CN102507000A - 一种激光焊接机输出激光能量的检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接机输出激光能量的检测电路，其包括依次电连接的二极管初级检测电路、反相电路、系统调零与信号放大电路及温度补偿与隔离输出电路，该光电二极管初级检测电路作为采样电路实现激光功率转换成电流信号、电流信号转换成电压信号的功能，该反相电路实现了反相器功能，为系统调零与信号放大电路提供前置信号，该系统调零与信号放大电路实现系统调零、信号放大作用，该温度补偿与隔离输出电路起到温度补偿和隔离输出作用。本发明具有很强的通用性、灵活操作性、较强的抗干扰特性，且设计成本相对较低，提高了系统激光能量检测精度，高效节能，具有很强的产品竞争力。

Description

一种激光焊接机输出激光能量的检测电路

技术领域

本发明有关一种检测电路，特别是指一种采用能量反馈控制模式的激光焊接机输出激光能量的检测电路。

背景技术

目前，国际国内应用比较广泛的激光焊接机主要是光纤传导焊接机，在积极推进节能减排、加强低碳化工业生产的大环境下，激光设备也急需提高其能量输出的稳定度，因此需要对激光设备输出激光的能量进行检测，目前激光设备产品中对输出激光能量的检测大多数采用一级运放检测加一级运放隔离放大电路的简单设计结构，如此结构缺乏对检测环境的足够重视和存在对实际应用的细节考究上的一些缺陷，现有电路在实际应用中由于操作安装中的差异造成测量准确性和一致性偏差，存在受应用环境温度影响较大以及实际调试更改不方便等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种采用能量反馈控制模式、且不受环境温度影响的激光焊接机输出激光能量的检测电路。

为达到上述目的，本发明提供一种激光焊接机输出激光能量的检测电路，其包括依次电连接的二极管初级检测电路、反相电路、系统调零与信号放大电路及温度补偿与隔离输出电路，所述光电二极管初级检测电路为第一级电路，其作为采样电路实现激光功率转换成电流信号、电流信号转换成电压信号的功能，所述反相电路为第二级电路，实现了反相器功能，为所述系统调零与信号放大电路提供前置信号，所述系统调零与信号放大电路为第三级电路，实现系统调零、信号放大作用，所述温度补偿与隔离输出电路为第四级电路，起到温度补偿和隔离输出作用。

所述光电二极管初级检测电路由光电二极管D1、反馈电阻R1、电容C6、电阻R2及和运算放大器U1A组成，所述光电二极管D1的阳极连接所述运算放大器U1A的反相输入端，所述光电二极管D1的阴极与所述运算放大器U1A的同相输入端一同连接系统电源的参考地，所述运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间的反馈回路上并联有所述反馈电阻R1，其中所述反馈电阻R1起到电流电压转换作用，所述电阻R2一端接在所述运算放大器U1A的输出端，另一端与所述电容C6相接，所述电容C6另一端连接系统电源的参考地，所述电阻R2和所述电容C6结合组成低通滤波电路。

所述光电二极管初级检测电路还包括有反馈电容C1，该反馈电容C1连接于所述运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间的反馈回路上，所述反馈电容C1取值小于1nF，主要为改善反馈系统的动态特性。

所述反相电路由运算放大器U1B 和电阻R3、电阻R4及电容C7组成，其中所述电阻R3一端连接所述运算放大器U1B的同相输入端，另一端连接系统电源的参考地，所述电阻R4连接于所述运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U1B的反相输入端连接所述光电二极管初级检测电路的输出端，所述运算放大器U1B的输出端接所述电容C7，实现第二次滤波，所述电容C7另一端接地。

所述系统调零与信号放大电路由运算放大器U1C、电阻R5至R9以及电位器RP1和电位器RP2组成，该电阻R5一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接所述反相电路的输出端，电阻R6一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接电位器RP1，该电位器RP1另一端连接电阻R7，该电阻R7另一端接+15V电源，电位器RP1的滑动端连接该电阻R8，该电阻R8另一端连接-15V电源。

所述电阻R5、电阻R7、电阻R8及电位器RP1共同组成加法器输入电路，并由+15V和-15V电压经过所述电位器RP1调节并与所述电阻R6、R7、R8进行匹配，实现系统调零功能；所述电阻R9与所述电位器RP2串联连接于所述运算放大器U1C的反相输入端与输出端之间组成负反馈电路，起隔离放大作用。

所述温度补偿与隔离输出电路由运算放大器U1D和U2A、热敏电阻RT0、电阻R10至R20及电容C8组成，该热敏电阻RT0一端与电阻R13一端连接并连接+15V电源，热敏电阻RT0另一端连接电阻R12，电阻R13另一端连接电阻R14，电阻R12另一端与电阻R14另一端相连接并连接-15V电源，热敏电阻RT0与电阻R12之间通过电阻R11连接运算放大器U1D的反相输入端，电阻R13与电阻R14之间通过电阻R15连接运算放大器U1D的反相输入端，该电阻R10一端接收来自所述第三级电路的输出信号，另一端连接运算放大器U1D的反相输入端，运算放大器U1D同相输入端连接系统电源的参考地，电阻R16连接于运算放大器U1D的反相输入端与输出端之间，所述热敏电阻RT0和电阻R11至R15组成桥式加法电路实现温度补偿。

所述运算放大器U1D的输出端通过所述电阻R17接到所述运算放大器U2A的反相输入端，所述电阻R19连接于所述运算放大器U2A的反相输入端与输出端之间，所述电阻R18连接于系统电源的参考地与所述运算放大器U2A的同相输入端之间，所述运算放大器U2A的输出端依次连接所述电阻R20与所述电容C8，以所述运算放大器U2A为核心的电路起到反相和RC低通滤波作用。

