 或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国计量科学研究院可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后适用拳授权说明) 研究生签名： 渚蠢芝j 时闻 l 导师签名：婢 吨 协主6 、 时间：枷r 6 卵 中国计量科学研究院硕士论文 摘要 低温辐射计作为当今世界公认的最准确的光辐射测量手段已经被全世界很多国 家作为研究重点。 陷阱探测器具备的诸多优点使之成为低温辐射计进行量值传递的工具。实验表明 陷阱探测器的一些特性对量值传递过程产生着不可忽视的影响，比如：响应均匀性， 偏振特性、角度特性、温度系数。通过系列针对性的实验，定量确定了这些因素对 量值的影响。 围绕低温辐射计，进行了其他的外围实验和研究。包括激光光路结构及其调整方 法、激光功率稳定器的使用和改进方法、低温辐射计窗口透射比及腔体吸收比的测量 方法和测量结果。 利用自行开发的新低温辐射计测量软件，对低温辐射计系统特性进行了详细研究 分析，给出了测量参数的合理设置方法。最后给出采用虚拟光源方法对系统整体性能 指标的考察结果。 在对陷阱探测器和低温辐射计进行系统实验研究的基础上，实现了利用陷阱探测 器对低温辐射计量值的传递，并且对数据进行了不确定度分析。 关键词： 低温辐射计，陷阱探测器，面响应均匀性，偏振特性，角度特性，温度系数， 激光功率稳定器，窗口透射比，腔体吸收比。 2 、7 中国计量科学研究院硕士论文 a b s t r a c t c i ) ，o g e n i ca b s o l u t er a d i o m e t e “c a r ) ，a sm em o s ta c c u r a t er a d j a t j o n m e a s u r e l n e n tt c c h f l i q u en o w ，h a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u so fm a n vn a 土i o n a l m e t r o l o g yi n s t i t i l t e s t 印d e t e c t o rw j t hi t se x c e l l e mc h a r a c t e r sh a sb e e nu s e da st h eb r i d g eo f q u a n t i 够c h a i ni nc a rs y 8 t e m t h ep a r a m e t e r so ft r 印d e t e c t o r si n c l u d i n g ： s p a t i a 王u n i f o 咖i 劬p o l 撕z a t i o nd 印e n d e n c e ，a 1 1 9 u l a rv a r i a t i o n ，t e m p e r a t u r e c o e 硒c i e n t ，h a v ee 仃e c to nq u a i l t i 够t r a l l s f e rp r o c e s s ，s ot h e s ee 行e c ta r e q u a n t i f i c a t i o n a l l yd i s c u s s e do n m eb a s i so f as e r i e so f s p e c i a le x p 舐m e n t s s o m ep e r i p h e r a l e x p e r i m e ma 1 1 da l l a l y s i s a b o u tc a rh a v e b e e n p e r f o m e d ，i n c l u d e ：l a s e rb e a mp r e p a r a t i o na n d “sa d j u s t m e n t ，l a s e rp o w e r c o n t r o i l e ra 1 1 do u ra c h i e v e m e n to n i n l p r o v i n gi t sp e r f - o 姗a n c e ，m e m e a s u r e m e n to ft r a n s m i t t a l l c eo fb r e w s t e rw i n d o w ，c a rc a v 埘a b s o 印t a l l c e m e a s u r e m e n t u s i n gt 1 1 en e wc a rs y s t e ms o 衔 ，a r e ，m a n yi n h e r e n tc h a r a c t e r so fc a r h a v eb e e na n a l y z e d ，m e ns o m ep a r 锄e t e rs e t t i n gd u r i n gc a r e x p e r i m e ma r e