专利名称：双光闸激光加热时间控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种激光加热时间的精确控制方法，尤其是利用双光闸控 制激光加热时间的方法。
背景技术：
目前，公知的各类激光光束都是利用光闸来控制的。例如，被大量使 用的利用电磁开关的挠曲型单叶片光闸、滑杆式光闸、折光镜式光闸等。 这几种光闸由于光闸的完全开启或完全关闭存在数十毫秒到数百毫秒的滞 后响应时间，不能满足加热时间的精确控制。另外，虽然高频率高精度转 盘式机械快门机构[4]可以将光通过时间控制在微秒级，但不能适用于需要连 续照射物体的加热时间的精确控制。另外，也有用于数字相机的步进马达 驱动的双叶片快门专利，此种快门也不适合于激光光束的高速开闭控制。 因此，需要一种不同于以往方法的精确地控制激光连续加热时间的方法。
最近，nmLaser推出了可以将激光开闭时间控制在l毫秒级到数百微秒级的 电磁驱动的挠曲伸臂薄膜的专利技术，其产品售价昂贵。
发明内容
为了克服激光单一光闸的开启和关闭的滞后响应，不能准确控制激光 实际加热时间的问题，本发明提供一种双光闸激光加热时间控制装置及其 控制方法，该发明可将单一光闸激光不可控加热时间降至最小，进而精确 控制激光实际加热时间。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将一个追加控制光闸耦 合进既有单一光闸控制装置中。在取得各光闸高速开闭特性时间的基础上， 利用计算机程序控制各光闸的开启和关闭时间，将单一光闸激光不可控加 热时间降至最小，进而精确控制激光实际加热时间。
双光闸激光加热时间控制装置，包括单一光闸激光加热装置和计算机 5，在所述单一光闸激光加热装置第一光闸1的前方设置第二光闸2，激光 发生器3前设置反射镜6、聚光透镜7和石英透明反应器8，石英透明反应 器8内放置试料9;第一光闸1和第二光闸2经激光功率控制器4通过计算机5进行控制，红外测温仪10测量的温度由计算机5采集、记录和储存。 所述第二光闸(2)为电磁开关型单叶片光闸。
双光闸激光加热时间控制方法，利用高速摄像机可获得激光3既有的 第一光闸1和追加的第二光闸2的开关响应时间。在设定的触发时间，第 一光闸1和第二光闸2的开闭响应时间是不同的，本发明的追加的第二光 闸2的开闭响应时间要远远快于第一光闸1。因此，利用追加的第二光闸2 的快速开闭响应特性縮短既有的第一光闸1开闭响应时间，达到激光加热 时间的更精确控制。第一光闸1和第二光闸2的开闭控制是通过微机5利 用计算机程序实现的。本发明是利用计算机时钟(GPIB)控制加热时间。 首先测定所用计算机5的控制循环次数Nb。p与完成计算循环所需要的时间 tN的关系，即实际加热时间U与控制循环次数N,。。p的定量关系式。使用与 实际加热时间U对应的控制循环次数N^p,利用程序循环控制语句通过控 制循环次数N,。。p控制光闸开闭触发，进而就可更精确地控制实际加热时间。
本发明的有益效果是该发明在不增加生产成本条件下，将单一光闸 激光不可控加热时间降至最小，获得激光实际加热时间的精确控制。本发 明结构简单，控制方法容易实现。另外，为已购买了单一光闸激光设备的 用户提供了一种简单、有效和廉价的激光光束的控制方法。
图1是双光闸激光加热时间控制示意图； 图2是双光闸响应时间示意图； 图3是激光加热时间计算机程序控制流程； 图4是煤粒双光闸激光加热时间控制例1; 图5是煤粒双光闸激光加热时间控制例2;
图6是煤粒双光闸激光加热时间和升温速度控制例。
具体实施方式
实施例
本发明的实施例使用了二氧化碳激光发生器3 (NEC制CL112C、发射 波长10.6m、光束直径6mm、最大功率125W)。既有的第一光闸1和追加 的光闸2 (电磁开关型单叶片)经激光功率控制器4通过系统控制用计算机5进行控制。激光光束经反射镜6折射进入聚光透镜7 (70mmZnSe)聚焦 照射石英透明反应器8内的被照射加热试料9。被照射加热试料9的温度由 红外测温仪10测量。
本实施例使用高速摄像机(Japan Kodak, Model4540,摄像速度每秒 40500帧)观测获得了上述二氧化碳激光3所带第一光闸1和追加的第二光 闸2的开关响应时间关系(见图2)。在触发时间11设定为500ms时，光闸 1和光闸2的开启响应滞后时间均为18ms，从光闸开启到完全开启需要 28ms。光闸1的关闭响应滞后时间高达156ms,从光闸开始关闭到完全关闭 需要53ms。光闸2的关闭响应急快，滞后时间可忽略，从光闸2开始关闭 到完全关闭仅需要20ms。因此，对设定的500ms加热时间，如果只利用激 光既有光闸l,实际的加热时间为691ms。利用追加光闸2则可将实际的加 热时间控制在501ms，与设定时间仅差lms。
