半导体激光器的远场准直特性研究

对半导体激光器远场的准直特性进行了分析,并介绍了一种多激光器物镜耦合准直系统的基本结构,它可以使每个半导体激光器的能量在淮直光束的远场进行叠加,有效地提高其光子流密度,从而扩大半导体激光器的应用领域。     

纳米精度干涉测量中半导体激光器的光频调制方法

根据半导体激光器光注入调制理论和实验,基于不同光注入条件下的频率调制特性,提出了三种半导体激光器光频调制的具体方案。通过使用给出的光强反馈及电路控制方法,能使半导体激光器在其光频受调制期间,其输出光强的变化的范围大幅度减小。这些半导体激光器光频调制的方法用于干涉测量系统中,能极大地减小光强波动对测量精度的影响,可实现纳米级的高精度激光干涉测量。     

体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究

为提高绿光激光器的输出特性,设计了一种体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器。采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光器,并使用三硼酸锂晶体进行倍频,研究了基频光的光束及光谱特性对倍频光的光束及光谱特性的影响。实验结果表明,使用体布拉格光栅进行外腔锁波时,所得到的倍频光同样能实现窄带宽输出,同时倍频光的远场分布与基频光的远场分布一致。使用衍射效率为10%的体布拉格光栅作为外腔输出镜,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在1 064 nm,所得到的倍频光波长稳定在532 nm附近,光谱线宽压缩至0.4 nm左右,输出功率可达73 mW。     

基于半导体激光器自混合干涉的光纤温度传感模型

设计了将半导体激光器自混合干涉技术应用到光纤温度传感的方法,建立了理想的理论模型。通过MATLAB仿真分析,证明此方法具有过程简便,干扰小和精度高等特点。通过测量激光器输出功率的拍波频率测量温度值,精度达到0.78℃/Hz,同时可以监测温度变化的趋势和快慢。     

一体化半导体激光器的ANSYS热仿真及结构设计

传统半导体激光器与驱动控制器多采用分离式设计,故半导体激光器系统的体积很难紧凑化,而一体化半导体激光器存在电路集成度高,发热严重等问题,因此,本文提出了对半导体激光器进行一体化、小型化设计的方法。为了保证所设计的半导体激光器运行时系统温度分布均匀,输出激光不受温度变化影响,在结构设计之前,利用ANSYS软件对元器件集成度较高的电路板等热源进行了热仿真,提高了集成后结构的可靠性。仿真结果显示,优化设计后的半导体激光器一体化结构满足激光器温度要求,系统温度分布均匀,能保证激光器稳定运行。设计的新型半导体激光器的整体结构尺寸仅为85mm×95mm×115mm,不仅实现了半导体激光器与驱动控制器的一体化与小型化集成,并且结构中留有准直光路设计空间,便于后期的应用研究。     

半导体激光器列阵的smile效应与封装技术

为了减小半导体激光器列阵在封装过程中引入热应力而产生的smile效应,提高半导体激光器列阵光束质量,利用对半导体激光器列阵发光点成像放大的方法,准确测量了半导体激光器列阵的smile效应,测量误差为±0.1μm。由于smile效应的准确测量能客观地比较减小smile效应的各种技术与方法,本文根据分析测量结果,提出了通过优化封装半导体激光器列阵焊接回流曲线的方法,使smile效应值控制在±0.5μm内。该方法减小了半导体激光器列阵的smile效应值,提高了激光器列阵光束质量,为下一步研制小芯径、高光束质量半导体激光器列阵光纤耦合模块提供了基础条件。     

低噪声半导体激光器驱动电源的研制

根据半导体激光器的工作特性,研制了一台低噪声、高稳定度半导体激光器的驱动电流源。该电流源特点具有慢启动电路和过流保护电路,提高了半导体激光器抗冲击能力和工作稳定性。     

半导体激光器波长温度特性的建模与试验研究

在半导体激光器的干涉测量中,半导体激光器作为系统的光源,其波长稳定性会影响测量系统的性能。为了定量地研究温度对半导体激光器波长的影响规律,首先,从激光器的内部机理出发推导激光器波长随温度变化的模型表达式,并通过MATLAB对模型进行仿真;然后,对不同温度下的激光波长进行试验测量;最后,通过仿真与试验数据验证了模型的有效性,并得出激光器波长随温度升高而变长、变化规律近似为线性的结论。     