g i v e nm u c h m o r e r e a s o n a b l y u s i n gm e v i r t u a lr a d i a t i o n m e t h o d ，t 1 1 e p e r f o 姗a i l c eo f t h ew h o l ec a rs y s t e mh a sb e e na n a l y z e d 0 n 也eb a s i so fa n a i y s i sa n de x p 幽e n t sa b o v e ，也eq u a m 姆仃a n s 储 讯 mc a rt oo m e rd e t e c t o r sh a v eb e e np e r f o 邶e du s m g 仃a pd e t e c t o ra n dt 1 1 e u n c e n a i n 够o f m e 仃a n s f e rp r o c e s si sa 】1 a l y z e d k e 啪r d s ： c r y o g e m ca b s o l u t er a d i o m e t e r ( c a r ) ，仃印d e t e c t o r ，s p a t i a lu n i f o 肌i 吼 p o l a r i z a t i o nd 印e n d e n c e ，a n g u l a rv a r i a t i o n ，t e m p e 咖ec o e m c i e n t ，l a s e r p o w e rc o f 心o l l e r t r a n s m i t t a i l c eo f b r e w s t e rw i n d o w c a v 姆a b s o f p 胁c e 3 ， 中国计量科学研究院硕士论文 1 1 低温辐射计的发展历史 第1 章引言 绝对辐射计( 电校准辐射计) 是最早用于光辐射计量基准的探测器。绝对辐射计 探测面是一层吸收比很高的黑色物质，接受光照射后会产生温升。绝对辐射计的工作 原理就是利用光辐射加热和电加热的等效性来测量光辐射功率的。随着技术的不断提 高，常温绝对辐射计经历了多次不断的改进，到2 0 世纪8 0 年代，使用常温绝对辐射计 测量光辐射功率的不确定度水平已经接近o 1 。但是由于工作在常温环境下，绝对辐 射计受到材料、环境等诸多因素的影响，其测量不确定度难以进一步降低。 后来通过改进英国n p l 用于测量斯忒藩波尔兹曼常数和复现热力学温度的系统， 到2 0 世纪8 0 年代中期，j m a r t i n 等人建立了第一个可以测量光辐射功率的装置低 温辐射计u 1 低温辐射计的工作原理和绝对辐射计是相同的，但由于工作在液氦温度 所以突破了环境和材料的限制，不确定度比常温绝对辐射计降低约一个量级，显示出 了极其卓越的性能，由此引发了计量发达国家计量院对低温辐射计技术的研究，至今 仍是光辐射计量领域的热点和重点。国际计量局组织了低温辐射计国际比对，共有1 6 个国家计量院参加，比对结果表明世界各国的测量结果的致性达到3 l o 一4 ，这是 到目前为止国际计量局组织的光学计量比对中比对结果最好的一次。低温辐射计已经 成为国际上公认的光辐射测量最准确的方法1 2 】。 1 2 低温辐射计在光辐射计量领域的重要性 在计量学中，各个物理量尽可能地与基本物理常数或测量不确定度低的物理量建 立联系以提高复现或测量水平。在光辐射计量领域各国计量院通常采用的基本计量方 法包括基本辐射源( 高温黑体辐射源和同步辐射源) 和基本辐射探测器( 绝对辐射计 和自校准硅光电二级管) 。低温辐射计达到光辐射探测最低不确定度和最宽的光谱测 量范围。目前硅光电二极管自校准技术由于不确定度限制已经被低温辐射计取代，由 硅光电二极管自校准技术发展起来的陷阱探测器目前已经成为低温辐射计的传递探 测器。高温黑体虽然一直作为基本辐射源，现在已经通过带通辐射计技术与低温辐射 ，6 中国计量科学研究院硕士论文 计建立联系以提高黑体辐射源的复现水平在基于同步辐射源的系统中，由于运行参 数确定的困难，也已经采用低温辐射计作为基准。低温辐射计已经成为辐射源和辐射 探测器共同溯源的源头，成为影响整个光辐射计量技术发展的核心技术。除光谱透射 比和反射比等量纲为1 的物理量外，前言中提到的光辐射计量的重要单位都可以与低 温辐射计建立联系并由此提高相应量的测量准确度。我们国家已经建立了相应量的国 家基准。低温辐射计与其他主要光辐射量和光度学参量的关系如图1 1 所示。【3 1 图1 1 低温辐射计与光度参数和辐射度量值的关系 低温辐射计直接测量的是光辐射功率，目前主要就是激光功率。通过对功率稳定 的激光源配以测量精确的快门就可以提高复现激光能量的水平。目前低温辐射计已经 在一些激光波长或一个波段提高了光谱响应度测量水平。低温辐射计已经为计量院参 加国际计量局组织的探测器光谱响应度比对提供绝对响应度溯源。目前在更宽光谱范 围提高光谱响应度测量水平正在努力之中。通过带通辐射计直接测量黑体辐射源的辐 射温度并以此为基础复现光谱辐射亮度和辐照度的工作已经在美、英、德等国家展开， 他们之间比对的结果令人鼓舞。 