虛擬儀器技術在藍綠激光器上的運用

西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室 錢 航 黃 超 唐 影 于 力 易愛平

目前，以先進的計算機總線技術和虛擬儀器編程技術為核心的新技術，正在廣泛應用于測試以及各種技術領域，采用這些新技術的測試儀器，其技術性能比獨立的臺式儀器有顯著的提高。相比與臺式儀器，將虛擬儀器技術運用于藍綠激光器各項參數的監測中：即通過軟件把計算機資源和儀器硬件結合在一起，監測激光器的工作狀態，對于減少手工操作內容，提高激光器的自動化水平，有較大的幫助。

1.電路設計

藍綠激光器處于重頻運行時，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氣體濃度的穩定性，需根據具體情況實時控制載氣流的大小，來達到控制XeF2氣體濃度的目的；另外，激光器運行過程中需監測8路光信號，其重頻運行時需采集、記錄、存儲以及處理的信號多達上百個，人工處理耗時長，效率低；為解決上述難題，增加氣室中工作氣體XeF2濃度的穩定性，提高數據處理效率，開展了基于虛擬儀器技術的XeF2氣體濃度控制及重頻高速數據采集的技術研究。

在藍綠激光器運行之前的準備階段，需要監測激光器的工作介質XeF2的濃度，并通過改變載氣流的流量保持濃度值，當氣體流量和濃度都達到預設值之后，控制激光器放電，同時測量激光器μs級的放電波形信號及光信號，以便了解激光器的工作狀態是否正常，工作原理如圖1所示。計算機控制流量計改變工作氣體的流量，從而使XeF2的濃度發生改變，將濃度值轉變為連續的電壓信號之后，通過數據采集卡輸入計算機，再由計算機將獲得的電壓值轉化為相對應的濃度值并顯示在程序中，根據反饋結果和設定值相比較，使計算機重新調節流量計閥門大小，形成閉環控制。當氣體流量和濃度達到預定值之后，手動控制采集卡由連續采集模式轉換為采集脈沖信號模式，用于測量激光器的放電波形及光信號。

圖1 濃度控制和電信號測量

圖2 流量計控制原理圖

1.1 激光器工作氣體濃度的控制

電路中所用的流量計，主要由氣體閥門、閥門控制器和控制電路3部分組成，流量計的質量流量控制器通過D形接口與計算機控制的數采卡連接，包括控制端口、測量端口，信號地、直流±15V電源及電源地六種，流量計控制原理圖如圖2所示。

計算機輸出2路電壓信號和1路測量信號，其中一路信號用于控制流量計前端的電磁閥，起到保護流量計的作用；另一路輸出0-5V直流信號和測量信號一起形成對流量計的控制回路，控制流量計閥門的大小，并接收反饋信號，然后根據反饋信號與氣體流量的比例關系計算出實際氣體的流速，與預設值相比較后，將比較結果反作用于控制流量計閥門，通過改變氣體的流速來改變工作氣體XeF2濃度的大小。

1.2 高速光電信號的數據采集

采集多路重頻光電信號和工作氣體濃度電信號的采集卡選用的是NI公司的PCI-5105，它有8路同步采樣通道，60MS/s實時采樣率，60MHz模擬帶寬，可用于連續信號和脈沖信號的采集。針對激光器氣體濃度和光電信號這兩種不同類型的信號，5105在采集之前需轉換模式，在激光器放電之前的準備階段，使用連續信號采集模式，用于測量連續的氣體濃度信號，當濃度達到預設值之后，點擊轉換開關，用于采集μs級重頻脈沖的放電波形及光信號。5105采集卡通過PCI總線與計算機通信，相比較于傳統的臺式儀器，有以下幾個優點：(1)PCI總線與計算機的通信速度遠超示波器的GPIB或USB數據線，這對于高速重頻信號的實時采集以及處理有較高的優勢；(3)由計算機控制的采集卡能方便的與其他控制設備組成新的虛擬儀器系統，采集到的數據由計算機綜合并分析處理后，能夠及時反饋回各種測控設備；(3)以計算機為依托，對各種信號的分析處理能力也遠遠強于各種臺式儀器。

圖3 控制程序濃度測量界面

2.實驗結果

實驗將分為兩個部分來檢測虛擬儀器在藍綠激光器工作時的狀態：一是監測激光器工作介質的濃度并通過流量計調節大小；二是測量激光器在單次或重頻狀態下的放電波形及光信號，并與示波器所測量的信號相比較，查找是否有不一致或者失真的情況發生。

2.1 濃度的測量

如圖3所示，通過程序界面的游標可以調節流量計閥門的大小，并在軟件中實時顯示出工作氣體XeF2濃度值，當濃度達到要求之后，程序將會顯示出全時長濃度的變化過程，圖中顯示了4分鐘之內采集卡所采集到的8萬個采樣點，采樣點的集合代表了XeF2氣體濃度的變化情況。

2.2 放電波形及光信號的采集

XeF2的濃度達到要求之后，點擊濃度與電信號轉換按鈕，手動將5015采集卡調整至采集脈沖波形的待觸發狀態；激光器放電后，數采卡被觸發，并將所采集到的信號顯示在程序中，測量信號的波形如圖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。

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

圖4 控制程序光電信號采集界面

圖5 示波器DPO4104采集波形

2.3 重頻電信號的采集

在藍綠激光器重頻放電的過程中，程序將逐次的顯示每一次放電的電流波形，并用數據庫的形式將數值保存下來，在放電結束后，可通過數據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 重頻運行時的放電波形

通過實驗證明，使用pc為基礎的虛擬儀器設備，能夠滿足藍綠激光器在重頻狀態下對高速光信號的測量要求，為加強藍綠激光器的自動化水平，提高工作效率，有較大的幫助。

3.結論

將虛擬儀器技術代替各種臺式儀器，用于監測藍綠激光器運行過程中的工作狀態，實現了利用計算機對XeF2濃度的遠程閉環控制及對μs級重頻激光器放電波形的采集工作，可異步監測連續和重頻脈沖兩種不同類型的電信號，重頻采集能力達到10HZ以上，并能夠通過編寫控制程序將兩者結合在一起，完成了激光器重頻運行時對其工作狀態的監測及處理任務，提高了數據處理效率，節約了運行成本，保證了激光器的順利穩定運行。

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