激光分析仪

激光分析仪（共12篇）

激光分析仪 篇1

摘要：通过对数据的分析处理从两个方面:重复性测量结果分析和平行性测量结果分析对激光粒度仪的性能进行了误差分析。重复性测量结果分析主要是对一台仪器的多个土样重复试验的测量数据进行分析处理, 平行性测量结果分析主要是对两台仪器对同一土样进行试验的测量数据分析处理。两次分析的结果表明激光粒度仪的性能良好, 在土工试验的颗粒分析中可以被推广使用。

关键词：误差分析,W-检验,x2检验

1 概述

当前, 随着科学技术的飞速发展, 检测设备的科技含量越来越高, 检测手段越来越进步。激光粒度分析仪就是近年来发展的新的颗粒粒径检测仪器, 已经越来越多地应用于工业产品的粒径检测中。近年来在土体颗粒粒度测量分析上也得到了成功的运用, 并逐步在该领域推广, 极大地提高了分析的粒度和速度, 显示了良好的应用前景。而现行《土工试验规程》中土的颗粒分析是通过筛析法和密度计法联合进行的, 激光粒度分析仪进行颗粒分析具有快速、方便的特点, 比土工中的密度计法具有先进性, 因此, 将其引进到土工颗粒分析试验中将具有创新意义, 将是土工颗粒分析试验的一次革命。但在此之前需要对激光粒度仪的稳定性进行评判, 对其测定结果进行稳定性分析, 这主要包括两个方面, 一方面需要观察同一台仪器多次测量结果是否存在系统误差, 这是仪器本身的的稳定性, 这个我们称之为重复性测量结果分析。另一方面还要对不同仪器对同一土体的测量结果进行分析, 观察这两组测量结果是否存在系统偏差, 这是仪器之间的稳定性, 我们称之为平行性测量结果分析。这种稳定性分析将为激光粒度分析仪在工程建设中推广提供资料和技术支持。

2 重复性测量结果分析

2.1 偏离度的定义

设两组粒径数据分别为X=[xÁ...xÁ]与Y=[yÁ...yÁ], 定义

为X, Y的偏离度, 它体现的是测量数据的偏离误差, 可反应测量误差的大小。

2.2 数据处理

对进行试验的土样随意抽取, 在此抽取10个试验的土样及相应的试验数据。

设对10个土样中的某一土样重复进行了n次试验从而得到n组12个粒径测量值, 则得到该土样的一组测量值, 记为

由上面数据的处理过程, 对抽取的10个土样的测量数据分别进行上述的分析处理, 得偏离度见表1 (因数据过多仅取几个为例说明) 。

2.3 模型建立及求解

设某一土样的n个偏离度 为从总体 中抽取的样本, 若本试验所使用的激光粒度分析仪的性能良好, 即无系统误差存在, 由误差理论可知, 这n个偏离度只是由随机误差导致的, 则这n个偏离度所在的总体 的分布应该是服从正态分布的。

现要检验如下假设 服从正态分布

Á此处20 n50, 考虑采用小样本的正态性检验——W检验法。

现以土样砂4-南水北调南岸 (90%) 为例, 已知其重复试验的次数n=20, 相关数据计算如下表2。

其余9个土样可做类似的检验, 经计算只有粘2-粉4 (10%) 1个土样是拒绝原假设的, 因而总体来说, 仪器的性能是良好的。

3 平行性测量结果分析

两个研究所从同一厂家购买了两台同一型号的激光粒度分析仪, 并分别在各自的研究所对相同的土样进行了测量, 相应的得到两组测量数据。下面对这两组数据进行比较分析, 观察两台仪器的测量结果之间是否存在系统误差。

首先, 对所给的数据表格进行初步处理, 从中筛选出两个研究所都进行过试验的土样以及相应的试验数据, 经过整理得到两个数组矩阵:

其中X第一个研究所所用激光粒度仪对土样的测量数据, Y为第二个研究所所用仪器得到的测量数据。记

由误差理论要检验n=315个偏离度是否服从正态分布, 在此利用x2拟合优度检验进行检验。此处仅给出计算过程, 部分计算结果见表3。

计算统计量x2的观察值 在显著性水平a=0.05下查自由度为18-2-1=15的x2分布表, 得临界值24.996, 由cÁ=4.831<24.996知不能拒绝原假设, 所以认为两台仪器的测量误差是由随机因素引起的, 不存在系统偏差, 两台仪器的性能相同, 仪器的稳定性很好, 该种仪器可以被推广使用。

4 结论

对激光粒度分析仪所测数据在两个方面:重复性测量结果分析和平行性测量结果分析, 对仪器的性能进行了误差分析。重复性测量结果分析主要是一台仪器对多个土样重复测量的数据进行分析处理, 结果表明测量结果仅有随机偏差, 不存在系统偏差, 从而说明本台仪器的性能良好, 所测数据可靠性较高;平行性测量结果分析主要分析两台仪器对同一土样测量的多组数据, 分析结果认为两台仪器的多次测量结果也只是由随机误差引起的, 从而说明两台仪器的性能相同, 不同仪器的测量结果具有很好的稳定性。两次分析的结果最终说明了激光粒度仪的性能良好, 在土工试验的颗粒分析中可以被推广使用。

参考文献

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[4]工程数据统计分析[M].南京:东南大学出版社, 2002.

激光分析仪 篇2

近期，很多客户咨询激光打孔机。就打孔来说，速度最快的当然数数控钻床了，那么为什么这么多客户选择激光切割机，而且是光纤激光切割机呢？

钻孔，顾名思义就是在板材上面开各种各样的圆孔、方孔、椭圆孔等等，如果是标准孔型，量大的话，采用传统设备数控冲床，能够保证钻孔的效率，切实解决了部分客户关于钻孔方面的技术要求。但是，随着加工工艺精度要求的提升，现在很多数控冲床已经不能满足客户的要求了，主要原因是很多客户孔的种类很多，而且每种孔型的量不是很大，如果采用数控冲床，专门开模的费用就很高。

我们知道一般数控冲床有以下特点：

1、钻头转速高。

2、摩擦严重、散热困难、热量多、切削温度高。

3、切削量大、排屑困难、易产生振动。

4、钻头的刚性和精度都较差，故钻削加工精度低，一般尺寸精度为IT11～IT10，粗糙度为Ra100～25。

激光体光栅光谱合成的串扰分析 篇3

关键词： 光栅； 光谱合成； 体布拉格光栅； 串扰； 合成效率

中图分类号： O 438.1文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.05.012

引言激光光谱合成[14]是获得高功率激光输出的一种有效途径，在高功率激光领域起着重要作用。光谱合成技术[56]采用色散元件对不同波长的激光束进行远场和近场的光束叠加，合成光束的光束质量几乎与单个激光器的光束质量相当，以光热折变无机玻璃为基底材料制成的体布拉格光栅[711]是高功率激光光谱合成的理想器件。文中由体光栅光谱合成的原理，给出体光栅光谱合成系统的效率模型。通过对体光栅旁瓣引起的串扰损耗进行计算仿真；推导出有串扰情况下的多路激光光谱合成效率公式。图1体布拉格光栅光谱合成示意图

Fig.1Schematic diagram of spectral beam

combining with volume Bragg grating1体布拉格光栅光谱合成的基本原理体布拉格光栅谱合成的原理如图1所示。在图1中，中心波长为λ1和λ2的两束激光从光栅两侧以相同的角度θi射到体布拉格光栅上。中心波长为λ1的激光束满足布拉格条件：2n0Λcosθr=λ1，Λ为光栅的周期，n0为背景折射率，θr表示波长为λ1的入射光在光栅内的折射角，由于衍射作用而几乎发生全反射。另一束中心波长为λ2的激光由于不满足布拉格条件，其衍射效率接近零而发生透射，最终两束激光从相同点以相同的角度输出，达到光谱合成目的。光学仪器第34卷

第5期白慧君，等：激光体光栅光谱合成的串扰分析

2体光栅的串扰分析根据Kogelnik的耦合波理论[12]，在体布拉格光栅的栅线平行于体光栅表面的情况下，入射光以满足布拉格条件入射，设入射光的波长与体布拉格光栅的中心波长λ0的偏差为Δλ，则体布拉格光栅的衍射效率为[13]η（Δλ）=1+1-λ0f2Δλ2n0Δn2sinh22πn0tΔnλ20f2-πftΔλλ021/2-1（1）当Δλ=0时，可得衍射效率的最大值η0=tanh2πtΔnλ0cosθr（2）以波长为976 nm为例，取光栅参数为：光栅厚度t=1.5 mm，折射率调制幅值Δn=760×10-6，调制周期Λ=0.371 μm，布拉格角θr=0.48 rad时，通过计算得出体光栅的光谱衍射特性曲线如图2所示。从图2可以看出，体光栅的衍射特性曲线中存在较大的旁瓣，前四级旁瓣对应的衍射效率分别为43%，21%，13%，7%。理想情况下，波长为976 nm的光束以满足布拉格条件入射时，零级旁瓣前有最大的衍射效率[14]，光栅对其衍射效率达到最大值；波长为977 nm的光束以相同角度入射，其峰值对应四级零点，衍射损耗极小，发生透射。然而，在实际情况下，考虑到光束的带宽和发散角对衍射效率的影响，第二、三级衍射旁瓣与透射光束有很大一部分叠加，导致透射光束的功率损失，也即串扰损耗。因此，在合成光束的波长间距较小时，串扰对合成效率的影响不可忽略。下面以高斯型光束为例计算体光栅对入射光束的串扰损耗。设参与光谱合成的光束的光谱线宽为高斯线型：G（λ，ω）=exp-2λ-λ0ω2（3）式（3）中，λ0为入射光束的中心波长，ω为入射光束的半光谱宽度。体光栅对带有一定谱宽的光束的衍射效率为η=∫η（λ）G（λ，ω）dλ ∫G（λ，ω）dλ （4）式（4）中，η（λ）为光栅对单色波λ的衍射效率。图3表示光栅厚度t=1.5 mm，峰值衍射效率为99%，光谱选择性半宽为0.5 nm的体光栅对光谱宽度分别为0.05 nm，0.5 nm，1 nm的光束的衍射特性。从图3可以看出，布拉格光栅中心波长位置的极值衍射效率随着入射光束的谱宽增宽而下降。对中心波长为976 nm的光束，光谱宽度ω=0.05 nm时，光栅对该光束的衍射效率接近99%；光谱宽度ω=1 nm，即为光栅谱选择性半宽的两倍时，光栅对该光束的衍射效率降到80.2%。