在1 9 7 9 年第十届国际计量大会上通过了发光强度单位坎德拉( c d ) 的新定义， 坎德拉的新定义没有规定复现发光强度单位的具体手段，这给利用探测器复现坎德拉 提供了可能性；而且将光度单位与辐射度单位更紧密地联系起来了。关于低温辐射计 的地位，前国际计量局局长q u i 肌博士曾经有如下论述：“现在坎德拉是用绝对 探测器复现的。事实上，低温辐射计几乎是为此目的的唯一选择”。“1 低温辐射计技术 在计量学中的应用应建立基于低温辐射计的新的光学计量体系，将使光学计量的整体 水平得到提高。 7 一 生璺盐量翌兰堡塞堕堡主堡壅 1 3 低温辐射计技术的发展及现状 目前世界上几个主要国家使用的低温辐射计主要有以下几种【5 】f 6 】1 7 8 j 第一种：英国牛津公司制造的r a d i o x 型低温辐射计，使用它的国家实验室包括：澳 大利亚、新西兰、丹麦、目本、韩国等国家的计量院。 第二种：自制的具有鲜明特色的低温辐射计，这样的国家实验室有1 个：芬兰。 第三种：美国剑桥公司制造的l a s e r a d 型低温辐射计，使用它的国家实验室有瑞典、 法国、德国( 布伦瑞克) 、西班牙。 第四种：由n p l 设计、牛津公司制造的垂直瞄准的p s 型低温辐射计，使用它的国 家实验室有美国、意大利、德国( 柏林) 。 第五种：英国牛津公司制造的机械压缩制冷的m c r b 型低温辐射计( 窗口及腔体系 统与r a d i o x 型相同) ，使用它的国家实验室有英国等。 第六种：以单色仪出射光为光源的改善后的低温辐射计c r y o r a d ，使用它的国家实验 室有加拿大、荷兰等。 第七种：俄罗斯( v n i i o f l ) 研制的低温辐射计也别具一格，可惜该实验室没有参加 国际比对，所以在当今世界上共有七种型号的低温辐射计。 国际计量局( b i p m ) 在1 9 9 6 年7 月至1 9 9 7 年1 月组织了低温辐射计国际比对， 比对结果如图1 2 所示，从图中可以看出德国( f r r b ) 、英国( n p l ) 、新西兰( m s l ) 的 结果比较好【9 j 。 由于低温辐射计测量光辐射功率的精度比常温绝对辐射计提高了个量级，所以 在九十年代中期世界上已有2 0 个左右的国家实验室在使用它测量激光小功率。国内 除了中国计量科学研究院，引进低温辐射计的研究单位有合肥的中科院安徽光机所和 西安的国防科工委2 0 5 所。 德国p t b 目前是通过用两台低温辐射计做比对实验，最终的合成相对不确定度最 小为4 i o - 5 ( k = 2 ) 。另外像光谱辐照度、光谱辐亮度等基准也可以利用探测器来保 存传递量值。 英国n p l 早在7 0 年代就开始探索性的研究低温辐射计，可以说它是低温辐射计 研究的先驱，到目前为止仍然保持着领先地位，他们的不确定度已经优于l l o 一。 加拿大n r c 的低温辐射计是基于单色仪的，他们已经实现了3 0 0 n m 1 6 0 0 胁光谱 范围的探测器绝对响应度的测量。这种低温辐射计的实验费用相对用激光波长实现较 - s 中国计量科学研究院硕士论文 c c p r s 3 m p a s o no fc n 帕1 9 e n i ci 礓d j o n e 缸e ，墨 w a y 屯l e n 口”4 8 8 t - u n c r t - h t yb - 删嘲p o n db 甘- x p n d du n c r t - l n q ，膏= 2 挪 t 拍 i1 一 毛” 。i 王i 1 i，f - - - r 土j1 ， ；o 警- l o r 1 上 t 1 + r 一 t 十 5 - 拍 。柏 i l 善 l 墓 萎誊玺望 l 彗警l 。蓉 蓍 。帷帅托删h 妇雌m d 炯黼持f o j x 矗俺州釉埒h m 抽- 蛔印嗽埔撕一m 时m h 岫帅朗p - n di e n 图1 2 国际计量局组织的低温辐射计比对结果 低廉。其不确定度在o ，0 2 量级。目前他们正在努力实现2 0 0 n m 4 0 0 n m 范围的测量。 1 4 论文主要研究内容介绍 低温辐射计计量特性的研究与测量。包括窗口透射比、腔体吸收比、光电替代测 量方法、实验参数设置的合理性等问题。 基于低温辐射计的高精度光辐射功率测量装置的研究。包括测量软件、光路结构、 光束质量、激光功率稳定等方面。 高精度光辐射功率量值传递探测器计量特性的研究与测量。主要是对影响陷阱探 测器光谱响应度的诸多参数进行实验分析，包括空间响应均匀性、偏振特性、角 度特性、温度系数等几个方面。 9 中国计量科学研究院硕士论文 第2 章基于低温辐射计的光功率测量系统原理 2 1 光电替代法光辐射功率测量的基本原理 低温辐射计和绝对辐射计的原理都是光电替代法：用一个温度传感器测量探测器 接收面相对于温度恒定热沉的温升，先只用光照射探测器的灵敏面，等到达稳态后测 量探测器的温升；然后屏蔽掉入射光，调节对探测器加热的电功率，当稳态下探测器 的温升与光加热的温升相同时，测得用于加热探测器的电功率值就等效测量了入射到 探测器的光功率值。 