原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法技术

本发明专利技术公开了一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。该方法能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量。

Methods in situ real-time non contact measurement of surface temperature of wall materials

The invention discloses a method for in situ real-time free surface temperature of contact measurement of wall materials, the use of laser ablation was measured and module of laser produced plasma, laser plasma excited emission spectrum in the cooling process, the aspheric mirror with a focus on the conjugate with dual plasma emission light collection then coupled to the optical fiber, finally collected plasma coupled to the spectrometer, spectrum data transmitted to the computer through the analysis: the collected plasma emission spectral intensity and the characteristic correlation analysis with the standard spectrum already in the database, the correlation coefficient, correlation coefficient is higher than the standard or find the highest spectrum 0.95, find the the standard spectrum corresponding to the temperature of the substrate in the database and display, so as to achieve the measurement of temperature The purpose of the degree. \u8be5\u65b9\u6cd5\u80fd\u591f\u5b9e\u73b0\u9ad8\u7a7a\u95f4(mm\u91cf\u7ea7)\u53ca\u6df1\u5ea6\u5206\u8fa8\u3001\u5feb\u901f\u3001\u65e0\u63a5\u89e6\u3001\u4e3b\u52a8\u5f0f\u7684\u9762\u58c1\u90e8\u4ef6\u6e29\u5ea6\u6d4b\u91cf\u3002

【技术实现步骤摘要】
原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法
本专利技术涉及温度测量
，特别涉及一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法。
技术介绍
在聚变装置托卡马克运行过程中，由于磁场对粒子约束的不完全性，如中性粒子、顺着磁力线输运的带电粒子之间的电荷交换、等离子体破裂等会发生等离子体与器壁相互作用(Plasma‐Wall‐Interaction,PWI)。在PWI过程中，面壁部件不断的经受热等离子、聚变α粒子、14MeV的聚变种子、中性原子等的直接辐照，这导致面壁部件表面温度升高。尤其是对于高温全超导具有偏滤器位形的托卡马克装置，在其稳态，长脉冲运行过程中，长时间的等离子体与壁相互作用使第一壁材料表面温度急剧上升导致材料的腐蚀、融化及蒸发。第一壁材料温度剧变将严重影响材料的服役性能，缩短装置的运行寿命甚至危害装置的安全。因此，需要开发一种可以原位，在线，实时测量面壁材料表面温度的方法。目前主要的用于测量样品表面温度的方法主要有红外测温方法，热电偶测温方法。其中，红外测温方法可以原位，在线，实时的测量面壁材料的表面温度，目前已经在中国的超导托卡马克EAST聚变装置中使用，但其造价非常高。热电偶测温方法，具有造价低廉，易于校准及使用等优点，但是由于该方法需要与被测样品表面接触，在实际应用中受到诸多的环境限制，且其容易损坏。LIBS因其是一种纯光谱学方法，并可原位、在线、无接触式、主动式实时诊断等优点，已经被广泛用于多个领域。其工作原理为高强度脉冲激光束辐照到被测量样品表面，加热被分析区域一小块体积，在受辐照区域上方产生瞬态激光等离子体。用光谱仪分析瞬态激光等离子发射的光谱，即可对材料进行诊断分析。实验结果表明，LIBS光谱发射强度及特征与被测样品表面温度具有强的相关性，因此通过对其适当的定标，可以使用LIBS技术对样品表面温度进行3D测量。常规的LIBS技术可通过平凸透镜控制烧蚀区域，一般烧蚀面积小于1mm2，烧蚀深度可控，因此该基于LIBS测量温度的技术，可以对样品进行高空间，高深度分辨的测量样品的温度。LIBS因其是一种纯光谱学技术，可以实现原位、在线、无接触式、主动式的诊断。此外，由于激光技术以及光谱仪技术的发展，其光谱发射与采集时间可以控制在秒量级。因此，还是一种可以实时的测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量方法。本专利技术提出的一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。优选的，所述激光模块为超短脉冲激光。优选的，具体包括以下步骤：步骤1：使用数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2，同时设置光谱仪B17为外触发状态。步骤2：数据采集与分析计算机B1触发FPGA时序模块B2，接到触发信号后，FPGA时序模块B2按照已经设置好的时序分别触发脉冲激光器B3发射激光、触发示波器B10开始采集数据、触发光谱仪B17采集瞬态激光等离子体发射光谱。步骤3：被触发的脉冲激光器B3发射出的激光经过激光扩束仪B4对激光束扩束，并继续传播。步骤4：被扩束的激光经由半波片B5与偏振立方体B6构成调节激光透射能量的系统：通过旋转半波片B5的角度改变激光不同偏振态配比，对激光能量进行调控；透射部分用于产生测量温度必须的激光等离子体，反射部分进入残余激光吸收器B7。步骤5：透射的激光光路中加入一片石英片B8把一小部分激光散射到光电二极管B9，石英片B8与激光的夹角，依据光电二极管B9的位置确定，保证被石英片B8发射的激光照射到光电二极管B9上；光电二极管B9与示波器B10相连，对脉冲激光能量进行实时监控，监控的数据用于后期数据处理，以避免由实验仪器引入的误差。步骤6：投射激光继续向前传播，通过一块激光高反射镜B11反射烧蚀激光再经由抛物面激光聚焦反射镜B12对激光聚焦。步骤7：聚焦的激光透过中心开孔非球面反射镜B13将激光照射到被测样品或面壁部件B14上。步骤8：通过使用电机精确调控抛物面激光聚焦反射镜B12控制激光的聚焦度就可以实现实际要求空间分辨率。步骤9：激光聚焦到被测样品或面壁部件B14上，形成瞬态激光等离子体B15。步骤10：中心开孔非球面镜B13反射并收集瞬态激光等离子体B15的发射光到探测光纤B16中。步骤11：探测光纤B16将收集到的发射光传输到光谱仪B17中。步骤12：光谱仪B17把采集到的光谱信号传输给数据采集与分析计算机B1。步骤13：数据采集与分析计算机B1分析计算采集到的光谱与标准光谱的相关性，找到相关性最高或相关性大于0.95的标准光谱；通过已标定的函数关系计算或者直接找到该标准光谱对应的基体温度，得到被测样品的温度。优选的，进一步包括步骤14：如果需要对样品温度进行深度分布测量，则重复步骤1‐步骤13步骤，得到不同样品不同深度的温度信息。有益效果：本专利技术的方法能够实现高空间(mm量级)及深度分辨、快速、无接触、主动式的面壁部件温度测量。附图说明图1为本专利技术原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法原理图。图2为本专利技术原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法专用装置图。附图标示：A1为数据采集分析模块，其功能有(1)光谱数据采集；(2)分析光谱数据并得出样品温度。A2时序控制模块，其功能有(1)控制激光器时序；(2)时序控制示波器数据采集；(3)时序调控光谱模块采集。A3为激光，其功能为产生激光等离子体。A4为烧蚀激光能量调控模块，其功能为在光斑能量空间分布保持不变的情况下调控烧蚀激光能量。A5为被测样品或者面壁部件。A6为激光等离子体光谱收集模块。A7为门宽可调控的ICCD光谱仪。B1、数据采集与分析计算机；B2、FPGA时序控制模块；B3、脉冲激光器、B4、激光扩束仪；B5、半波片；B6、偏振立方体；B7、残余激光吸收器；B8、石英片；B9、光电二极管；B10、示波器；B11、激光高反射镜；B12、抛物面激光聚焦反射镜；B13、中心开孔非球面镜；B14、被测样品或面壁部件；B15、瞬态激光等离子体；B16、探测光纤；B17、光谱仪。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本专利技术的方法主要包含有4个模块：①时序控制模块；②激光模块；③光谱收集模块；④数据采集与处理模块。该专利技术中烧蚀激发不做任何限定，用于烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，但该专利技术中激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，其特征在于，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。