当入射光束的中心波长偏离布拉格中心波长一定距离，尤其是在光谱选择性半宽附近（如976.5 nm附近）时，衍射效率将迅速减小，并且波长大于978 nm（或小于974 nm）的光束入射后，体光栅对该光束的衍射效率在4%以下，发生透射，此时，体光栅对该透射光束的串扰损耗小于4%。因此，在进行激光合成时，为了减小体光栅对透射光束的串扰损耗，相邻两束光的波长间距应该尽可能大。3多路激光光谱合成的串扰分析在上述分析体光栅的衍射特性时，为了减小体光栅对透射光束的串扰损耗，相邻两束光的波长间距应该尽可能大。但是在合成光束的谱宽有一定范围限制的情况下，相邻两束光的波长间距不能无限大，此时需要综合考虑串扰损耗和有限谱宽内的合成光束数目的关系。考虑N束功率都为P0的激光采用N-1个体布拉格光栅进行光谱合成，多路激光体光栅光谱合成的示意图如图4所示，其中每个光栅只对满足布拉格条件的光束实现高效率衍射，而对其它波长的光束近似完全透射。N个参与合成的光束的波长满足如下条件：λ0≤λi≤λ0+Δλi=1，2……N（5）式（5）中，Δλ为合成光束的谱宽。图4多路反射式体布拉格光栅谱合成示意图

Fig.4Schematic diagram of multichannel spectral

beam combining with volume Bragg grating设单个体光栅的衍射效率为ηD，其透射效率为ηT，体光栅材料的吸收引起的损耗忽略不计，单独考虑串扰的影响。如图4所示，对光束λ1，经过N-1个体光栅透射后，其功率为：P1=P0ηN-1T（1-η1C）（1-η2C）…（1-η（N-1）C）（6）式（6）中，ηiC为体光栅的串扰损耗，i=1，2…N-1。令1-ηiC =ηiC′，则有：P1=P0ηN-1Tη1C ′η2C′…η（N-1）C′（7）对其他参与合成的光束有：Pi=P0ηN-i+1TηDη1C′η2C′…η（N-i）C′（8）

PN=P0ηTηD（9）

P（N）=P0ηDηN-1T∏N-2i=1 ηiC′+ηN-2T∏N-3i=1 ηiC′+…ηT+P0ηN-1T∏N-1i=1 ηiC′（10）因此总的合成效率为：η（N）=1NηD∑N-2j=1ηN-jT∏N-j-1i=1ηiC′+ηT+ηN-1T∏N-1i=1 ηiC′（11）式（11）为N束激光光谱合成的总效率公式，但是计算比较繁琐。由图3看到，体光栅的串扰损耗主要来源于一级至四级旁瓣，随着相邻光束的波长间距的增大，体光栅对透射光束的串扰损耗逐渐降低，图3中波长980 nm、谱宽为1 nm的光束对应的衍射损耗仅为0.8%。因此，考虑将低于0.5%的串扰损耗忽略不计，需对式（11）进一步简化。以光谱选择性半宽为0.5 nm的体光栅，光谱宽度为0.5 nm的光束为例，表1表示波长间隔为0.5 nm的各个光束对应的串扰损耗，起始波长为976 nm。从表中可以看到，波长间隔大于4倍的体光栅光谱选择半宽时，衍射损耗较小；波长间隔大于8倍体光栅光谱选择半宽时，衍射损耗小于1%。依据表1的计算结果，将式（11）中串扰损耗小于0.5%的分量忽略不计，得到简化后的总的合成效率公式为：η（N）=1NηDη5T-ηNT1-ηT∏4i=1 ηiC′+∑3j=1η5-jT∏4-ji=1 ηiC′+ηT+ηN-1T∏4i=1 ηiC′N≥5（12）为了使相邻光束的衍射损耗小，同时兼顾有限谱宽内的合成光束的数量，取各个光束的波长间隔为1 nm。设合成光束的谱宽为10 nm，单个光束的谱宽为0.5 nm，波长间隔为1 nm，则合成光束的数目N=10。从表1知衍射效率为0.982，取透射效率为0.99，采用式（11）计算得到这10路激光光谱合成的总效率为：73.02%；而采用式（12）计算得到这10路激光光谱合成的总效率为：73.28%，比简化前的合成效率增大了0.36%。下面通过改变合成路数和波长间隔对简化后的式（12）加以验证。表2表示不同的合成路数和波长间隔所得的合成效率。

从表2看到，通过对不同合成数目和波长间隔的多路激光光谱合成效率的计算比较，简化后的式（12）由于将小于0.5%的串扰损耗忽略，其所得结果比式（11）的结果略大，但两者相差小于0.5%，满足误差要求，因此简化后的合成效率公式（12）能够用于计算总的合成效率，且计算过程相对简单。4结论基于Kogelnik的耦合波理论，对体光栅旁瓣引起的串扰损耗进行了计算仿真；推导了有串扰情况下的多路激光光谱合成效率公式，并对该效率公式进行了简化。数值分析结果表明：体光栅的串扰损耗主要来源于一级至四级旁瓣，随着相邻光束的波长间距的增大，体光栅对透射光束的串扰损耗逐渐降低。简化后的合成效率公式计算得到的结果与简化前的公式所得结果相差小于0.5%，满足误差要求，极大地简化了计算过程。在实际光谱合成时，应有效地寻找减小串扰的方法，以实现高效率的光谱合成。参考文献：

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流式细胞分析仪激光电源维修 篇4

在日常维修医疗仪器电源时, 美国贝克曼公司的cytomics TM FC 500全自动流式细胞分析仪、美国BD Biosciences公司FACSCanto II流式细胞分析仪器里面的激光电源大多采用美国JDS Uniphase公司的激光电源驱动器。无论哪种电子设备, 只要采用了开关电源供电, 开关电源的故障率均最高, 约占整机故障率的50%[1]。然而, 我们在实践中探索了一个通过绘制电源的电路图来维修开关电源的方法, 这种方法既提高了仪器的维修成功率, 也使开关电源的维修变得快捷而容易。在制作电路图的同时还发现不同品牌机器的激光电源内部的设计其实大同小异, 因此, 对激光电源的故障维修也具有共性可以参考。以美国贝克曼公司的cytomics TM FC 500全自动流式细胞分析仪中的激光电源为例, 激光电源内部主要含有功率因数控制器、电流控制器、三角波与正弦波发生器及与机器相连的接口电路。在对该激光电源进行维修时发现, 故障经常发生在整机集成块供电电源部分、激光电源功率因数控制器部分及激光恒流控制器部分。下面对这几部分常见的故障分别进行分析。

1 电路分析与维修方法

1.1 波形合成器和集成块供电电源的维修

图1是波形合成器和集成块供电电源的主要部分, 它既是整机激光电源集成块的供电电源, 也是电压波形合成器的功率输出。它是通过接插件与电源主板相连的, 因此可以从电源主板上卸下进行检查和维修。图1是一个他激型的半桥驱动器, 他激型半桥式开关电源电路中的PWM电路包括PWM发生器、PWM驱动器、PWM控制器等电路[2]。U1A (IR21531) 就是这个他激型半桥式开关电源的PWM控制芯片。Q3和Q4是功率输出VMOS管, 这样的电路共有2个 (另1个图中没有画出) 。这部分电路经常会损坏, 元件损坏后的现象是F1熔断丝熔断, 但主板的主熔断丝一般不断。这时必有Q3或Q4功率场效应管损坏。维修时可将Q3和Q4同时换掉。整机集成块供电电源 (13.8 V) 是通过U2稳压块来提供的。U2 (MC33269) 是一个可调节的串联型稳压模块, 类似于LM317, 输出电压为改变R12或R13的值, 可以改变该稳压电源的数值, PCB板子上标注为12 V。根据R12和R13的实际阻值计算得到是13.8 V, 正常工作时测得的电压也是13.8 V。对此电路工作是否正常进行判别时, 只要在U2的输入端对地外加17 V的直流电压, 检查在外加17 V输入电压时, 输出电压是否为13.8 V。如果13.8 V输出电压正常, 则MC33269模块完好。D9 (SA24A) 是一个瞬态电压抑制保护TVS管, 当该路13.8 V电压故障时, 这个TVS管也常常击穿损坏, 维修可用相应24 V的TVS管替换。另一路波形合成器 (没在电路中画出) 的输入由2块ICL8038和另1块PWM控制器 (IR21531) 及2个功率场效应管组成, 2块ICL8038分别组成正弦波和三角波发生器。检查2块ICL8038有否损坏, 可用示波器检查这2块集成块在外加+12 V电压时是否有正弦波或三角波输出, 这2块集成块一般不常损坏, 所以也没在图1中画出。但与ICL8038相连的另1块IR21531和另2个功率场效应管, 类似于图1的U1A和Q3、Q4也容易损坏, 当这2个功率场效应管损坏时, 故障现象也是局部熔断丝F1熔断。维修时同样可将另一个IR21531芯片和2个功率场效应管一并换掉。此时, 这块波形合成器和集成块供电电源板就基本修复。检查这块电源板的最终好坏可在图1的+385 V处串联1个100 W的钨丝灯泡外加+300 V的直流电压 (注意是在这块电源板和主板分离的情况下) , 正常情况下灯泡灯丝微红, output+200 V处应该测到的电压, 同时在U2的输出端能测到13.8 V的直流电压。

1.2 功率因数控制器部分的维修

电源的功率因数控制器芯片采用ML4800, 是一款平均电流控制型PFC控制器。ML4800由平均电流控制的Boost型PFC前级和1个PWM后级组成, PWM级可以用作电流型或电压型控制的变换器[3]。平均电流PFC控制环路通常包括电压和电流2个环路, 通过电压环调节平均输入电流, 以保持输出电压稳定, 通过电流环控制输入电流, 使之跟踪输入电压[4]。

功率因数控制器部分在激光电源的主板上, 具体电路如图2所示 (见上页) 。

在图2中, U1 (ML4800) 兼功率因数控制器和PWM输出器双重的作用, 12脚是功率因数控制器输出, 最终控制Q9 (47N60) VMOS管, 使输入电压和输入电流接近正弦波。11脚是PWM控制输出, 主要控制激光电源的恒流输出。当U1损坏时, 功率因数调整管Q9一般会损坏 (短路) , 由于385 V直流部分短路, 主板熔断丝会熔断。维修时, 需要更换U1 (ML4800) 、Q9 (47N60) VMOS管。由电路分析可知, Q9烧毁时会累及Q8, 此时要检查Q8 (IRP802) 驱动场效应管的好坏, 该场效应管损坏时可以用其他VMOS管替代, 但Q9最好换上47N60, 因为这是一个VDS耐压达600 V以上的大电流功率场效应管, 普通管子很难替代。有时功率场效应管的前置驱动器U3或U4 (EL7242) 也会损坏, 现象为U3或U4的8脚对地电阻变小。用R×1挡指针式万用表红表笔接地, 黑表笔接U3或U4的8脚, 若阻值小于100Ω, 要考虑U3或U4损坏, 维修时可将相应的U3或U4集成块换掉。