实际上，要做到光电等效下列条件必须满足【10 j ： 探测器灵敏面应该具有高吸收率特性，来保证入射光辐射能被灵敏面完全吸收并 且转化为探测器温升。 电加热功率不能通过其它路径有所损失，比如导线和接插件的导热，应该完全变 为接收单元的温升。 电加热功率与光加热功率的热流通道应该一致，避免由于两种加热模式不同在探 测器中产生不同的温度梯度。 测温传感器应该有小的热容，并且有合适的分辨率和灵敏度。 热沉必须在测量过程中具有很高的稳定性。 系统对杂散辐射应该有良好的屏蔽。 2 2 低温辐射计与绝对辐射计的比较 由于低温、超导、真空等新技术手段的应用，低温辐射计相对于常温绝对辐射计 的精确度得到大幅度提高。低温辐射计相对于绝对辐射计的改进体现在下面几个方面 首先是对入射辐射吸收比的提高。提高接收面吸收比的有效方法是采用高吸收比 的涂层和将探测器做成腔体。在涂层材料无法满足要求的情况下，只能改进腔的 设计。在常温下这样就会使探测器的热容增加很多，使系统的平衡时间延长。对 绝对辐射计系统来说，时间常数短才是所追求的而在液氦温度环境下就可以采 用腔型设计来达到目的，因为制作吸收腔材料的热学特性发生了巨大的变化，比 1 0 中国计量科学研究院硕士论文 热减小三个量级，热导率提高几倍至十几倍，这样腔体的热扩散率就提高约四个 量级，使得高吸收率、短时间常数的接收腔体成为可能。内表面采用高吸收比漫 射材料的斜底圆柱腔体，腔体吸收比高于0 9 9 9 9 。 其次，腔体的热扩散率提高后，腔体更容易达到热平衡，减小了电加热功率和光 加热功率的热流通道的不一致造成的差异，这是常温绝对辐射计的主要误差源之 一 另外，采用超导加热引线消除了连接探测器上电加热部分的引线的功率损失，这 也是常温绝对辐射计主要误差源之一。 最后，工作在液氦温度并包围在该温度的环境下，减小了探测器接收腔与环境辐 射能量的交换；探测器处在真空度达到l o 一5 p a 的环境下，减小了对流能量交换。 综上所述，低温辐射计克服了绝对辐射计的缺点，使得光辐射功率测量准确度得 到大幅提高。低温辐射计的运行原理公式如式( 2 一1 ) 所示。等式的左边反映光加热 的效果，等式的右边反映电加热效果。 y f ( 4 s 刀、， ) = y l ( 2 1 ) “f 式中：f 一一被测的辐射通量( 辐射功率) ； 爿一一腔体的吸收系数： r 一一窗口的透过率： s 一一杂散光修正系数； 一一光电加热不等效系数： 一一腔体电加热器两端的电压； 巧，置一一电加热回路中标准电阻的端电压和电阻值( 巧置得出 流过电加热器的电流) 。 式( 2 1 ) 反映了前述考虑误差因素的光电等效性原理：入射光实际上产生加热效应 的部分( f a s 丁) 经光电加热不等效修正后( f 砖刚) 与测得的电功率( 巧置) 相等。 2 3 系统结构组成和工作原理 系统结构框图如图2 1 所示 2 3 1 低温辐射计 中国计量科学研究院硕士论文 图2 1 系统示意图 计量院的低温辐射计的结构如图2 2 所示。入射光通过布儒斯特窗口进入探测器 接收腔，对接收腔加热；另外，接收腔底部有加热电阻，可以通过控制施加的电压调 整电加热功率；测温传感器测量低温辐射计腔体的温升。低温辐射计接收腔处于高真 空( l o - 5 p a ) 、低温环境中，除正对入射光的开口，接收腔周围是处于液氦温度的辐 射屏蔽罩。接收腔通过一定热阻的连接器与自动控制恒温的热沉相连，热沉与液氦罐 底部连接f l l 】。 其接收腔( c a v i t y ) 为无氧铜制作的圆柱斜底腔，直径约为1 0 咖，内壁镀有新型 n i - p 涂层，腔体的吸收率达到o 9 9 9 9 以上。腔体底部镀有薄膜加热器和铑铁电阻温 度传感器，腔体通过热联管2 与控制在4 5 k 附近的热沉相联，热沉通过热联管1 与 4 2 k 的液氦杜瓦瓶相联。整个辐射计内的真空度可达 f l ，从而d 2 d l 。 1 8 中国计量科学研究院硕士论文 第4 章激光功率稳定装置 4 1 激光功率稳定器( l p c ) 介绍 激光功率稳定装置的核心是购买的美国c r l 公司的l a s e rp 0 慨 c o n t r o l l e r ( 后边简称l p c ) 。 l p c 是集激光功率计、可调中性衰减器、激光功率稳定器三种功能为一身的精密 仪器。 作为激光功率计，其优点是通过一个经过定标的分束器和探测器测量功率，在主 光路正在工作的条件下，可以不打断实验进程对激光功率实时测量。 作为可调中性衰减器，它采用专利技术不用移动任何光学器件就能实现普通中性 减光器的作用。 作为激光功率稳定器，l p c 可消除光束的漂移和激光电源引入噪声，并实现8 小 时的稳定性r m s 值为o 0 5 1 1 6 1 。 我们在使用时实际上只用到了后两种功能，主要是激光功率稳定的功能。 4 2 使用激光功率稳定器( l p c ) 的一些问题分析 使用美国c r i 公司l p c 虽然操作方便，但是在我们的高精度测量系统中使用也 发现了一些问题，下面逐一介绍l p c 在不同使用条件下出现的问题。 