基于半导体激光器和等离子喷涂装置的热流源产生方法

技术领域

本发明属于热流传感标定技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器和等离子喷涂装置的热流源产生方法。

背景技术

空间飞行器高超声速再入阶段通常会产生非常高的热通量，热通量的测量能力通常被认为是航空航天领域一个非常重要的课题。用于这些测量的大多数传感器由于每次测量和环境影响，都会对热流传感器产生损耗，使其输出结果发生偏差，从而导致测量误差。日积月累，输出结果会产生较大误差，为了确保测量结果的准确性，所以每次正式测量热流试验之前，需要对热流传感器进行二次标定，确定其灵敏度，减少误差。校准则需要能够产生非常大的可靠的热通量的热流源。通过产生大热流源进行传感器校准，可以模拟真实的再入热流条件，使传感器暴露在高温和高热通量的环境中。通过测试和测量传感器的响应输出，可以获得传感器在不同热流强度下的灵敏度和响应曲线，进而准确校准传感器的输出结果。本发明主要是对热流源进行改进，实现对热流源上限的提升。主要通过半导体激光器和等离子喷涂相结合产生混合的大热流，以此来对热流传感器进行校准。

现存热流源的类型及不足：①卤素灯法，利用石英灯加热，通过加热控制系统控制石英灯管功率，获得所需热流，此方法产生热流值上限低、重复性差。同时该方法产生热流需要一定的加热时间才能达到正常工作状态，而且灯丝在高温环境下工作，更容易受损，导致寿命相对较短。②黑体辐射法，将黑体炉作为热流源，将黑体腔温度稳定在设定温度，测试和计算总热流，此法操作复杂，难以精确控制和调节，限制了其在一些应用中的灵活性和可调性。并且还具有热流上限低，设备成本高的缺点。③保护热板法，该热流源由主热板、保护热板、底部保护热板、冷板、绝热材料构成，通过改变主加热板的电压，实现提升热流的目的。但是此方法的设备构造复杂、热流值较低、对传感器测试量程范围要求窄，且操作繁琐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提高热流源产生热流的上限，并且使产生的热流既有辐射又有对流，更好的模拟实际情况，满足未来热流传感器校准所需要的模拟环境。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于半导体激光器和等离子喷涂装置的热流源产生方法，所述热流源产生方法的实施过程涉及激光器、光学系统、等离子喷涂装置、热流传感器、计算机；

所述热流源产生方法包括如下步骤：

步骤1：激光器发射出激光；所述激光通过光学系统的准直镜头，实现大功率激光的均匀化；

步骤2：均匀化后的激光经过准直镜头后入射到热流传感器；

步骤3：同时等离子喷涂装置瞄准热流传感器；等离子喷涂装置输出的热流也入射到热流传感器中，通过热流传感器进行探测；

步骤4：热流传感器的信号传输给计算机进行数据采集和处理。

其中，所述光学系统是微透镜阵列整形系统，其中，微透镜阵列包括：多个焦距、尺寸一样的小透镜组成的微透镜阵列L1，以及球面聚焦透镜L2两个部分；微透镜阵列L1将入射激光光束分割为多个子光束，球面聚焦透镜L2再将子光束聚焦，由此解决激光分布不均匀的问题。

其中，所述热流传感器与计算机之间设置有信号调理采集系统、信号处理系统。

其中，所述激光器连接有光器调制电路，通过激光器调制电路控制产生稳定的激光输出功率。

其中，所述激光器连接有水冷系统，用于对激光器的温度进行控制，满足能够长时间输出热流的要求。

其中，所述等离子喷涂装置对其输出的热流，进行功率、距离、速度的调节。

其中，所述热流源以高功率光纤输出半导体激光器和等离子喷涂作为混合热流源。

其中，所述激光器为高功率光纤输出半导体激光器。

其中，所述高功率光纤输出半导体激光器的激光输出功率大、激光输出频率调制简单、操作方便、安全性高、稳定性强、重复性好、能量损失小以及光电转换效率高等优点，可以作为理想热流源；所述等离子喷涂装置具有高温能力、均匀性、多功能性等优点，可以作为理想热流源。