1.3 激光电流控制器功率部分损坏的维修

激光恒流部分是通过控制图2的A2改变U1 (ML4800) 的PWM输出实现的。U2 (IR2117) 是功率驱动器;Q3、Q4是一对互补型的晶体三极管, 作功率场效应管的驱动;Q5 (RIFP460) 是输出VMOS管, Q5的漏-源极回路即为激光电流的输出回路。恒流的负反馈是通过串在回路中的LTS25-NP电流互感器对图2中的U1进行综合控制而实现的。若电源主板熔断丝熔断、Q5烧毁, 但Q9完好, 则功率因数控制器部分没有损坏, 是激光电流输出器件损坏, 这时除了更换Q5 (IRFP460) 功率场效应管以外, 还要检查D2 (HFA15TB60) 、Q3或Q4这对互补晶体管三极管, 如果这对晶体管没损坏, 则U2 (IR2117) 基本是好的, 否则需要同时更换U2。功率场效应管的检测和代换可参考有关书籍[5]。

1.4 接口电路分析

接口电路是位于电源面板背面的另一块接插件 (图中没有画出) , 它的电源来自图1中B1的另一个次级绕组, 经整流、7815和7915 2个三端电压稳压块稳压 (图中没有画出) 给相应的接口元器件供电, 维修时须在7815和7915稳压块的输入端加上±20 V的电压, 检查有否有±15 V的输出, 如果有, 说明7815和7915稳压块是好的;否则, 需要更换稳压块。另外, 图2中A2与接口电路部分是通过光耦相连的, 因此, 接口电路部分不容易损坏。

2 讨论

各种有源的医疗仪器大量采用新型的开关电源, 为了减少开关电源的噪声、提高开关电源的效率, 往往加1个功率因素控制器。开关电源可以做稳压 (恒压) 输出, 也可以做恒流输出, 平常看得比较多的是稳压电路, 而激光电源需要稳流控制。本文对开关电源的功率因数控制器及开关电源恒流控制的维修经验做了一些探讨。维修任何开关电源, 我们的经验是最好把其电路图画出来, 这步骤看起来似乎有些难度, 但熟能生巧。有了电源的电路图, 就可以对各种故障进行准确的分析和判别, 从而能大大提高仪器的维修成功率。

参考文献

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激光分析仪 篇5

为了研究北京城区在北京奥运会期间大气边界层变化特征及大气边界层内气溶胶的消光特性,2008年8月利用MPL激光雷达对北京城区的大气边界层进行了系统观测.反演出了测站地域上空大气气溶胶的消光特性垂直分布以及大气边界层的高度.同往年北京城区的.雷达监测数据进行了系统的对比,并与设在北京南郊梨花村的清洁对照点数据进行了比较.观测数据表明:北京城区奥运期间大气边界层日变化趋势明显,呈早晚低、午间高的特点.大气边界层高度相对稳定,多分布在2.0 km下,平均值为0.79km.奥运期间气溶胶粒子浓度水平较往年有明显下降.观测点处气溶胶浓度水平每天呈周期性变化.

作 者：郝粼波 程水源 李明君 陈东升 王海燕 虞统 HAO Lin-bo CHENG Shui-yuan LI Ming-jun CHEN Dong-sheng WANG Hai-yan YU Tong 作者单位：郝粼波,程水源,李明君,陈东升,王海燕,HAO Lin-bo,CHENG Shui-yuan,LI Ming-jun,CHEN Dong-sheng,WANG Hai-yan(北京工业大学环境与能源工程学院,北京,100124)

虞统,YU Tong(北京市环境监测中心,北京,100044)

激光分析仪 篇6

【关键词】激光粒度仪； 应用价值

引言

激光粒度分析仪采用湿法分散技术工艺，机械搅拌使检测样品均匀散开，利用超声高频震荡使其中团聚的颗粒充分分散，电磁循环泵使大小颗粒在整个循环系统中均匀分布开来，从而在根本上保证了宽范围分布样品测试的准确重复。

一、介绍测定粒度的方法

1、问题

我们通常所用的测定方法是国外的MSS型激光粒度分析仪，但在实际检测过程中存在着很多的问题：

（1）MSS型激光粒度分析仪在检测数据中通常采用的方式为粒度分级格式，此中检测方式与我们目前常用于石油地质中碎屑岩的分类方式是完全不一样的。这种颗粒分级格式用于碎屑岩粒度检测是行不通的，我们必须寻找其它粒度检测方式[1]。（2）实验证明MSS型激光粒度分析仪4μm以下的粒径又检测不到，（3）通常用到的MSS型激光粒度分析仪测量次数太少，因为这种分析仪的采样次数很少，只有2000次，在这种情况下，检测获得的数据准确性不高，检测重复性也有较高的误差。（4）MSS型激光粒度分析仪不能很好地进行数据处理，在检测样品时，必须知道样品粒度分离的质量分数，而且此软件在进行数据处理时，混合记录数据存在着严重的错误信息，在检测样品叠加之前，出现同一样品真实数据合并等问题。

2、解决方案

为了克服国外的MSS型激光粒度分析仪的不足之处。我们提出了改进激光粒度分析仪测量粒度分布方法。其实激光粒度分析仪测量粒度分布方法就是国外MSS型激光粒度分析仪的革新。具体方法如下：

将碎屑岩粒度分级：

根据SY/T5434行业标准，不同粒度的碎屑岩会有不同的分级，当颗粒粒度在1！～4！之间时，我们按照1/4！间隔进行粒度分级的，当粒度在-1！～0！，4！～8！之间时，是按照1！间隔进行颗粒粒度分级的，当粒度小于或等于-1！和大于8！时，颗粒粒度将不再进行分级。

（2）为了更好的获得准确的数据记录，将粒度测量检测上限达到8 000μm我们第一步要计算出颗粒粒度粗细的比例值，第二部我们运用上限可以扩展获得的方式，把分离出来的数据记录扩展到湿法检测数据上，其实我们也可以分别进行湿法和干法的颗粒粒度测量，但是它的上限达不到我们的要求，合并后可以获得粒度分布数据。通过比较后发现后添加上的粒度分布数据重复性好，准确度高[2]。

二、实施方案

干法测量的安装仪器检测范围为4～350μm的颗粒粒度分布。

我们先准备好1000mm范围的透镜，然后打开仪器前窗口，将1000 mm范围透镜安装在仪器接收器上，紧接着把干法流动样品池小心的卡在范围透镜上，最后关闭仪器前窗口。

当实行样品测试

如果样品在单一检测量程内，检测仪可以一次性完成测量并记录数据。根据我们更换仪器透镜可知，仪器设备共有3个单一检测范围：第一：.湿法范围在300RF：0.05～900μm；2第二：湿法范围在300F： 0.5～900μm；3第三：干法范围是1000：4～3500μm。以上实验步奏必须在硬件设置、分析设置、光学特性设置准备无误后，才能进行检测。

实验对准确度的要求是非常高的，为了达到我们想要的准确度，实验不仅需要重复性，也需要改变采样次数，必须把原先的MSS型激光粒度仪的采样速度2000次，设置为现在的10000次，

以前需要5秒，现在是20秒，这样使测量数据更加准确、可靠。

（4） 人们倾向于传统的筛析-沉降法，但是这种方法不提倡用于致密的碎屑岩是因为这种检测方法分析流程比较长，而且对样品要求分散度较高，所以不适用于致密的碎屑岩。所以我们在对于不同测量方法的数据比较时，应该注意：对同样种样品，如果检测出数据差值很大的现象，不要惊讶，并不是检测出现错误，而是我们用了不相同的方法，方法不同，测量时粒度状态不相同，测量颗粒直径不一样，其结果也不会相同了。由此我们需要将激光粒度分析仪与筛析法、沉降法、图像分析法等粒度测量数据进行比较

通过比较会发现：

①激光法和筛析-沉降法的比较

通过实验对元素古151和对元素井131块样品进行了双样测试，其结果显示，95%的样品主命名方式相同，激光法测试数据结果虽然比比筛析-沉降方法测试数据结果粒度分布高出1/4！～1/2！，但是这两种测试数据的总体分布概率基本相同。

②激光法与图像分析法的比较

当我们对元素跃检1井10，11，12，20，21，22号样品进行双样测试时，数据记录显示颗粒粒度分布总的趋势和粒度主名符合较好，大部分的样品分布一致。通过二者比较可知， 虽然激光法比筛析-沉降法粒度测试数据偏大一点， 但是激光法与图像分析法的粒度數据还是基本一致[3]。

三、结论

随着高科技的不断发展，激光粒度分析仪不仅发挥其特有的功能用于科研生产，这一突破性的创新技术在碎屑岩粒度测试中得到了很好的应用，这一重大发现改变了粒度测试长期以来测定难度大、检测时间长、检测数据处理误差大等很多不利的因素。通过以上方法改进，得到如下几点结论：

（1）运用筛析和沉降法进行颗粒粒度分析，这种方法已经发展成了由快速化。智能化、简单化、的激光法测定，不仅在一定程度上减少了测量误差，而且在分析速度中提高了近5倍。（2）岩石颗粒粒度大小不同，其测定的方式也会不相同，这里有两种方法进行测定，第一种是用筛析法测量数据扩展激光湿法测量数据， 测定上限达到8000μm；第二种是采用激光干法测量数据扩展激光湿法测量数据，测定上限可达到3500μm，此方法迭加合并的数据更加符合实际。当岩石含有大于900μm的粒度时，可以采用两种方法中的任何一种。（3）为了改善了原先筛析-沉降法测试间距设定的局限性。我们可以按颗粒粒度分类标准进行设定测定数据分界点。（4）当MSS型激光粒度分析仪采样次数设定为10000次时，其相对误差由原来的百分之十下降到百分之六以下，需要时间为20s是比原来的2000次提高了近5倍，其重复性相对标准偏差由原来的不大于百分之八精确到百分之五。（5）我们通过比较实验获得的数据得出，无论是激光法，还是图像法，实验获得的检测数据基本上是一致的。因此，我们可以得出结论：目前为止，采用激光法检测油田碎屑岩粒度是一种准确的测试方法，

并且在测定碎岩屑粒度测定中有着非常重要的价值。

参考文献

[1]吴文明，秦飞，李亮[J].钻采工艺，2013，（03）89-92+10-11

[2]杨红波，杨磊.超声衰减粒度仪在煤粉粒度测量中的应用[J].中国仪器仪表，2012，（05）：.67-69.