条件一：将l p c 控制单元放置在空间滤波器之前，激光通过功率稳定以后再经过空间 滤波器滤波，然后成为光斑质量好、功率稳定的光束。 问题：我们采用监测探测器考察激光功率稳定性时发现激光功率稳定性并不好，该仪 器出厂标称的光功率控制稳定性相对n m 为o 0 5 ，我们得到的稳定性结果比出厂指 标还要差。 分析：为了验证仪器的性能指标，我们做了如下实验： 将监测探测器直接放置在l p c 后边，空问滤波器之前，然后监测功率稳定性。实 验的结果如图4 1 所示，经过计算其稳定性相对标准偏差为0 0 1 1 5 8 ，表明l p c 达 到了标称指标，由此可以判断是l p c 之后的光学系统有问题。l p c 的后续光路中最 1 9 中国计量科学研究院硕士论文 可能出现问题的就是空间滤波器。后来认识到：我们的l p c 对光功率的调整的同时， 光斑强度的空间分布必然会产生微小的变化，同样功率的光束如果光斑强度空间分布 有差别，那么在经过空间滤波器后功率也会有微小的差别，这样就能解释上述现象了。 条件二；为了避免条件一所出现的问题，我们将l p c 放置在空间滤波器之后，然后得 到功率稳定的光束。 问题：我们发现经过空间滤波的“干净”光束再经过功率稳定后光斑变得不干净，光 斑边缘的杂光明显增多。 分析：l p c 的液晶窗口调制会使光束质量下降，所以按照光束质量的考虑还是应该先 稳功调制后空间滤波。 条件三；l p c 位置和条件二相同，但是我们长时间考察稳定性，约7 小时。 问题：经过监测探测器长时间稳定性考察，数据如图4 1 所示，可以看出l p c 控制系 统存在漂移的问题。 o 0 1 o o o 桨 制- o 0 1 堡 复 罂o 0 2 - o1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 x 图4 1l p c 长时间( 7 小时) 控制稳定性考察数据曲线 分析：可能是l p c 仪器系统的固有漂移。 小结：在光斑质量和功率稳定两个因素的问题上，条件一和条件二是矛盾的，用l p c 不可能同时兼顾这两个方面。同时也看出l p c 本身有系统慢漂，而且对于我们总不确 定度1 1 0 1 的要求来说很大，必须加以克服。 2 0 中国计量科学研究院硕士论文 4 3 创新和问题的解决 激光功率稳定性在5 1 0 4 左右，对于我们低温辐射计实验来说，这是远远不够 的，但是我们创新地找到了解决上述问题的方法，取得了很好的效果。 将光功率调制和光功率反馈分开使用，解决了光斑质量和功率稳定不能兼顾的问 题。 l p c 的液晶调制和光功率反馈是一体的，这就是导致功率稳定和光斑质量不能同 时兼顾的原因所在。设想如果能将调制和反馈分开，将液晶调制窗口这个影响光 斑质量的因素放置在空间滤波器之前，那么经过空间滤波后调制窗口对光斑质量的破 坏作用被消除；同时将反馈放到空间滤波器之后，那么反馈的就是滤波后的功率，空 间滤波器对功率稳定的破坏作用也被反馈消除，一举两得。 为此我们利用了空间滤波器后方分束棱镜的一路光束作为l p c 的反馈，实现了将 控制和反馈分离的目的，光功率稳定性和光斑质量都得到了保证。 增加了外部模拟量的精密调制，大幅度提高了功率的稳定性，同时也克服了仪器 本身的漂移。 我们课题的最终目标是实现不确定度l 1 0 ，要实现这个目标从4 2 节的数据 可以看出，l p c 的指标是满足不了课题要求的。经过认真研究，通过对l p c 引入模拟 调制输入，当外加模拟量在o 伏附近小范围变化时，功率稳定器的输出也随着模拟量 的变化线性地在设定功率附近改变，如式3 l 所示， 哦。= 七d ( 4 1 ) 其中只一是经过稳功器输出的激光功率调整量，七为调整系数，p o 。为调制电压 调整量。从4 一l 式可以看出稳功器的输出功率和调制电压成正比，只要我们施加一定 的电压就可以线性地控制稳功器的输出。 在实验系统中选择了一块p c i 总线的1 6 位d a 工控卡来产生一5 v + 5 v 模拟信 号，然后经过电阻链分压产生输入到l p c 的模拟调制信号。原理如图4 2 所示，r 2 为多圈电位器，r l 为金属膜电阻，在r 2 的滑动头接d a 输出，r l 另一端为d a 的 g n d ，那么在r 1 上的分压为 p ， 2 i 麓一 ( 4 2 ) 我们用，作为功率稳定器的模拟调制输入也就是p o 。= 。这样在。一输出范围 一定的情况下，通过调整r 2 的阻值既可以得到不同输出范围的。在数字d a 控 2 1 中国计量科学研究院硕士论文 制中调整一个数字量对应的模拟调制输出电压变化p o 。，蛳。计算公式为： a “，删2 患 “一3 ) 从式4 3 可以看出，p o 。范围越小，- ，删。，卿。就越小，也就是模拟调制电压输出 分辨率。就更高，而且可以用下式表示p o 。： ，由o d 耐= 咖删。p ，m o d “，衄脚 ( 4 4 ) 由式4 1 和4 4 得到： a 咒。，= t a 7 0 “，却d 衄“ ( 4 5 ) 。； ： v 井5 v，： 9ll ! r 。一 h ； vvv 卜 。1 r 1 ：+ 。；? 2| l f 一 t ! f 1 卜 !