利用热敏电阻精确测量DFB激光器动态结温度

半导体激光器结温度的测量对于其温度控制和特性研究非常重要。基于对激光器的结构和热电等效模型的研究,建立半导体激光器组件中激光器芯片和热敏电阻的数学模型,利用热敏电阻实时监测激光器在热动态过程中的结温度。以气体吸收谱线的波长验证了模型的正确性,实现激光器结温度预测不确定度约为0.01 K。还利用此方法测量了电流调谐过程中动态结温度,在一个锯齿电流扫描周期内结温度变化量为0.044 K。基于热敏电阻预测激光器结温度无需附加额外测量装置,其精度不受环境温度和TEC电流的影响,适合于原位、在线激光系统,也可应用于激光器组件热学性能的研究。     

自混合干涉模型中的参数分析和实验研究

针对含有光反馈的半导体激光器,在外腔波动的条件下,研究了半导体激光器的自混合干涉系统模型中的重要参数,通过计算机仿真分析,讨论了线宽展宽因子和反馈水平因子两个参数的变化对光反馈自混合干涉信号波形的影响规律.同时给出了利用自混合干涉测量外腔物体位移的一种实验方法,并进行了相应的实验研究.该位移测量系统的分辨率可达无光反馈存在情况下激光器波长的一半.     

Acoustic CT system for temperature distribution measurement

In this paper,a measurement method for crosssectional temperature distribution is addressed. A novel method based on an acoustic CT technique is proposed. Specifically,the temperature distributions are estimated using the time of flight data of several ultrasonic propagation paths. The times of the flight data contain both temperature and wind effect,and the method to select only temperature component is introduced. A filtered back projection method is applied to reconstruct the temperature distributions from the time of flight data. An experimental system was designed and fabricated to realize simultaneous temperature and wind velocity distribution measurements. Through this system,the effectiveness of the proposed measurement method is confirmed.     

基于光栅编码器的柔性测量臂位置精度研究

光栅编码器的误差使得柔性测量臂(AACMM)在不同位置、不同构型下的精度呈现一定的规律。掌握由光栅编码器精度引起的位置精度在工作空间的分布规律,有利于指导柔性测量臂的标定和测量。以六关节测量臂为研究对象,分析末端执行器位置精度与光栅编码器精度区间之间的关系,并定义了基于光栅编码器精度的位置精度评价指标,在整个工作空间下描述其分布情况。验证试验包括:比较不同关节下光栅编码器精度区间对末端执行器位置精度的影响;与目前常用Monte Carlo方式进行柔性测量臂精度分布特性对比;利用其分布特性,对不同区域进行单点和标准球直径测量。实验结果表明,本方法能更直观、全面地描述光栅编码器精度对柔性测量臂位置精度在工作空间分布情况,通过该分布确定优化测量区域,指导实际操作。     

Detection of Gross Measurement Errors Using the Grey System Method

A novel method using the grey system to detect the gross errors involved in a measurement process is proposed. Although the gross errors should be avoided completely, they can occur and on many occasions are not apparent. The grey system theory is used to characterise the geometric aspects in the measurement. Theoretical analysis of the principle of gross error detection is presented and a detection criterion is proposed. An experimental test shows that the proposed method compares favourably with statistical methods which are difficult to implement when the distribution of the data is unknown and the sample size is small.     

基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式,实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。     

激光片光浓度场测量系统及其在风洞模拟中的应用

为在大型环境风洞中模拟大气污染物迁移扩散状况,开发出污染物浓度激光片光测量系统和污染物发放系统。基于激光片光浓度场测量系统,风洞模拟得到城市环境下点、线和面源污染物的扩散分布图案。基于风洞试验工况的边界条件,计算流体动力学(CFD)仿真得到污染物扩散分布,CFD仿真结果和激光片光浓度测量结果,两者定性一致,达到了相互印证的效果。将研究开发的激光片光浓度场测量系统和定量采样方法相结合,有望实现风洞试验中污染物浓度场的定量测试。     

LDV measurement,flow visualization and numerical analysis of flow distribution in a close-coupled catalytic converter