作者简介

激光打标技术专利动态分析 篇7

激光打标技术是激光加工技术的重要组成部分, 在制造行业有着广泛的应用。随着计算机控制技术和激光技术的不断发展与创新,激光打标技术以精度高、速度快、非接触、污染少为特点,逐渐成为对金属、半导体、石英、陶瓷、塑料、橡胶、木材等多种材料打标的主要手段[1,2]。

在现代信息社会,专利信息对推动科技进步、促进工业发展起着重要作用。本文对我国的激光打标领域的专利申请进行了研究和分析,主要包括历年专利申请数量、专利类型、专利分类、技术来源国家、重点专利等内容,为激光打标领域的专利申请趋势和发展战略提供一些参考和依据。

1激光打标专利数据分析

本文通过对中国专利文摘数据库进行检索,共获取到1985年至今已公开的激光打标技术专利申请857件, 下面将以这些专利申请为基础进行分析。

1.1专利类型分析

我国专利法规定了发明、实用新型和外观设计三种专利类型。众所周知,发明的含金量最高,并且保护期限为二十年,但是其审查周期较长,授权比例较低。 实用新型和外观设计的保护期限均为十年,但是其审查周期较短,授权比例较高。由表1可见,我国激光打标技术的专利申请有29.3%为发明,57.2%为实用新型,13.5%为外观设计。申请人往往将一些技术含量较低的小改进申请实用新型或外观设计,以期更快获得专利权,但是这样不利于后期的技术保护和专利维权。

1.2历年申请量分析

从表2中可见,激光打标的专利申请在2000年以前一共仅有17件,从2000年开始,申请量呈增长趋势。从这组数据还可以看出,在2009年以前,激光打标技术还没有受到申请人的足够重视,每年的申请量均小于50件,但是,该领域的申请量自2009年开始迅速增长, 2009年为63件,2013年上涨到133件,2014年依然有大幅增长。目前,2014年的专利申请还没有全部公开,所以154件还不是2014年的最终申请量。这样的增长趋势表明激光打标技术在迅速发展,申请人不断投入研发力量到该领域中。

1.3技术来源国家分析

激光打标技术最早是从欧美以及日本等国发展起来,但是由统计数据看来,国内申请人占据了该领域总申请量的97%,而国外申请人只占据了3%。可见,中国的市场潜力还未对国外申请人形成足够的吸引力。但是,与国内申请人集中申请实用新型和外观设计专利不同,国外申请大多数都是发明专利,相对于申请的数量,国外申请人更重视申请的质量。目前,国内的研发者和申请人应当抓住国外资本尚未大举进入之际,缩小与国际领先水平的技术差距,做好专利布局,巩固自己的市场地位。

1.4专利分类情况

I P C是国际专 利分类 ( I n t e r n a t i o n a l P a t e n t Classification)的简称,是目前最常用的根据技术领域对专利进行划分的方法,我国的每个发明和实用新型专利申请都会有一个或多个IPC分类号。表4反映了我国的激光打标专利申请分布比较集中的IPC大组。其中, B41J表示选择性印刷机构,B23K表示用激光束加工, B41M表示印刷、复制、标记或拷贝工艺,G02B表示光学元件、系统或仪器,H01L表示半导体器件,B65B表示包装物件或物料的机械、装置或设备,B44B表示用于艺术制品的机器、设备或工具,H01S表示利用受激发射的器件。由表4可见,B41J比例最大,53.2%的申请被分入该组,其次为B23K,占据了22.9%,B41J和B23K是激光打标的基础技术,H01L、B65B和B44B代表了激光打标的应用领域,B41M、G02B和H01S代表了激光打标的关键技术。

1.5重点申请人情况

本文选取了五个有代表性的申请人,包括公司和高校,有的是国内激光打标行业的佼佼者,有的具有雄厚的技术研发能力。以下将从这些申请人的申请量,专利特点等方面进行分析。

1)大族激光科技股份有限公司

该公司在我国有1522件专利申请,其中包括115件激光打标的申请,最早的申请在2000年,最新的申请在2014年。这些申请的内容比较丰富,包括激光打标装置、打标控制系统、激光聚焦镜头、打标精度矫正方法、大幅面打标装置等等。已获得授权的发明专利有硬件装置,例如CN101439617B,请求保护一种激光打标机,其机身本体和工作头分开设置,两者之间用光纤予以连接,标记自由大,且可以对被加工物体实行多维度标记;也有操作方法,例如CN101823382B,请求保护一种对工件表面进行激光打标的方法,将原有的直上直下式的出光打标改为成一定角度的打标,实现包括上下面、侧面在内的所有区域内的工件表面同时打标,可有效去除接插件之类产品的镀金层。由此可见,该公司在激光打标机的研发上具有一定的技术优势。

2)格兰达技术(深圳)有限公司

该公司有25件激光打标的申请,最早的申请在2006年,最新的申请在2010年。其中有多项已获得授权的发明专利涉及IC料条的激光打标,例如CN100459035C, 请求保护一种全自动IC料条激光打标机,对多规格料条芯片进行逐一上料、检测、打标、再检测,并将每次检测到的不合格料条剔除出去,将打标合格的料条推送入下料箱。

3)北京工业大学

北京工业大学有7件激光打标的申请,最早的申请在1997年,最新的申请在2011年。例如已获得授权的发明专利CN102241201B,请求保护一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置和方法,打标时激光通过运动控制系统聚焦在透明材料与导热介质的接触面,介质吸收激光能量转化为热量传导给紧密接触的透明材料,使其在极短时间达到熔化点,从而脱离基材,实现刻痕。发明人陈继民等对金属材料和薄膜材料的打标技术有比较深入的研究[3,4]。

4)西北工业大学

西北工业大学有6件激光打标的专利申请,第一发明人均为何卫平,申请日都在2010年之后。这些申请主要集中在夹具,例如已获得授权的发明专利CN101804743B,请求保护一种激光标刻刀具编码时的可换位夹具,该夹具通过一次装夹就可以同时在刀具的柱面和端部平面两个不同工位下分别标刻明码和二维条码,针对同规格刀具只需一次对焦就可以完成该批刀具标刻。

5)华中科技大学

华中科技大学有4件激光打标的专利申请,大部分申请日在2000年以前。这些申请主要集中在激光器,特别是光学谐振腔,例如已获得授权的发明专利CN1025808C,要求保护一种用于激光打标机的激光谐振腔,能成倍提高打标面积而不需要增加光学系统和激光器的功率。

2激光打标技术研发方向与专利申请方向分析

2.1机器视觉技术

利用机器视觉技术,通过视觉传感器采集现场图像,并做分析和数据处理,之后引导机器进行正确的操作,能够实现自动对位、检测和调整,减少相关工序对人工的要求,采用机器视觉技术可以减少误差,提高打标质量,同时可以提高效率,实现自动化打标。

2.2光纤激光器技术

在光纤激光器出现以前,激光打标系统通常采用以CO2激光器为代表的气体激光器或者以Nd:YAG激光器为代表的钕玻璃激光器。而光纤激光器使得激光参数易于调整,并且其光功率和转换效率更高,体积更小,散热更方便,更适合作为激光打标系统的光源,具有很大的市场潜力。

虽然激光打标技术已经日趋成熟,但是还有很大的创新和改进的空间,申请人需要挖掘更深的技术发展方向,同时提高专利申请的撰写水平,才能获得更好的专利保护。

3结束语

本文统计了我国激光打标领域的专利申请数据,并进行了分析和梳理,从上面的分析可知,目前我国的激光打标专利申请仍在快速增长,说明该领域的竞争比较激烈。但这些申请以国内申请人为主,以实用新型专利为主,申请的技术含量还有待提高。本文还指出了机器视觉和光纤激光器等技术在激光打标领域的发展机会和方向。希望在未来该市场竞争逐渐激烈的情况下,对该我国在该领域技术的发展和研究成果的保护等方面提供有用的参考。

摘要：基于激光打标技术在我国的专利申请状况,统计了该领域自1985年至今的申请总量、专利类型、专利分类、技术来源国家、典型申请人以及专利申请方向等方面的数据,并进行了分析,以期为该领域的技术研发和专利申请提供一些有益的借鉴。

激光分析仪 篇8

我院在2008 年8 月斥巨资购买了一台美国生产的准分子激光治疗仪, 也就是人们通常所称的近视眼治疗设备。准分子激光治疗仪是在计算机和三维高精密控制的手术床配合下对角膜层间进行计算与控制的, 其非常精确, 预测性强, 具有矫治范围广、痛苦小、手术后视力恢复快、稳定性强、可避免术后角膜上皮下混浊等并发症发生的可能等诸多优点[1]。 依靠计算机控制的准确消融, 使激光切削不会穿透角膜, 更具安全性。 因此, 对眼球内组织没有任何副作用, 更不会造成副损伤及后遗症。 正是由于准分子激光治疗近视眼在安全上有保障, 近视患者可通过实施手术改变角膜曲率, 达到重塑角膜弯曲度, 即矫正视力的目的, 因此得到广大近视患者的青睐。

近视眼治疗设备的核心是准分子激光器。 该激光器之所以称为“准分子”是由于它不是稳定分子, 它是在激光混合气体受到外来能量激发所引起的一系列物理和化学反应中形成转瞬即逝的分子, 其寿命仅有几十毫秒。 通常情况下, 基态的稀有气体原子其电子层全部被填满, 化学性质稳定, 不可能和其他原子结合成稳定分子[2]。 但当它们受到高压激励、激发时, 稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态, 甚至被电离, 这时很容易和另一个原子形成一个寿命极短的分子, 这种处于激发态的分子称受激二聚物, 简称准分子。由于准分子的基态是强排斥态, 离解迅速, 故只要有一定数量的准分子存在, 就很容易形成粒子数反转, 产生激光。 用于手术的光源一般采用能够得到高质量烧蚀表面的193 nm Ar F准分子激光。 Ar F准分子激光器产生的193 nm激光属于紫外波段, 单光子能量 (6.4 e V) 远大于人眼角膜组织分子键能 (3.4 e V) , 能够打断生物分子的化学键, 使组织分子气化, 从而对角膜组织实施“光化学切削作用”[3]。 这种准分子属于“冷”激光, 对被照射部位周边的组织几乎不产生热效应, 其切削的准确度非常高。凭借这种准确的气化, 可以把角膜按需要精确地切去, 且对角膜的构造不会产生不良反应[4]。 准分子激光治疗系统是集光、机、电为一体的高科技产品, 对设备的使用环境要求很高, 为了确保手术效果, 设备上采取了一系列保护性措施, 以确保手术效果和患者的安全。