：() () ! o n d：m o d 罅s 粤1 a l | l ! l 图4 2 电阻分压链 其中衄。为d a 数字调整个数。4 5 式意味着建立了稳功器功率输出和d a 数字调 整之间的关系。另外如果想从稳功器得到很高的功率控制分辨率可按照下边流程调 节： k 山= a ：州一面舒州上= - ，m 一“山：，r 2 个 所以凡的阻值直接决定着功率器稳定的控制分辨率。只要有了稳功器功率输出和 d a 数字调整之间的关系我们就可以在原有l p c 系统基础上采用我们的d a 控制器对 l p c 故有的长时间漂移进行实时调整，而且通过这个调整，l p c 的短期稳定性也大幅 度提高。 4 4 外部模拟调制的软件实现和算法 如图3 1 所示，分束棱镜将准直后的主光束分为三路，一路还是沿主光轴，第二 路沿垂直于主光路方向进入监测探测器，第三路进入稳功器反馈部分。监测探测器信 中国计量科学研究院硕士论文 号经过i v 放大器放大后用一台h p 3 4 4 0 l a 数字多用表采集放大器的电压信号，通过 i e e e 一4 8 8 总线将数据传输到计算机中，然后计算机再根据采集信号的输入用d a 输出 的方式进一步控制l p c 。系统框图如图4 3 所示： 图4 3 外加调制系统框图 4 。4 1 数字p l d 控制原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规的p i d 控制系统 原理框图如图4 4 所示。系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 图4 4 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值c ( f ) 构成控制偏差 e ( r ) = ，( f ) 一c o ) ( 4 6 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对 象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为 ( 4 7 ) 1，j d 一 沈一出 一 + 胁一 出一乃 j 一 驺 一 一 k | i o 中国计量科学研究院硕士论文 或写成传递函数形式 删= 锱喝( - + 嘉毋) c ， 式中足，为比例系数；正为积分时间常数；巧为微分时间常数。 简单来说，p d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号口( r 1 ，偏差一旦产生，控制器 立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数乃，正越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号变得太大之 前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时 间。 在计算机控制系统中，使用的是数字p d 控制器，它只能根据采样时刻的偏差值 计算控制量，因此式( 4 7 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。 按模拟p i d 控制算法的算式( 4 7 ) ，现以一系列的采样时刻点七r 代表连续时间f ， 以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换： f * 灯暖= o ，1 ，2 ，) i e ( f ) 出zr e ( ，r ) = r 口o ) ( 4 9 ) 趔。坐! ! 二! 鲢二! 到：塑二坐二! ! 式中r 为采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期丁必须足够短才能保证有足够的精度。为了 书写方便，将口归) 简化表示成p ) ，即省去r 将( 4 9 ) 代入( 4 7 ) 便可得到 离散的p i d 表达式： “o ) = 髟， e o ) +r 萎8 k ) 一。g 一1 ) 】 1 d f 、 ，一o “一1 ，j 乃 r 2 4 ( 4 一1 0 ) 中国计量科学研究院硕士论文 或 “ ) = 足，e g ) + k ，e ( ，) + k 。k ) 一e 伍一1 ) 】 j ；o 式中七采样序号； “o ) 第詹次采样时刻的计算机输出值； e ) 第七次采样时刻输入的偏差值； e o 1 ) 第七一1 次采样时刻输入的偏差值； k ，积分系数，x ，2 耳残； x 。微分系数，k 。= 岛。 根据递推原理可得 “g 一1 ) = k ，e 一1 ) + k ，e ( ，) + 足。k g 1 ) 一e 酝一2 ) 】 j l o 用式( 3 1 2 ) 减掉( 3 1 1 ) 可得 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ! 炫然獬卷盟裟铲2 出一卜如。2 h c 4 邗， = 足，e g ) + k ，e ) + 【e g ) 一e ( t 一1 ) 】 。