其中，激光器输出的激光首先通过准直镜头，使大功率高斯激光激光束在其辐射面积内达到能量密度均匀的目的；

所述等离子喷涂装置将喷涂材料以等离子态的形式喷射到基材的特定区域上；喷涂过程中，喷枪将等离子态的喷涂材料加热至高温，并经过加速器和导向器的控制，将喷涂材料精确地沉积在激光热源作用区域的表面上。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明技术方案基于半导体激光器与等离子喷涂作为热流源，输出功率大、热流输出均匀、大小可调、重复性好、输出热流准确、操作方便，提高了热流校准的上限。

附图说明

图1为本发明技术方案的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于半导体激光器和等离子喷涂装置的热流源产生方法，所述热流源产生方法的实施过程涉及激光器、光学系统、等离子喷涂装置、热流传感器、计算机；

所述热流源产生方法包括如下步骤：

步骤1：激光器发射出激光；所述激光通过光学系统的准直镜头，实现大功率激光的均匀化；

步骤2：均匀化后的激光经过准直镜头后入射到热流传感器；

步骤3：同时等离子喷涂装置瞄准热流传感器；等离子喷涂装置输出的热流也入射到热流传感器中，通过热流传感器进行探测；

步骤4：热流传感器的信号传输给计算机进行数据采集和处理。

其中，所述光学系统是微透镜阵列整形系统，其中，微透镜阵列包括：多个焦距、尺寸一样的小透镜组成的微透镜阵列L1，以及球面聚焦透镜L2两个部分；微透镜阵列L1将入射激光光束分割为多个子光束，球面聚焦透镜L2再将子光束聚焦，由此解决激光分布不均匀的问题。

其中，所述热流传感器与计算机之间设置有信号调理采集系统、信号处理系统。

其中，所述激光器连接有光器调制电路，通过激光器调制电路控制产生稳定的激光输出功率。

其中，所述激光器连接有水冷系统，用于对激光器的温度进行控制，满足能够长时间输出热流的要求。

其中，所述等离子喷涂装置对其输出的热流，进行功率、距离、速度的调节。

其中，所述热流源以高功率光纤输出半导体激光器和等离子喷涂作为混合热流源。

其中，所述激光器为高功率光纤输出半导体激光器。

其中，所述高功率光纤输出半导体激光器的激光输出功率大、激光输出频率调制简单、操作方便、安全性高、稳定性强、重复性好、能量损失小以及光电转换效率高等优点，可以作为理想热流源；所述等离子喷涂装置具有高温能力、均匀性、多功能性等优点，可以作为理想热流源。

其中，激光器输出的激光首先通过准直镜头，使大功率高斯激光激光束在其辐射面积内达到能量密度均匀的目的；

所述等离子喷涂装置将喷涂材料以等离子态的形式喷射到基材的特定区域上；喷涂过程中，喷枪将等离子态的喷涂材料加热至高温，并经过加速器和导向器的控制，将喷涂材料精确地沉积在激光热源作用区域的表面上。

实施例1

如图1所示，本实施例的基于半导体激光器和等离子喷涂的混合热流源，包括激光均匀化系统，激光首先通过光学系统实现激光束的均匀化。同时将等离子喷涂瞄准。激光器可以通过多次调整激光输出功率，以改变辐射热流密度。同时调整等离子喷涂的参数，可以通过输出功率、距离、速度等改变输出热流，确保喷涂参数适合目标热流传感器。

工作原理为，通过激光器与等离子喷涂同时输出热流到传感器上，通过电压控制系统完成激光器的调制，实现激光器输出的稳定性，激光通过光学系统实现输出热流的均匀性。设置热流值标定范围，同时采集标准、待标定热流传感器的输出信号，最终通过该系统实现热流传感器的标定。

高功率光纤输出半导体激光器系统具有激光输出功率大、激光光斑大小可调、激光输出频率调制简单、热流输出均匀、操作方便、安全性高、稳定性强、重复性好以及能量损失小等优点，将其与等离子喷涂结合在一起，不但可以提高激光器输出热流的上限，而且输入的热流包含辐射与对流，可以更好的模拟现实的情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。