1 故障现象

2010 年2 月14 日, 我院下午安排位近视眼患者进行手术, 和往常一样, 技师上午开机、换气、预热、测能量、校中心测相纸圆、打PMMA板, 一切正常。 可是到中午再执行能量测试程序时, 屏幕上出现正在“设置能量稳定初始值”和“能量稳定错误”的提示, 激光能量测试无法完成根据以往的经验, 可能的原因是外光路上放置了东西阻塞了光路、能量反馈信号不能送达计算机、能量稳定工作点不在合适范围以及激光器输出能量偏低等。当时没有必要的检测工具, 只能凭借直觉检查相关点, 此时发现手术室环境温度已超过26 ℃, 立即将其调整到正常范围 (18~20 ℃) , 大约过了2 min恢复正常。 到了下午准备手术, 再次进行系统测试一切正常, 开始实施手术, 当完成2 位患者手术后, 再次执行测能量程序时, 出现上午同样的故障现象。 将相纸放置在激光器出口, 检查无激光能量, 但有高压放电的声音。以前激光器突然无激光能量多数是高压电源或控制高压开关的闸流管灯丝烧断所致, 这次情况非常奇怪。 此时发现手术室环境温度又超过26 ℃, 再次将温度调至正常。由于造成这种故障的原因没有排查清楚, 只好出去向患者进行解释, 待查明原因一切正常后再通知来医院进行手术。 回到手术室后未做任何调整, 激光器居然又有激光了, 而且所有测试指标一切正常, 但故障时有时无。

2 故障分析与排查

利用所学知识, 针对图纸逐个进行分析排查, 寻找出可能导致上述问题的原因有: (1) 温度过高, 散热不好, 导致能量稳定系统工作点处于临界状态, 控制电路出现报警现象、 激光器的高压电路某元器件变质, 性能发生变化, 冷却后性能又自动恢复正常; (2) 电源电路具有保护功能, 电网电压波动超过±10%导致电路保护, 待电网电压恢复正常后又自动恢复正常。由于无需人为干预, 故障现象就能自己恢复, 因此排除了电路上接触不良的可能。

(1) 首先将手术室温度调整到26 ℃同时监测电网电压最高时可达244 VAC虽然电网电压偏高, 大于10%, 但电路上已装有UPS不间断电源, 输出电压可以控制在220 (1±3%) VAC以内, 如果没有UPS可能早就出问题了。然后对能量稳定工作点进行重新校准, 在模拟手术过程中用示波器检测测试点, 结果经过一天的测试, 没有发现工作点明显偏离现象, 也没有出现上述问题。能量稳定系统控制原理框图如图1 所示。

(2) 能量稳定系统控制原理是:通过软件与硬件对激光器的输出功率进行控制, 在外光路上的分光镜通过采集激光器输出能量的1%的光信号, 经过实时能量探测器, 将光信号转化为电信号。 在能量稳定板上, 该信号经过放大整形及采样保持电路的处理后送到A/D转换板, 将模拟信号转换为数字信号后被送到能量稳定微处理板上, 其微处理器对这些脉冲数求平均, 然后与存储器内的原程序参数进行比较, 决定激光控制电压 (LCV) 是调高还是调低或者不调整, 该电压被用来控制激光器电极上的高压放电来实现对激光器输出能量的稳定性控制。

(3) 在正常情况下, 计算机系统是被动对能量稳定系统实施控制的, 它只是监控来自能量稳定板和能量稳定微处理板上的一些报警和错误提示, 只有在进行能量测试校准时, 计算机系统与系统操作才具有主动关系。 如果激光器能量变化在5%的范围内, 此时激光器输出能量低时, 能量稳定系统会自动提高LCV来提升加到激光器上的高压, 使激光的输出能量提高;相反, 若激光器输出能量高时, 能量稳定系统会自动降低LCV来降低激光器上的高压, 使激光的输出能量下降。 由于这个系统是一个闭环控制系统, 因此, 它能够满足激光器能量在一定条件和时间内保持恒定输出。它在手术的整个过程中, 即使外部环境发生一些变化时也能进行一定的补偿, 实现了能量稳定的自动控制。 在激光器自身变化、外界环境条件变化下, 当能量变化超过5%时, 能量稳定微处理器会送一个“需要校准”信号到计算机, 若在特殊情况下, 激光器输出能量瞬间变化会超过30%, 能量稳定板会通过系统控制板送一个不允许工作指令到计算机。此时需要搞清楚激光器是由于没有能量报警还是激光器能量波动大后报警导致中断无激光输出。

(4) 在出现故障时注意到, 无论是用能量测试程序启动激光器还是用手动启动激光器, 都能听到激光高压产生后放电的声音, 但都没有激光输出现象。正常时将实时能量探测器输出信号断开, 不提供反馈信号给能量稳定控制系统, 用能量测试程序启动激光器出现的提示与故障时出现的提示相同, 很快激光器就停止发射激光了, 但手动启动激光器却有激光输出。 这一区别排除了能量稳定系统故障, 怀疑故障出在激光器电路上。激光器电路原理如图2 所示。

(5) 该电路主要由输入交流电源、直流电源、交直流电源、电源调制电路、高压电源、接口电路、激光控制电路、显示控制器、触发电路、灯丝电压电路、高压控制电路、激光头组成。其所有电路都是为激光头产生激光而提供电力、 信号控制及保护作用的, 从激光头产生激光的原理来看, 重点是其高压部分。激光头高压电路如图3 所示。

(6) 激光高压电路的工作原理是:该电路由闸流管、高压电源HV (约20 k V) 、主电容C1、峰值电容器C2、电感L、放电电极等组成。 在待机状态下栅极电压为负, 闸流管处于截止状态, 此时无激光能量输出, 高压对主电容器C1充电至20 k V, 充电时电感表现出低阻抗, 这样高压几乎全部加到C1上储电。 当闸流管栅极收到控制电路发出的正触发脉冲幅度约600~800 V时, 闸流管的阳极和阴极导通, 主电容器C1上储存的电荷经闸流管和预电离针对峰值电容器C2充电, 当C2上充电电压达到放电区的击穿电压时, 由C2通过金属电极对气体工作物质放电, 产生准分子激光。

(7) 单独检查高压电路上的元器件外表没有明显的损伤和味道, 闸流管工作状态正常, 测试高压电源、栅极电压、灯丝电压皆正常。由于出现问题时激光器不出光, 但高压放电的声音能听到, 同时伴随杂声。 即使高压电路打火, 也不会造成不出光。后来将排查重点放在能否让激光头出光的关键部件搅拌器上, 通常称为风机, 它的主要作用是让激光工作物质在激光腔内均匀运动。 一旦出现风机停转, 放电就会紊乱, 也不可能产生激光。 检查风机并没有卡死和转速不均现象, 因为一旦风机卡死是不可恢复的, 如果转速不均匀会发出异常声响, 而且伴随激光能量波动, 不可能没有激光, 上面2 种情况都没见到。 到底是什么原因造成风机停转呢? 仔细研究了如图4 所示的风机电源电路, 发现在风机电源电路的初级串有一只热敏电阻TR1, 当输入电源110 VAC波动超过10%, 即大于120 VAC时, 多余压降就会加在热敏电阻上, 累计到居里温度时, 热敏电阻阻值剧增, 电压全部加到热敏电阻上, 而降压变压器初级分压就为零, 这样电动机上就无电压输出, 导致停转。 模拟高压加上时风机停转, 结果与出现问题时的现象完全相同。因此只有当温度降低, 热敏电阻性能恢复正常, 风机两端有24 VDC时, 一切才能正常, 具有逆性。 究竟是电网电压超高标引起保护还是环境温度太高热量无法散出引起, 甚至是热敏电阻性能发生变化导致的故障, 还有待观察和分析。

3 故障处理

(1) 由于激光器内有2万伏高压, 在手术期间为了安全, 需要用2层盖子盖上, 因此无法监测到热敏电阻的性能变化情况, 甚至连风机是否转动、声音是否正常都难以判断, 所以只能对UPS电源输出进行监控。根据上述情况提出设计一个监测电动机是否正常运转以及一旦在手术期间确实出现风机电源失去情况的监测和应急电源电路, 将船型开关K拨到外部开关电源24 VDC应急送电, 保证风机运转, 激光正常输出, 确保患者手术安全, 该方案如图5所示。

(2) 将机内电源开关处在常闭位置, 装有红色发光二极管显示, 机内工作正常时红灯亮, 一旦出现问题红灯灭并报警。同时备用电源上装有绿色发光二极管, 显示外部开关电源工作正常, 随时捕捉问题以补救, 开关和指示灯接到外面, 以方便观察和操作。

4 小结

经过一段时间的监测和观察, 特别是注意手术室的温度控制在正常的范围内, 设备工作一切正常, 再没有出现上述问题。当时发生问题的主要原因是外面天气寒冷, 人们为了使自己感到舒适, 无意中将空调温度设置偏高, 而激光设备连续运转也会产生大量的热量, 因此电子元器件热量不能及时散去, 导致保护电路上的热敏电阻特性发生变化, 使电动机停转;电网电压虽然有些偏高, 但UPS起到了恒定输出电压的作用 (长期监测正常) ;次日手术室温度设置在26℃, 模拟手术过程没有出现问题, 可能是当时测试设备工作点时2层盖子是打开的, 这样元器件散热会好些。这里需要提醒类似设备操作人员:室外天气会时常变化, 如果操作者只考虑自身的感受, 不注意设备的使用条件, 盲目开机, 就会发生预想不到的事情, 甚至会造成设备损坏。反之, 如果时刻注意手术室温度、湿度、灰尘、电源稳定性是否变化, 就可以确保设备少出问题, 甚至不出问题。

参考文献

[1]张蓉, 毛惠云, 田华.护理角度分析LASIK手术的配合[J].中国现代眼耳鼻喉科杂志, 2004, 1 (1) :56.

[2]陆文秀.准分子激光屈光性角膜手术学[M].北京:科学技术文献出版社, 2000.

[3]胡俊涛, 刘翔, 张国勇, 等.眼科准分子实时监控能量计[J].中国激光, 2007, 34 (12) :1 732-1 735.