1 。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期r ，一旦确定了k ，、x ，、 k 。，只使用前后3 次测量值的偏差，即可由式( 4 1 3 ) 求出控制增量m 。 2 5 中国计量科学研究院硕士论文 4 4 2 采用数字p i d 对l p c 进行外部模拟调制的实现 图4 5l p c 模拟控制的p i d 实现软件流程 如图4 5 所示为采用数字p d 对l p c 进行模拟调制的软件流程图，其中关键所 在就是确定比例、积分、微分系数。经过反复实验对比我们确定了它们的值，并且取 得了良好的效果。 另外为了提高采样速度，我们采用k e i t l l l e y 2 0 0 2 对数据进行采集，采样速度为5 次，s 。 图4 6 是经过数字p i d 调制后的得到的稳功效果，计算得到的相对标准偏差为 8 0 8 1 4 1 0 七，这个结果对照图4 1 表明我们的p i d 控制效果比较理想，完全达到了 实验需要的水平。 2 6 o1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 06 0 0 0 07 0 0 0 0 x 图4 6 经过数字p i d 控制的l p c 稳功结果( 7 小时) 2 7 3 2 1 o 1 2 3 4 o o o o o o o o 葶v糨车魁蝮茛罂土 中国计量科学研究院硕士论文 第5 章陷阱探测器相关特性的研究 5 1 陷阱探测器的结构原理 比起单片式的光电二级管，陷阱探测器有低反射率、低温度系数、较好的空间和 角度均匀性等优点。所以现代的光辐射计量体系采用了陷阱探测器作为低温辐射计系 统的传递标准。 我们使用的陷阱探测器是反射式的，结构如图5 1 所示，第l ，2 个硅管的入射面 相互垂直，入射角相等，第3 个硅管正入射，反射光束延原路返回，3 个光电二极管在电 路上并联。这种设计的优点是1 1 s 】： 通过多次反射，总反射率大为降低； 第1 ，2 个硅管的入射面相互垂直，入射角相等，第3 个硅管正入射，从而保证了探测器 对入射光的偏振状态是非敏感的。这在许多应用中有重要的意义； 多次吸收提高了光电转换效率和灵敏度。 图5 1 三片反射式陷阱探测器的几何结构 2 8 - 中国计量科学研究院硕士论文 5 2 陷阱探测器面晌应均匀性的实验内容 5 2 1 实验装备和实验条件 扫描装置我们采用精密电控二维平移台，控制精度2 5 岫。将探测器固定到 二维移动台面上，通过我们自行编制的数据采集和移动控制程序可以完成对探测器有 效面积的扫描。 监测和被测陷阱探测器信号用我们自行研制的高精度i v 前置放大器放大后接入 两台k e i t h l e y 2 0 0 2 数字多用表进行测量，计算机和数字多用表间采用i e e e 一4 8 8 总线 完成数据采集。 整套系统在恒温超净试验室中运行，环境温度恒定为2 3 o 2 ，湿度4 0 3 。 激光光斑直径o 5 哪( 1 e 2 ) 。 由于光斑直径为o 5 哪，所以设置精密电控二维平移台扫描机构在x ，y 方向的扫 描间隔均为o 5 姗，这样可以覆盖全部的探测器灵敏面，从而扫描结果可以构成2 5 2 5 的扫描网格。 调整探测器位置使得光束入射到探测器中心位置，而且保证反射光束沿入射方向 原路返回。 激光功率值约2 0 0 删 用l p c 和外部调制方式对激光功率进行稳定。 2 9 中国计量科学研究院硕士论文 5 2 2 实验软件流程图 5 2 3 实验结果 图s 2 均匀性扫描程序流程图 我们对三个探测器进行了实验。其中l # 和2 # 是我们自行加工制作的新的陷阱 探测器，内部使用的是s 1 3 3 7 1 0 l o b q 硅光电二极管。3 # 是旧的陷阱探测器，内部也 是s 1 3 3 7 1 0 1 0 b q 光电二极管，但是该探测器表面曾经受到过污染。 每个探测器我们都进行了6 次实验，重复性很好。以下是实验结果，： 3 0 中国计量科学研究院硕士论文 图5 31 # 陷阱探测器扫描结果 图5 42 嚣陷阱探溺器扫描结果 3 1 中国计量科学研究院硕士论文 图5 53 # 陷阱探测器扫描结果 3 2 中国计量科学研究院硕士论文 图5 72 # 陷阱探测器6 次测量重复性 3 3 中国计量科学研究院硕士论文 结论： 从试验数据可以看出1 # 和2 # 探测器在有效接受面上的均匀性是远远优于l 1 0 。 的。所以采用s 1 3 3 7 作为低温辐射计保存量值的探测器，其均匀性是可以满足我们总 不确定度l 1 0 。的要求的。 从图5 3 、图5 4 、图5 5 的扫描结果可以看出l # 和2 # 探测器的均匀性较3 # 探测 器好的多，原因是3 # 由于使用时间较长而且没有保护好，表面受到了污染，所以均匀 性较差。 从图5 6 ，5 7 看出2 # 探测器4 次测量的重复性没有1 # 好，在有效接受面内有两 块区域标准偏差高于5 1 0 。由于l # 和2 # 探测器都是新制作的，我们推测2 # 可能有 小的灰尘颗粒附着在这两个重复性不好的区域，导致均匀性和重复性较差。