利用计算机程序实现设定激光加热时间的控制流程见图3。为了利用计 算机时钟(GPIB)控制激光加热时间，首先必须测定所用计算机5的控制循 环次数Nb。p与完成计算循环所需要的时间 的关系，即实际加热时间"与控 制循环次数N!。。p的定量关系式。本实例中，tri^23.10+0.47^。。p毫秒，或 N!。。^2.13U-49.15次。因此，输入"就可获得控制循环次数N!。。p。例如，设 定trtr50ms,贝UN!。。^57次；设定^=500 ms，则^。。^1015次。因此，使用与 实际加热时间"对应的控制循环次数Nb。p，利用程序循环控制语句执行l^。。p 次循环就可按设定精确地控制实际加热时间。
利用双光闸激光加热系统对煤粒进行急速加热控制的实例见图l。煤粒 温度由单波长红外测温仪IO (Japan Sensor Co. Ltd，TTS-FlA3000)测量。粒 子升温速度可通过调整激光3的输出强度实现在50'C/s 10^C/s范围可调。 为了研究煤粒热解前期表面构造随温度的变化，煤粒表面温度最高温度需 在200'C 50(TC范围可控。利用本发明专利可以实现这些技术参数的要求。 利用本发明提出的控制实际加热时间的方法对煤粒表面最终加热温度进行 精确控制的实例分别见图4、图5和图6。
在激光强度-1.1937MWm'2，升温速度-8964TV1 ，煤粒尺寸二127拜， 将实际加热时间U分别设定为33.4ms， 37.2ms， 46.6ms， 49.0ms和51.3ms
5时，利用N^p-2.13U—49.15计算的控制循环次数为22， 30， 50， 55和60次， 可将煤粒最高表面温度分别控制在312°C, 360°C， 395°C， 437'C和48(TC (见 图4)。
在激光强度-0.8000MWm—2，升温速度-7917"Cs—1，煤粒尺寸=127|^， 将实际加热时间U分别设定为41.9ms， 46.6ms， 53.7ms， 70.1ms和77.2ms 时，利用1^。叩=2.13^—49.15计算的控制循环次数为40， 50, 65， 100和115 次，可将煤粒最高表面温度分别控制在300。C,358。C,400。C,43rC和487。C (见图5)。
煤粒尺寸-127iLim，在不同升温速度50°Cs"， 150°Cs", 240°Cs", 960°Cs", 1800°Cs"， 630(TCs"和960(TCs"条件下，将煤粒加热至440。C (713K)。所 用实际控制加热时间设定为9666.7ms， 3166.7ms， 1500ms， 375ms， 244.4ms， 69.8ms和46.3ms ，利用N1()。p=2.13trh — 49.15计算的控制循环次数分别为 20519， 6689， 3142， 749， 471， 99和49次(见图6)。
因此，利用双光闸激光加热系统，通过控制循环次数N^p控制光闸开闭 触发，进而控制实际加热时间U，通过调整激光强度，就可在不同升温速度 条件下将试料表面加热至希望温度。
权利要求
1.一种双光闸激光加热时间的控制装置，包括单一光闸激光加热装置和计算机(5)，其特征是在所述单一光闸激光加热装置第一光闸(1)的前方设置第二光闸(2)，激光发生器(3)前设置反射镜(6)、聚光透镜(7)和石英透明反应器(8)，石英透明反应器(8)内放置试料(9)；第一光闸(1)和第二光闸(2)经激光功率控制器(4)通过计算机(5)进行控制，红外测温仪(10)测量的温度由计算机(5)采集、记录和储存。
2. 根据权利要求1所述的双光闸激光加热时间的控制装置，其特征是: 第二光闸(2)为电磁开关型单叶片光闸。
3. —种双光闸激光加热时间的控制方法，其特征是所述方法是利用 计算机(5)时钟(GPIB)控制第一光闸(1)和第二光闸(2)的开启和关闭，进而控制激光加热时间，该方法包括以下步骤(1) 设定激光加热时间th(ms)和实际激光加热时间U (ms);(2) 利用U计算控制循环次数N^p;(3) 开始GPIB时间；(4) 开启第一光闸(1);(5) 开启第二光闸(2);(6) 利用计算控制循环次数N^p控制循环语句时间，即实际加热时间；(7) 控制循环次数N!。。p完成；(8) 关闭第二光闸(2);(9) 设定激光加热时间th完成；(10) 关闭第一光闸(1);(11) 结束GPIB时间。
4.根据权利要求3所述的双光闸激光加热时间的控制方法，其特征是控制用计算机(5)的控制循环次数N!。。p与实际加热时间U毫秒具有的线性关系式Ni。。p勻o+n!U次或U-to+tiNi。。p毫秒；n0、 n厂线性拟合常数； to、 t厂线性拟合常数。
全文摘要
本发明公开了一种双光闸激光加热时间控制装置及其控制方法。其特征是在单一光闸激光加热装置第一光闸(1)的前方设置第二光闸(2)，利用双光闸的关闭程序控制，将激光实际加热时间控制在希望值。其控制方法是利用实际加热时间与计算机程序的循环控制语句循环次数的定量关系式来控制激光光闸的开启和关闭，进而获得激光实际加热时间的精确控制。本发明在不增加成本的条件下，将单一光闸激光不可控加热时间降至最小、大幅提高激光实际加热时间的控制精度。同时，本发明还具有所述装置结构简单、控制方法容易实现等优点。
文档编号G05B19/04GK101561667SQ200910143879
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者鸿 高 申请人:燕山大学