激光雷达散射截面测量误差分析 篇9

关键词：LRCS,测量数学模型,测量误差分析,测量记录要求

激光雷达目标散射特性信息对激光探测系统设计、鉴定及应用具有重要作用。激光探测系统基于激光雷达目标散射特性获得区别于背景的目标强度、距离和速度等信息[1]。激光雷达散射截面(LRCS)是激光雷达目标散射特性的量度。LRCS的测量结果与激光波长、目标材质与结构、辐射测量与标定原理、激光照射与探测系统、背景与大气环境等因素相关。对激光雷达散射截面测量误差进行理论分析与研究,是提高测量精度与测量结果可信性、可用性和可交换性的前提。文中依据辐射传输和光电探测原理,推导LRCS测量数学模型,对测量误差进行多角度分析,绘制误差树和编制数据记录表,提出误差修正与提高方法。

1 LRCS测量数学模型

当以无损耗各向同性球作标定标准时,LRCS的定义与雷达散射截面的定义相同。雷达散射截面(RCS)定义为4π乘以单位立体角内目标朝接收方向远区散射功率和从给定方向入射到该目标单位面积平面波功率密度之比,常用符号σ,以平方米为度量单位。可见,LRCS是一个对比测量结果,对比的标准是无损耗各向同性球;是一个主动测量结果,激光照射系统和激光探测系统配套工作;是一个远场测量结果,要求入射到目标上的波为平面波;是一个与入射与散射方向相关的量,定义为4π乘以目标朝接收方向远区散射的激光辐射强度Jr和给定方向入射到该目标的激光辐射照度Ei之比,即

由于被测目标截面积与照射激光光斑相比有大目标、小目标、线目标的不同情况,对激光光斑的拦截与散射作用有不同的影响,采用目标系数δ表示。设激光光束中心瞄准目标几何中心,瞄准误差ϕ。当目标截面积大于等于πR2 sin2(ω+ϕ)时,为大目标,δ=1;当目标截面积小于πR2 sin2(ω-ϕ)时,为小目标,δ为目标面积与光斑面积之比;当目标某一方向尺度大于等于R sin(ω+ϕ),另一方向尺度小于R sin(ω-ϕ),为线目标,δ1,为实际被照射到的目标面积与光斑面积之比。

设测量系统双站位工作,满足远场照射与测量条件。试验参数设定与记录如表1。根据辐射及传输原理[2,3]、光电探测原理及LRCS定义可得

将式(2)和式(3)代入式(1)得

根据辐射探测原理,探测器响应的是辐射照度值,输出响应电压值。当采用标准球标定测量时,在假定标准球为点目标时有

将式(5)代入式(4)得LRCS测量数学模型为

2 LRCS测量误差分析

由式(6)可见,比对测量在保证相同的入射与探测条件时,LRCS仅与目标表面材料及其粗糙度、目标几何结构及大小、标定标准及光电探测系统影响等因素相关。然而,实际测量中很难保证相同条件,必然引入多种测量误差,且采用标准球标定时散射辐射强度的计算也引入测量误差。由测量数学模型推导过程绘制测量误差树,如图1所示。图1中大气环境参数与标定和测量过程中的大气透过率直接相关,为了图的清晰没有给出全部连线。

2.1 标定标准引入的误差

LRCS测量结构是通过激光功率/能量信息的间接测量获得的。激光功率/能量的定量/比对测量需要有传递标准。采用标准球进行标定测量时,是假定标准球将接收到的入射激光均匀散射在全部空间中计算得出的标准球散射的辐射强度。而标准球往往不可能将接收到的入射激光均匀散射到全部空间中,从而引入误差。实际工作中通常采用朗伯体制作的标准板(聚四氟乙烯板)进行标定测量。标准板将接收到的入射激光按照余弦定律散射在半球空间中[4],其标定计算相对准确。此时,LRCS测量数学模型为式(6)再乘上2cos2βo项。

2.2 激光照射系统参数变化的影响

(1)激光输出功率稳定性的影响

激光输出功率稳定时,可认为pi=poi,式(6)中可直接约去,然而,实际脉冲激光功率总会有起伏,是测量误差的重要来源。

(2)激光远场发散角的影响

设激光束沿z轴传输,束宽为w(z),激光远场发散角定义[2]为。由于激光发射光学系统像差、以及大气等因素的影响,实际光束的远场发散角要大于理想光束的远场发散角。另外,激光远场发散角可以通过扩束或聚焦来改变,且与束宽直接相关。而激光光束束宽的定义通常有三种,即1 e2,环围功率(能量)86.5%和二阶矩定义[5]。对于基模高斯光束,上述三种定义完全一致。但对于高阶高斯光束和其他光束,不同的定义会得出不同的结果。当用激光远场发散角作为参数计算时,必须将激光束宽取为某一确定值进行比较才有意义。

(3)激光光斑场强分布不均匀的影响

通常情况下,测量所用的照射激光束是非均匀的基模或低阶模高斯光束,给入射辐射照度的计算带来误差。如目标上入射的高斯光束光斑内辐射照度不是一固定值,在光斑中心处最大,沿着光斑半径方向逐渐减小。而通常采用平均值的方法计算,待测目标和标准球大小形状不同,从而导致测量与标定时入射辐射照度分布不同;另外,当目标或标准球为小目标时,其上的辐射照度值大于平均值,从而给标定和测量带来误差。目标系数值越小,影响越大。当瞄准误差为零,且已知目标形状与尺寸及光斑特性时可以进行修正[6]。

(4)激光照射系统瞄准误差ϕ的影响

激光照射系统瞄准误差影响照射光斑中心与目标几何中心的重叠程度,从而影响目标或标准球上辐射照度的分布情况,给标定和测量带来误差。且目标或标准球为小目标或线目标时,直接给激光辐射照度计算与修正带来困难。应当依据实际数据进行修正与计算。

(5)同一材料对不同波长的激光、以及同一波长不同偏振状态的激光或波束形状不同的激光,其散射特性不同[7]和造成的回波信号的脉冲展宽也不同[6]。

2.3 激光探测系统的影响

(1)探测系统响应噪声的影响

由于系统噪声的影响,系统输出电压将有一定的起伏,对测量输出电压带来误差。可采用标准激光源对测量系统进行标定,用多次采样求平均值及其方差,得出系统响应噪声和引入的相对测量不确定度分量。分别用v-Δv系和vo-Δv系替代式(6)中的v和vo项修正。

(2)探测光学系统的影响

探测系统光学镜头的二次反射以及散射光斑中心和边缘返回探测系统的光程差不同会导致散射回波脉冲展宽,使探测系统所得到的散射光峰值功率密度下降。

(3)探测器响应率线性范围的影响

LRCS测量的基本原理是对比测量,对比的基础建立在探测器响应的线性工作范围内。当被测雷达目标与标准球/板对激光的散射能力相差较大时,如果超出探测器响应线性范围,其对比的基础就不成立了。可通过改变测量或标定距离、加装激光衰减片、改变激光远场发散角等方法使其满足线性测量范围要求。

(4)探测机理的影响

激光探测分为成像探测与非成像探测。成像探测从扫描方式上分为扫描成像探测和非扫描成像探测;从探测体制方式上分为相干探测和直接探测;从照射源上分为CO2激光、二极管泵浦固体、半导体激光等。按激光工作波长可分为可见光及短波红外、中波红外和长波红外激光成像雷达。不同的激光探测系统探测机理不同,影响其测量误差的因素不同,对目标激光散射特性的关注点也有所不同。对距离探测系统而言,有脉冲测距和相位测距。对于脉冲调制测距的激光探测系统,照射激光光斑强度分布、测量背景与支架散射回波的散斑作用、大气效应等都对激光回波脉冲上升时间与峰值响应产生影响。对于激光相干探测而言,本振信号频率与回波信号频率直接影响到其距离测量精度与距离成像分辨率等。对能量探测系统而言,不同的探测器其响应波长范围不同,激光波长的宽度与探测器波长响应的匹配度等也不同。对于检偏探测系统而言,由于目标的起偏作用不同,使不同的检偏探测系统有不同的响应等。需要依据实际测量条件进行记录与分析,或依据实际需要建立测量系统进行测量。

2.4 目标尺度与结构、背景与大气环境的影响

(1)目标尺度与表面结构的影响

目标或标准球/板的尺度与结构,一是影响拦截与散射光斑大小的能力,二是影响目标上辐射照度的分布与计算,三是在有瞄准误差时,在目标为小目标时,给辐射照度的修正带来困难。在相同条件下,由目标与标准球/板表面结构不同,从而导致散射波的脉冲展宽不同与峰值的下降,对采用峰值探测方法进行测量的系统带来测量误差。在式(6)中应当乘上ττo项。

(2)背景散射的影响

在实际外场测量中,待测目标尺度远大于标准球/板的尺度,而通常选择激光发散角与大尺寸待测目标匹配。而测量标定时,由于照射光斑面积大于标准球/板载面积,使架设支撑架与地面等背景对激光散射后进入探测系统,造成对标准球/板散射回波信号的非相干迭加干扰[8]。减小背景和支架的散射干扰方法有几种,一是采用低反射率的材料对支架或背景进行敷设消光;二是采用尺寸匹配法,对目标和标准球/板的尺寸进行估算,对发射系统的束散角进行控制;三是采用背景减去法,对标准球/板的背景进行多次测量,得到其回波电压Δvo,用vo-Δvo替代式(6)中的vo项进行修正。

(3)大气效应的影响

大气效应主要有三方面影响。一是大气的消光效应。当激光光束在大气中传播时,受到大气吸收和散射作用而衰减。激光波长宽度内的平均透过率为分子吸收平均透过率、分子散射平均透过率、气溶胶吸收平均透过率和气溶胶散射平均透过率之积,即T(λ)=T1(λ)⋅T2(λ)⋅T3(λ)⋅T4(λ);二是大气湍流引起的光束漂移,影响入射辐射照度与接收辐射照度的空间分布,造成强度图像噪声增大、相位畸变;三是大气产生的波前畸变至使回波信号时间延迟,造成距离图像噪声增大。在实际测量时应尽量缩短标定与测量时间、以满足相同的大气条件,消除大气传输影响,但必须保证两次测量有相同的入射和探测条件。可以采用双光路测量方法来减少/修正类似朗伯面目标LRCS测量时,因大气气溶胶变化引起的测量与标定时透过率变化引入的测量误差[9]。

3 结束语

引起LRCS测量误差的因素很多,包括激光发射系统参数变化的影响、目标与标准球/板尺度、结构与性能的影响、背景与大气环境的影响、激光探测系统探测机理与系统性能的影响等。不同的激光探测系统对激光目标散射特性的关注点不同。从测量数据可信性、可交换性和可用性原则出发,在进行LRCS测量与研究时,应当详细记录测量相关条件(见表1)进行综合分析处理,并将测量结果与测量条件同时记录保存才具有使用性与交换性。

参考文献

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[8]包学志,高卫,贾养玉,等.背景散射对LRCS测量精度的影响分析[J].应用光学,2008(4):590-594.