Results from an experimental study of flow distribution in a close-coupled catalytic converter (CCC) are presented. The experiments were carried out with a flow measurement system specially designed for this study under steady and transient flow conditions. A pitot tube was a tool for measuring flow distribution at the exit of the first monolith. The flow distribution of the CCC was also measured by LDV system and flow visualization. Results from numerical analysis are also presented. Experimental results showed that the flow uniformity index decreases as flow Reynolds number increases. In steady flow conditions, the flow through each exhaust pipe made some flow concentrations on a specific region of the CCC inlet. The transient test results showed that the flow through each exhaust pipe in the engine firing order, interacted with each other to ensure that the flow distribution was uniform. The results of numerical analysis were quali-tatively accepted with experimental results. They supported and helped explain the flow in the entry region of CCC.     

基于拟似然函数的集成仪器可靠性估计

由于失效分布函数的不可知或难以描述,经典统计估计在处理集成仪器的人为故障失效数据、复杂失效数据和无失效数据时,很难估计出其可靠性参数.结合测量系统的常见失效分布,研究了实验仪器的拟似然函数的引入和常见几种类型的拟似然函数应用方法;作为拟似然函数应用的基础,给出了拟似然函数的近似计算方法与证明.最后讨论了最大连续似然估计与最大分位似然估计(QMPE)的区别,及使用QMPE的方法的步骤.通过实际的测量数据和其可靠性估计,验证了拟似然估计在集成仪器可靠性分析中的可行性.     

基于蒙特卡罗模型的高浓度浆液细度在线测量

近年来颗粒粒径测量问题受到了国内外的广泛研究。 针对燃煤电厂高浓度脱硫石灰石浆液细度在线测量,将基于蒙特 卡罗方法的声衰减模型拓展至高浓度范围,高浓度蒙特卡罗模型(HC-MCM)预测衰减系数与实验测量值相吻合。 构建 HC-MCM 矩阵用于颗粒粒径分布的反演可减小计算时间,且差分进化算法的计算结果与设定粒径和分布宽度的相对误差小于 1% 。 搭建基于透射和反射法的双模式超声检测装置并开发软件测量系统,加工适用于高浓度浆液细度测量的透射传感器和超声探 针,依托燃煤电厂完成长达 168 h 的浆液细度在线测量实验。 结果表明,两种模式超声衰减谱的变化趋势和数值大小基本吻 合。 粒径分布参数 DV50 与激光粒度仪测量结果的相对误差小于 8% ,其粒径分布满足燃煤电厂成品石灰石浆液的细度要求。     

Water level sensing: State of the art review and performance evaluation of a low-cost measurement system

Nowadays, the management of water is of paramount importance for modern societies due to the high water-availability requirements. The application of water management schemes requires the installation of water level data-acquisition systems in multiple, geographically isolated large-scale storage tanks of water distribution networks. Existing techniques for liquid level sensing have either been applied over a relatively small measurement range, or require special scientific equipment of high cost, or they are not convenient for transportation, installation and long-term maintenance in multiple large-scale water storage tanks of water distribution networks in cities, communities, etc. In this paper, a review of prior art on liquid level sensing is initially presented. Then, the operational characteristics and performance of a novel capacitive-type water level measurement system are investigated through simulations and experimental tests conducted in two water storage tanks of a city-scale water distribution network. It is demonstrated that the proposed capacitive water level measurement system achieves equivalent performance with that of a commercially-available ultrasound water-level sensing device and simultaneously exhibits a much lower manufacturing cost.     

超声多普勒谱修正的油水两相流流速测量

针对水平管道油水两相流流速的无扰动测量问题,提出一种基于超声/电学双模态传感器的流速测量方法。测量系统由连续波超声多普勒传感器和基于电容与电导的电学传感器构成,分别用于获取两相流流速和分相含率。由于连续波多普勒的测量区域集中于管道中心,受流速剖面、含率分布影响,所测得流速并非流体的总表观流速。在假设含率分布满足高斯分布的前提下,建立相含率加权的多普勒能量谱模型,将含率分布的影响因素引入总表观流速的测量,并建立总表管流速和分相表观流速的计算模型。在试验基础上,分别确定水连续和油连续时总表观流速计算模型的参数。试验表明,通过模型计算出的表观流速与实际测量的流速能够较好吻合,总表观流速的相对误差小于6.32%,分相表观流速的方均根误差小于5.64%。