虚拟仪器技术在蓝绿激光器上的运用

西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室 钱 航 黄 超 唐 影 于 力 易爱平

目前，以先进的计算机总线技术和虚拟仪器编程技术为核心的新技术，正在广泛应用于测试以及各种技术领域，采用这些新技术的测试仪器，其技术性能比独立的台式仪器有显著的提高。相比与台式仪器，将虚拟仪器技术运用于蓝绿激光器各项参数的监测中：即通过软件把计算机资源和仪器硬件结合在一起，监测激光器的工作状态，对于减少手工操作内容，提高激光器的自动化水平，有较大的帮助。

1.电路设计

蓝绿激光器处于重频运行时，由于工作气体XeF2被光解离后不能再生，必须由供给装置不断向激光气室中补给XeF2气体，通常采用恒定载气流带出XeF2气体不能保证激光器气室中XeF2气体浓度的稳定性，需根据具体情况实时控制载气流的大小，来达到控制XeF2气体浓度的目的；另外，激光器运行过程中需监测8路光信号，其重频运行时需采集、记录、存储以及处理的信号多达上百个，人工处理耗时长，效率低；为解决上述难题，增加气室中工作气体XeF2浓度的稳定性，提高数据处理效率，开展了基于虚拟仪器技术的XeF2气体浓度控制及重频高速数据采集的技术研究。

在蓝绿激光器运行之前的准备阶段，需要监测激光器的工作介质XeF2的浓度，并通过改变载气流的流量保持浓度值，当气体流量和浓度都达到预设值之后，控制激光器放电，同时测量激光器μs级的放电波形信号及光信号，以便了解激光器的工作状态是否正常，工作原理如图1所示。计算机控制流量计改变工作气体的流量，从而使XeF2的浓度发生改变，将浓度值转变为连续的电压信号之后，通过数据采集卡输入计算机，再由计算机将获得的电压值转化为相对应的浓度值并显示在程序中，根据反馈结果和设定值相比较，使计算机重新调节流量计阀门大小，形成闭环控制。当气体流量和浓度达到预定值之后，手动控制采集卡由连续采集模式转换为采集脉冲信号模式，用于测量激光器的放电波形及光信号。

图1 浓度控制和电信号测量

图2 流量计控制原理图

1.1 激光器工作气体浓度的控制

电路中所用的流量计，主要由气体阀门、阀门控制器和控制电路3部分组成，流量计的质量流量控制器通过D形接口与计算机控制的数采卡连接，包括控制端口、测量端口，信号地、直流±15V电源及电源地六种，流量计控制原理图如图2所示。

计算机输出2路电压信号和1路测量信号，其中一路信号用于控制流量计前端的电磁阀，起到保护流量计的作用；另一路输出0-5V直流信号和测量信号一起形成对流量计的控制回路，控制流量计阀门的大小，并接收反馈信号，然后根据反馈信号与气体流量的比例关系计算出实际气体的流速，与预设值相比较后，将比较结果反作用于控制流量计阀门，通过改变气体的流速来改变工作气体XeF2浓度的大小。

1.2 高速光电信号的数据采集

采集多路重频光电信号和工作气体浓度电信号的采集卡选用的是NI公司的PCI-5105，它有8路同步采样通道，60MS/s实时采样率，60MHz模拟带宽，可用于连续信号和脉冲信号的采集。针对激光器气体浓度和光电信号这两种不同类型的信号，5105在采集之前需转换模式，在激光器放电之前的准备阶段，使用连续信号采集模式，用于测量连续的气体浓度信号，当浓度达到预设值之后，点击转换开关，用于采集μs级重频脉冲的放电波形及光信号。5105采集卡通过PCI总线与计算机通信，相比较于传统的台式仪器，有以下几个优点：(1)PCI总线与计算机的通信速度远超示波器的GPIB或USB数据线，这对于高速重频信号的实时采集以及处理有较高的优势；(3)由计算机控制的采集卡能方便的与其他控制设备组成新的虚拟仪器系统，采集到的数据由计算机综合并分析处理后，能够及时反馈回各种测控设备；(3)以计算机为依托，对各种信号的分析处理能力也远远强于各种台式仪器。

图3 控制程序浓度测量界面

2.实验结果

实验将分为两个部分来检测虚拟仪器在蓝绿激光器工作时的状态：一是监测激光器工作介质的浓度并通过流量计调节大小；二是测量激光器在单次或重频状态下的放电波形及光信号，并与示波器所测量的信号相比较，查找是否有不一致或者失真的情况发生。

2.1 浓度的测量

如图3所示，通过程序界面的游标可以调节流量计阀门的大小，并在软件中实时显示出工作气体XeF2浓度值，当浓度达到要求之后，程序将会显示出全时长浓度的变化过程，图中显示了4分钟之内采集卡所采集到的8万个采样点，采样点的集合代表了XeF2气体浓度的变化情况。

2.2 放电波形及光信号的采集

XeF2的浓度达到要求之后，点击浓度与电信号转换按钮，手动将5015采集卡调整至采集脉冲波形的待触发状态；激光器放电后，数采卡被触发，并将所采集到的信号显示在程序中，测量信号的波形如图4所示，其中包括了3路激光器放电电流波形和1路光信号。

在数采卡最高采样速度60MS/s的条件下，采集μs级的脉冲信号的能力与示波器差别不大，由图4与图5看出，采集卡所采集信号与示波器的采集信号在信号特征上类似，完全能够满足测量要求。

图4 控制程序光电信号采集界面

图5 示波器DPO4104采集波形

2.3 重频电信号的采集

在蓝绿激光器重频放电的过程中，程序将逐次的显示每一次放电的电流波形，并用数据库的形式将数值保存下来，在放电结束后，可通过数据读取软件将放电波形重新绘制，如图6所示，图中的波形是激光器10HZ重频条件下放电15次的电流波形情况。

图6 重频运行时的放电波形

通过实验证明，使用pc为基础的虚拟仪器设备，能够满足蓝绿激光器在重频状态下对高速光信号的测量要求，为加强蓝绿激光器的自动化水平，提高工作效率，有较大的帮助。

3.结论

将虚拟仪器技术代替各种台式仪器，用于监测蓝绿激光器运行过程中的工作状态，实现了利用计算机对XeF2浓度的远程闭环控制及对μs级重频激光器放电波形的采集工作，可异步监测连续和重频脉冲两种不同类型的电信号，重频采集能力达到10HZ以上，并能够通过编写控制程序将两者结合在一起，完成了激光器重频运行时对其工作状态的监测及处理任务，提高了数据处理效率，节约了运行成本，保证了激光器的顺利稳定运行。

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