激光钻井技术及其应用前景分析 篇10

1 激光钻井技术概况分析

(1) 激光破岩机理分析从本质上讲, 激光钻井就是利用强激光作用在岩石上, 使得岩石在高压、高温下发生复杂的物理化学变化从而产生破坏。岩石表面在激光照射下会产生吸收、散射、反射等现象, 强大的热冲击使得岩石蒸发、熔融形成气体, 进而在高压的作用下压出地面。与此同时, 性质不同的岩石在激光作用下会产生不同的物理化学变化, 导致周围岩石的物性参数也会产生一定的变化。为了使得激光钻井取得更加良好的效果, 可以向钻探部位喷射可膨胀的高强度液体射流, 使钻材料易于粉碎和融化, 使得井壁光滑以便于碎屑返回地面。

(2) 激光钻井技术的优势分析和传统的钻井方式相比, 激光钻井具有一些独特的优势, 主要表现为以下几个方面。

(1) 成本低。激光钻井技术是钻井领域的一场革命, 激光钻井成本在陆地大约为40万美元, 而钻进速度是常规旋转钻进方式的几十倍, 由此可见, 激光钻井技术大大节约了钻井时间和钻井成本。它还能够很好地清除井眼里的碎屑。 (2) 提高钻井效率。激光钻井不用像传统钻井那样频繁的起下钻更换钻头, 节约时间。 (3) 改善岩石孔渗特性。经过激光作用的岩石渗透率和孔隙度都会变大, 当热导率较大时, 这种增加更加明显。 (4) 打捞作业更加方便。激光钻进系统的使用工具体积很小, 不需要采用庞大的钻井立柱, 更加方便打捞作业的开展, 有些时候激光能够直接融化落鱼, 避免意外事故的发生。 (5) 对地层伤害小。激光钻井方法避免了常规射孔枪可能造成的井眼堵塞、套管破裂等伤害, 能够很好地保护钻进施工。 (6) 钻速高。激光钻井方法钻进速度是传统钻井方法的几十倍, 极大地提高了钻井效率。 (7) 激光钻井技术对周围环境的破坏和污染都比较小。

2 激光钻井应用亟需解决的问题

(1) 复杂的地层条件。由于目前在实验室条件下, 对于地层水、原油、天然气、盐水的具体组合情况无法精确模拟, 因此得出的结论只具有参考价值, 无法依据实验数据进行实际施工, 如何解决复杂地层条件对激光钻井技术的影响是当前激光技术应用的难点。 (2) 异常压力的控制状况。是否钻达油气层可以利用比能值的变化情况进行确定, 但是当钻遇高压层时, 很容易形成井喷, 因此, 激光钻井技术要求必须具有完好的井控系统, 避免各种事故的发生。 (3) 现场应用和实验室条件的差异性。目前在实验室内对激光钻井技术进行了大量的研究, 也取得了一系列成果, 但是由于岩石的体积规模和地层条件相差甚远, 能否利用放大比例的方法进行类比还有待考证, 因此必须研制出激光钻井机并在实际中不断校正和改进才能更好地研制出指导实际的激光钻井工艺。

3 激光钻井技术的发展趋势

激光钻井技术不断取得研究进展, 主要来说今后激光钻井技术将朝着以下几个方向发展。

(1) 激光深井破岩中高温岩屑运移的多相流动理论。当前对于激光破岩后, 岩屑以及气化岩石在返出地面过程中的流动理论问题的研究还基本没有, 特别是对于辅助排屑气流、岩屑混合气流、飞溅物的体积分数、蒸汽压力大小、气体的生成量等具体量的研究还严重缺乏。

(2) 岩石相变的传热学与热力学。在激光钻井技术方面还有一些问题有待解决, 比如钻井成本的经济性、激光束在井下的传输性能、激光钻进的储层保护、井漏防治和井喷控制、大功率激光器微型化研制等, 这些问题要求对岩石相变的传热学和热力学等基础理论有比较深入的研究, 因此, 这也是发展的趋势。

(3) 流体、岩石、激光交互作用机理。美国针对流体、岩石、激光交互作用机理进行了一些研究, 通过实验对不同激光器与不同岩石和流体介质之间的作用情况进行了分析, 指出激光采用脉冲波形的破岩方式, 其破岩速度明显高于连续波形激光的破岩速度。但是在脉冲波形能量密度对晶格相变过程和破岩速度的影响情况、岩石能量转换规律和吸收效率、岩石热破坏模型和准则等方面还有待研究。

4 结语

石油钻探领域应用激光是一项新技术, 本文主要分析了激光钻井技术的应用优势, 包括:成本低、效率高、对地层伤害小、打捞作业方便等。还对急需解决的复杂地层条件、异常高压情况等问题进行了说明, 最后指出了激光钻井技术发展的方向。

摘要：随着科技水平和材料研制水平的不断提高, 钻井效率和安全性也得到了极大地提高, 其中激光钻井技术以其独特的优势被市场看好, 为了更好地认识激光钻井技术, 文章首先对激光钻井技术的破岩机理以及应用优势进行了分析, 进而指出了激光钻井技术应用需要解决的问题以及发展前景, 为激光钻井技术的推广应用提供指导和参考。

关键词：钻井技术,激光,破岩,融化岩石

参考文献

[1]施斌全, 薛启龙, 唐文全, 等.激光钻井技术研究展望[J].国外油田工程, 2010, 26 (9) :42-44.

激光分析仪 篇11

【关键词】CO2点阵激光；面颈部；浅表性瘢痕；微晶磨削

【中图分类号】R622【文献标识码】B【文章编号】1005-0019（2015）01-0176-01

瘢痕形成的原因常见于创伤、外科手术和皮肤疾病，多数情况下，病理性瘢痕常伴有瘙痒疼痛，不仅影响孩子体表美感，而且部分病例甚至可导致面部局部畸形[1]。本文选取2013年3月到2014年11月我院收治的62例面颈部浅表层瘢痕患者，随机分为实验组和对照组，实验组采用CO2点阵激光治疗，对照组采用微晶磨面机治疗，观察两组患者的治疗效果，现报告如下。

1资料和方法

1.1一般资料选取2013年3月到2014年11月我院收治的62例面颈部浅表层瘢痕患者，按照入院的先后顺序分为两组，实验组和对照组，实验组31例，其中男性13例，女性18例，年龄范围：16-48岁，平均年龄：（23.19±2.15）岁；其中创伤性瘢痕10例，痤疮瘢痕21例。对照组31例，其中男性11例，女性20例，年龄范围：15-45岁，平均年龄：（24.08±2.28）岁；其中创伤性瘢痕8例，痤疮瘢痕23例。比较两组患者的年龄、性别、瘢痕成因等基本资料，差异较小，无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

1.2方法

1.2.1实验组采用CO2点阵激光治疗，CO2点阵激光仪（武汉华工激光医疗设备有限公司生产）HCL-MC30，波长为10600nm，脉冲波能量100-225mL，能量密度6.0-16.9J/cm2，功率为1.0-60W，频率为10-60Hz。首先，对患者的面部进行清洗，涂抹复方利多卡因乳膏，麻醉表层皮肤，再用清水洗净，用碘伏消毒；其次，根据患者面部疤痕的程度选择点阵激光治疗的初始能量，再选择治疗点阵图形及密度；再次，治疗后立即用冰袋进行冷敷，每4周进行一次治疗，共治疗4次。

1.2.2对照组采用MDY一1A增强型微晶磨面机（苏州赛诺秀医疗器械有限公司）治疗，治疗方法患者平卧，彻底清洁面部皮肤，常规消毒，面部皮肤保持干燥，打开磨削机电源开关，磨削机负压调至（40～60）Kpa，选择粗晶体，晶体量檔位选择高，戴无菌手套，一手绷紧皮肤，一手持磨头轻轻按压皮肤。缓慢移动磨头，在凹疤处稍做停留，直至凹疤出现点状出血为止，结束时用生理盐水纱布擦洗创面，清除残余微晶颗粒，创面敞开，不用包扎，外用克林霉素磷酸脂凝胶；创面一般5天左右脱痂；整个治疗时间约（20一30）min，两次治疗间隔时间（14—21）天，整个疗程共8次。

1.3统计学分析对本文所得实验数据均采用SPSS17.0统计学软件进行检验，所得计量资料采用t检验，所得计数资料采用χ2检验，以P<0.05为有统计学意义。

1.4疗效评价标准（1）有效性评价标准。显效：患者面颈部的瘢痕恢复面积？85%，面部外观基本恢复到正常；有效：患者面颈部的瘢痕恢复面积在51%-84%，瘢痕皮肤与正常皮肤较为接近；无效：患者面颈部的瘢痕恢复面积？50%，面部改善不明显；（2）满意度评价标注。采用我院自拟的满意度调查问卷，内容包括治疗效果、不适感、愈合时间、面部改善情况等，总分为100分，非常满意？85分，满意66-84分，不满意？65分。

2结果

2.1比较两组患者的治疗有效性治疗后，31例实验组患者显效25例，有效4例，无效2例，总有效率为92%；31例对照组患者显效18例，有效8例，无效5例，总有效率为76.4%；实验组患者的治疗总有效率明显高于对照组，差异显著，有统计学意义（P<0.05）。

2.2比较两组患者的满意度实验组31例患者非常满意25例，满意5例，不满意1例，满意度为96.8%；对照组31例患者非常满意15例，满意12例，不满意4例，满意度为87.1%；实验组患者的满意度明显高于对照组，差异显著，有统计学意义（P<0.05）。

2.3比较两组患者不良反应的发生率31例实验组患者出现2例不良反应，其中面部水肿1例，面部色素沉着1例，不良反应发生率6.5%；31例对照组患者出现5例不良反应，其中面部疼痛2例，面部水肿1例，面部红斑1例，面部色素沉着1例，不良反应发生率16.1%；实验组患者不良反应的发生率明显低于对照组，差异显著，有统计学意义（P<0.05）。

3讨论

根据局灶性光热作用原理，点阵激光在每个微热损伤区周围形成组织凝固带或热损伤带，使得周围组织中的胶原即可收缩，启动胶原的新生，从而使皮肤快速恢复，无传统剥脱性治疗的风险[2]。点阵激光束是近年发展起来的用于皮肤病治疗的新技术，其在保证高效穿透力的同时，可缩短恢复时间，降低色度沉着的发生率，非常适合亚洲人面颈部浅表层瘢痕的治疗[3]。本文选取2013年3月到2014年11月我院收治的62例面颈部浅表层瘢痕患者，随机分为实验组和对照组，实验组采用CO2点阵激光治疗，对照组采用增强型微晶磨面机治疗。CO2点阵激光治疗的效果明显优于增强型微晶磨面机治疗，临床治疗价值高。

综上认为，点阵激光治疗面颈部浅表性瘢痕的效果显著，治疗有效率高、患者满意度高、不良反应发生率低，满足患者爱美的需要，值得临床推广。

参考文献

[1]覃莉，王玥，吴纪园，曾宪玉，陈柳青，张建平，张平，王玮蓁.铒玻璃1540nm点阵激光治疗面部瘢痕的疗效观察[J].中国美容医学.2014，23（18）：1538-1541.