由于我们 使用的是无窗口的探测器，所以不敢对探测器表面进行清洁来进一步验证我们的推 测。 由试验数据可以看出平时使用时对探测器进行防尘保护是非常关键的。 由于我们的实验只采用h e n e 激光器作为光源，所以以上数据只能说明s 1 3 3 7 在 6 3 2 8 n m 波长的面响应均匀性。至于其他波长，比如红外波段的均匀性有待于我们进 一步实验。 5 3 陷阱探测器偏振特性的实验内容 5 3 1 实验方案 考察陷阱探测器的偏振特性实际上是当入射光的偏垠方向改变时，探测器响应度 的变化。为了实现光偏振方向的连续变化，一种途径是让光束围绕光轴转动，探测器 不动；另一种途径是让探测器绕光轴转动，光束不动。很明显，后者比较容易实现： 可以将探测器安装在旋转台上，保持探测器、旋转台中心、光束三者严格同轴，然后 旋转台带动探测器以光束为轴旋转就可以实现光偏振方向的旋转。 5 。3 2 实验装备和实验条件 针对实验时能方便地夹持探测器和保证旋转同轴度，机械装置我们购买了一种中 心有一个m 9 0 嗍通孔的精密电控旋转台，控制精度为o o l o 。旋转台垂直放置并以主 一3 4 中国计量科学研究院硕士论文 光束光轴为轴旋转。我们利用这个孔又另外加工了一个装夹陷阱探测器的轴套，可以 将陷阱探测器固定在孔中心进行旋转实验。这个轴套外圆加工与旋转台孔之间为紧配 合，这样就能保证轴套和旋转台的同轴。轴套上由有六个安装顶丝的孔，用来调整探 测器和光束的同轴。具体示意图如图5 9 和5 1 0 所示： 顶丝 轴套 阱探测器 图5 9 探测器和轴套结构示意图 一步进电机 图5 1 0 旋转机械结构图 3 5 中国计量科学研究院硕士论文 通过我们自行编制的数据采集和旋转控制程序可以完成对探测器有效面积的扫 描。实验时设置的条件是旋转间隔l o o ，范围0 0 3 6 0 0 。 调整探测器位置使得光束入射到探测器中心位置，而且保证反射光束沿入射方向 原路返回。 对每个角度系统采样2 0 次取平均作为最后该角度的测量数据。 我们的每个陷阱探测器端面都有一根刻线，实验时将刻线在正下方的位置作为旋 转的起始标志点。 其他测量条件和环境条件和5 2 节中均匀性测量的条件一致。 5 3 3 实验结果 我们对l # 、2 # 陷阱探测器的偏振特性进行了测量，结果如图5 1 1 5 1 4 所示。 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 o 9 9 9 9 8 o 9 9 9 9 6 趔o 9 9 9 9 4 薹啪z lo 9 9 9 9 0 雩o 9 9 9 8 8 i 砷o 9 9 9 8 6 o 9 9 9 8 4 o 9 9 9 8 2 o 9 9 9 8 0 o 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 x 一角度( 度) 图5 1 1l # 陷阱探测器偏振系数1 0 次测量结果 3 6 中国计量科学研究院硕士论文 o o o o o 9 9 9 9 o 9 9 9 8 o 9 9 9 7 o 9 9 9 6 o 9 9 9 5 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 x 角度( 度) 图5 1 22 # 陷阱探测器偏振系数1 0 次测量结果 o o o 0 0 1 6 o 0 0 0 0 14 o o o 0 0 12 o o o 0 0 1o o o 0 0 0 0 8 * o o o o 0 0 6 o 0 0 0 0 0 4 o5 01 0 0 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 x 一角度( 度) 图5 1 3l # 陷阱探测器偏振系数1 0 次测量结果相对标准偏差 3 7 遵蜃暮f日ii扣 删g 避嚣捌羼 中国计量科学研究院硕士论文 j | l l i g 樊o o o 0 0 1 0 蜷 蚓 磊o o o o 0 0 8 i - o 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 x 一角度( 度) 图5 1 42 # 陷阱探测器偏振系数1 0 次测量结果相对标准偏差 5 3 4 结论及分析 从1 # 和2 # 探测器看出我们的陷阱探测器对偏振是比较敏感的，从上面的数据 曲线可以看出相对响应最大值和最小值之差都大于1 1 0 ，这种结果在低温辐射计 量值传递中是一个比较严重的问题。 下面的图5 1 5 是硅光电二极管表面的反射模型示意图，我们将s 1 3 3 7 结构分为 三层，基底物质为s i ，上层物质为s i 0 2 ，探测器表面为空气。根据国外文献s 1 3 3 7 光电二极管中s i0 2 层的厚度约为2 9 n m 。按照上述模型一个陷阱探测器的绝对光谱响 应可以由单片探测器的响应度导出，单片探测器的响应度可以表示为【1 9 1 ： r 以) = 导【1 一p 以m 0 ) ( 5 一1 ) n 其中p 以) 是探测器光谱