【技术特征摘要】
1.一种原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，其特征在于，利用激光模块烧蚀被测量区域并产生激光等离子体，被激发的激光等离子体在冷却过程中发射出光谱信号，通过一块具有双共轭焦点的非球面反射镜对等离子体发射光进行收集而后耦合到光纤，最后收集到的等离子体耦合到光谱仪中，光谱数据传输到计算机中进行分析：通过对收集到的等离子体发射光谱强度及特征与数据库中已有的标准光谱进行相关性分析，得出相关性系数，找到相关性系数最高或者高于0.95的标准光谱，在数据库中找到该标准光谱对应的基体温度并显示，从而达到测量温度的目的。2.根据权利要求1所述的原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，其特征在于，所述激光模块为超短脉冲激光。3.根据权利要求1或2所述的原位在线实时无接触式测量面壁材料表面温度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：使用数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2)，同时设置光谱仪(B17)为外触发状态；步骤2：数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2)，接到触发信号后，FPGA时序模块(B2)按照已经设置好的时序分别触发脉冲激光器(B3)发射激光、触发示波器(B10)开始采集数据、触发光谱仪(B17)采集瞬态激光等离子体发射光谱；步骤3：被触发的脉冲激光器(B3)发射出的激光经过激光扩束仪(B4)对激光束扩束，并继续传播；步骤4：被扩束的激光经由半波片(B5)与偏振立方体(B6)构成调节激光透射能量的系统：通过旋转半波片(B5)的角度改变激光不同偏振态配比，对激光能量进行调控；透射部分用于产生测量温度必须的激光等离子体，反射部分进入残余激光吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁洪斌，赵栋烨，孙立影，吕燕，石劼霖，李聪，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21