[2]刘秀峰，钟晖，潘文东，陈永新，文大江，钟华.CO2点阵激光治疗面部浅表性瘢痕的疗效观察[J].中国美容医学.2013，22（17）：1784-1786.

激光驱鸟专利技术现状分析 篇12

1 历年申请量分析

激光驱鸟技术相关专利申请数量随年份的变化情况如图1 所示。

由图1 可知, 国际上对于激光驱鸟装置的研究于20 世纪80 年代后期逐步开始, 在1987 年出现第一件相关专利的申请。在随后的27a间, 国际专利年申请量基本上呈增长趋势, 在2011—2014 年相关专利的国际申请数量已经达到72 件, 与1987 年相比增长了710% 。相比于激光驱鸟装置的国际专利申请, 中国大陆的专利申请在2005 年才开始出现, 这反映出中国对于该领域研究的滞后性。在2011—2014 年申请量发生跳跃性增长, 年均申请量达到14. 8 件, 相比于2003—2010 年的总申请量提高了555. 6% 。截至2015 年3 月31 日的公开数据, 有关激光驱鸟装置的国际专利申请共达到116 件, 中国大陆申请量达到68 件。由此可以看到, 随着人类对机场、电力设施等场所安全性要求的增强, 对不影响鸟类生存又能有效驱鸟的相关技术需求度的提高, 激光驱鸟装置的相关研究开始进入热点期。

2 专利申请区域及类别分析

有关激光驱鸟装置的所有国际专利申请中, 不同国家与地区的申请数量差别较大, 如图2所示。

从图2 可以看到, 中国明显是该项专利申请的大国, 其总申请量达到68 件, 比其他全部国际申请案件总量高出41. 7% 。除中国以外, 对激光驱鸟装置的专利申请都集中在发达国家和地区, 显然, 这一领域的研究与国家经济发展水平是有所关联的。

从专利类别上看, 在116 件相关国际专利申请中, 发明专利为65 件, 实用新型专利为51 件, 它们分别占到总申请量的56. 0% 和44. 0% 。其中, 大部分实用新型专利申请出现在中国, 占总量的84. 3% 。发明专利则主要集中在东亚地区, 中、日、韩、台等国 ( 地区) 的申请量占到全部发明专利的73. 8% 。由此可以看出, 尽管中国的科技研发实力迅速提高, 但在科技创造的深度创新能力比其他发达国家仍有进一步提升的空间。

3 申请人身份分析

对专利申请人的分析可以判断该领域相关研发能力的分布情况。主要申请人专利申请数量及排名、不同区域与团队 ( 个人) 专利申请量汇总如表1 和表2 所示。

由表1 和表2 可知, 中国对激光驱鸟装置相关专利的申请主要集中在14 个有关组织或个人中。其中, 国家电网公司申请量为12 件, 排名第一, 远高于其他申请人和组织。而其他申请人和组织的申请数量都小于8 件, 都集中在5 件以下。这表明中国国有企业在研发能力上拥有较强的实力。总体来看, 国际申请中以个人、科研单位和团体作为申请人的比例分别占到23. 3% 、20. 7% 和56. 0% ;而在中国的申请中, 三者比例则分别占到总申请数量的13. 3% 、20. 6% 和66. 2% 。由此可见, 对于激光驱鸟装置相关专利的申请主体都集中在科研单位和社会团体。这主要是因为激光驱鸟装置相关专利的设计难度、创新性要求较高, 需要有雄厚的资金、组织支撑以及较强的团队协作。所以, 将中国专利申请人分布特点与国际申请相比, 国际申请中的个人申请的百分比要比中国高出10. 0% , 这说明中国在激光驱鸟装置领域的研究更加依靠于科研单位与社会团体, 个人在其中所发挥的作用相对较小。

4从专利看中国激光驱鸟技术发展特点

4. 1 激光驱鸟技术基本原理

光是由原子处于激发状态时将能量以光子的形式发射出去形成的, 激光则是经过连续的受激辐射过程而被引诱 ( 激发) 出来的光子队列[6]。由于鸟眼中角膜和晶状体的会聚效应, 激光在视网膜上会聚的光斑直径很小, 产生的强度却足可以损伤视网膜, 对鸟眼实现刺激。江超等[5]根据高亮度激光束与飞鸟眼睛的相互作用机理, 研究了激光波长与激光对鸟眼刺激强度之间的关系以及激光驱鸟的有效性。由于激光波长、入射光辐射度和光的亮度是对鸟眼睛造成伤害和惊吓的主要因素, 因此, 目前激光驱鸟装置大多数基于这一原理进行设计, 采用高亮度激光束对鸟眼进行照射后所产生的强烈刺激作用, 惊吓飞鸟, 使鸟产生恐惧感而迅速离开保护区域[5]。

4. 2 激光驱鸟技术发展特点

2005 年中国的第一件有关激光驱鸟装置专利的申请CN2812589Y基于激光视觉驱鸟的原理, 设计了一种激光驱鸟灯。其特点在于驱鸟效果显著、驱赶区域较大、无噪音污染。随后, 该领域的专利研发数量明显加快, 专利研发的方向主要集中在以下三个方面。

1) 可控化。由于鸟类栖息地不平整, 而激光驱鸟装置的发射角度通常是固定的, 这就使激光驱鸟过程中存在许多盲区, 对驱鸟效果有所影响。因此, 部分专利申请对激光驱鸟装置进行了改进。专利CN10398831A中所设计的激光驱鸟器通过在发射器底部设置角度调节单元和水平传感器, 实现了对激光发射角度的自由调整, 减少了发射盲区。专利CN204032166U提供的激光驱鸟器则通过调节激光发射高度及角度, 增加了激光的照射范围, 提高了仪器的驱鸟效果。专利CN204120059U提供的激光器通过光纤控制激光发射管, 并可以控制激光筒做旋转运动的全方位式激光驱鸟器。 专利CN102812945A则发明了一种可在地面和空中同时通过振镜控制输出的全彩色激光器, 该设备一定程度上解决了现有激光驱鸟方式中激光颜色单一、扫描方式单一、无法阶梯式驱鸟的问题。总体上, 这些专利通过从空间角度和激光波长两方面可控性的调整, 使激光驱鸟装置的驱鸟效果得以大幅提升。

2) 自动化。现有的激光技术通常比较盲目, 仅依靠激光扫射或手持瞄准式激光枪进行驱鸟。这种方式人力成本较高, 瞄准精度低, 驱鸟效果差。因此, 专利CN202890328U设计了一种自动瞄准的多点激光驱鸟装置, 该设备可以在短时间内对多只鸟实现自动检测、跟踪和瞄准, 并利用低功率激光分时对多只鸟照射, 实现驱鸟目的。 专利CN202476328U则基于图像识别系统提供了一种自动化程度高、抗干扰能力强且成本低廉的机场激光驱鸟系统。专利CN204132233U设计了一种针对低空、低光条件的激光驱鸟器, 该装置可以全自动全天候运转, 驱鸟人员可通过摄像头远程监视鸟情, 远程设定激光扫描轨道参数, 变更激光扫描强度、速度和角度, 彻底解决鸟类易产生适应性的问题。专利CN204014870U提供了一种能够吸收太阳能并将其转化成电能予以储存, 并供电给激光发射的变电站智能激光驱鸟装置。专利CN104430293A则发明了一种自感应智能激光驱鸟装置, 该设备可通过智能识别技术探测输鸟类活动, 自动联动智能云台, 开启激光器驱赶鸟类。总体而言, 这些专利主要是减少人力投入, 提供设备的自动化能力, 提高激光扫描、驱鸟的精确度。

3) 多功能。一些发明人认识到目前市场中的驱鸟器方式单一, 在保留激光驱鸟本身优势的同时, 将其与其他驱鸟方式相结合, 设计出一些多功能驱鸟器, 试图提高驱鸟效果, 如专利204032167U提供了一种多功能变电站声光驱鸟器, 该装置采用发射激光和扬声器发声的方式从听觉、视觉两个角度同时控制的方法, 实现驱鸟目的。CN103651326A则设计了一种适用于高压输电线, 利用鸟类对超声波和激光敏感的方式来实现驱鸟的装置。

5 结论

通过上述分析与探讨, 得出了当下对驱鸟装置的需求及今后驱鸟装置的关注点。

1) 近年, 专利申请数量的变化趋势表明, 国际有关激光驱鸟技术的研究正在进入热点期, 随着交通、输电等基础设施的进一步兴建, 对该领域相关设备的市场需求将会增加, 势必创造出更有效的激光驱鸟装置。

2) 激光驱鸟技术领域专利研发的关注点主要在其可控性、自动化和多功能性上, 而这三个方面必将是未来值得继续改进、实现技术突破的重点。

3) 在中国建设创新型国家的过程中, 要继续发挥中国各种科研单位、社会组织大而强的集体优势, 促进团队协作, 保持这些团体在该领域专利申请数量的优势; 要鼓励个人创新, 增强全社会的创新氛围, 提高个人激光驱鸟技术专利申请的数量。

摘要：为了消除鸟类在机场、输电设备造成的安全隐患和损失, 笔者基于2015年3月前已公开的激光驱鸟技术相关专利, 从专利申请量、地域分布、专利类型、申请人和技术发展特点等角度, 对国内外该领域研究的总体状况予以分析。分析结果表明, 激光驱鸟技术的研究正在进入热点期, 其关注点主要在设备的可控性、自动化和多功能上。

关键词：激光驱鸟,专利申请,现状分析

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