电阻值R11=R15，R10=R16，R12=R13=R14，所述RT0为正温度系数热敏电阻,在常温时电阻值RT0=R12=R13=R14。

在所述运算放大器U1D的反相输入端与所述运算放大器U2A的输出端分别设有限幅电路。

本发明通过四级电路实现激光焊接机输出激光能量检测，为采用能量反馈控制模式的激光焊接机系统提供了坚实的基础，同时具有很强的通用性，可操作性，抗干扰性，新颖性和环境适应性，且设计成本不高，具有很强的产品竞争力。

附图说明

图1为本发明激光焊接机输出激光能量的检测电路的结构示意图；

图2为本发明中光电二极管初级检测电路的结构示意图；

图3为本发明中反相电路的结构示意图；

图4为本发明中系统调零与信号放大电路结构示意图；

图5为本发明中温度补偿与隔离输出电路结构示意图；

图6为本发明激光焊接机输出激光能量的检测电路另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图1所示，本发明的一种激光焊接机输出激光能量的检测电路包括依次电连接的二极管初级检测电路、反相电路、系统调零与信号放大电路及温度补偿与隔离输出电路。

如图2所示，光电二极管初级检测电路为第一级电路，其作为采样电路实现激光功率转换成电流信号、电流信号转换成电压信号的功能。本发明中的光电二极管初级检测电路由光电二极管D1、反馈电阻R1、反馈电容C1、电容C6、电阻R2及和运算放大器U1A组成，光电二极管D1的阳极接运算放大器U1A的反相输入端，光电二极管D1的阴极与运算放大器U1A的同相输入端接系统电源的参考地，运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间的反馈回路上并联有反馈电阻R1与反馈电容C1，其中反馈电阻R1起到电流电压转换作用，电阻R2一端接在运算放大器U1A的输出端，另一端与电容C6相接，电容C6另一端连接系统电源的参考地，电阻R2和电容C6结合组成低通滤波电路，在电路中主要起到低通无源滤波的效果，滤除部分高频噪声。在实际产品应用中，输入的激光能量通过光学漏光和衰减环节后，选取实际激光能量的3%的能量作为采样输入激光能量，此入射在光电二极管D1上的激光能量与通过光电二极管D1的反向电流（也称光电流）成正比关系。为了测试方便和灵活，采用波长为532nm、635nm、650nm三种波长的小功率红光激光器（额定供电功率为3W）作为输入信号发射装置。光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性度好、噪声低而被广泛应用于光电检测电路特别是激光功率测量电路中，质量好的光电二极管，分辨率可达10~12W。电阻R2与电容C6之间为测试点TP1，此处为第一级电路的输出电压U1，该U1为：U1=R1×i_D1；

公式中的i_D1为流过光电二极管D1的反向电流，本发明中，考虑到光电二极管的信噪比与输入电路的元件参数有关，必须保证负载阻抗为零，以满足测量时的严格线性要求，因此，采用低噪声运算放大器接成电流-电压转换器电路满足之一要求。如图1所示，光电二极管的等效模型中D1含有内阻，利用负反馈电路可以得到该负反馈运放输入阻抗为：R_in=R1/(1+A);

其中，A为运算放大器U1A的开环增益，R1为运算放大器U1A的反馈电阻；一般地，运算放大器的开环增益A》10⁶，所以输入阻抗R_in≈0，从而满足了光电二极管的负载阻抗为零的条件。以上设计，一方面，可提高光电二极管的测量线性特性，另一方面因光电二极管工作区域接近短路状态，电路可获得最小噪声系数。该级电路中，反馈电容C1可根据需要添加，其取值小于1nF为宜，主要为改善反馈系统的动态特性。

如图3所示，本发明中的反相电路为第二级电路，该级电路由运算放大器U1B 和电阻R3、电阻R4及电容C7组成。其中电阻R3一端连接运算放大器U1B的同相输入端，另一端连接系统电源的参考地，电阻R4连接于运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间，电容C7一端连接运算放大器U1B的输出端，另一端连接系统电源的参考地。电阻R3的取值考虑了阻抗匹配功能，为R3和R4的并联等效值，本发明中电阻R3和R4取值应满足：R2=R4=R3/2。第一级电路的输出电压为U1（如测试点TP1所示位置）， 经过运算放大器U1B，在测试点TP2(运算放大器U1B的输出端)处实现了反相，测试点TP2处的电压U2=-U1。第二级电路中电容C7起到低通滤波作用，在具体应用电路中可以选择不用，因为在其前后电路中都设置了比较恰当的滤波电路。反相电路主要实现了反相器功能，为下一级电路即系统调零与信号放大电路提供一个基础，并达到阻抗匹配、抗干扰能力强的目的。

如附图4所示，本发明中的系统调零与信号放大电路为第三级电路，该级电路由运算放大器U1C、电阻R5~R9以及电位器RP1和电位器RP2组成，主要实现系统调零电路、信号放大电路作用，在整个激光能量检测电路中是关键一环。该级电路中电阻R5一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接所述反相电路的输出端，电阻R6一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接电位器RP1，该电位器RP1另一端连接电阻R7，该电阻R7另一端接正15V电源，电位器RP1的滑动端连接电阻R8，电阻R8另一端连接一负15V电源。其中电阻R5和电阻R7、电阻R8、电位器RP1共同组成加法器输入电路，电位器RP1选择最大取值为100K欧姆的电位器，其中R5接收来自第二级电路的输出信号，为第三级电路的主要输入端，而另外由+15V和-15V电压经过电位器RP1调节并与电阻R6、R7、R8进行匹配，主要实现系统调零功能，因为一方面即使在没有激光功率输入时，运放本身存在输入噪声，采用的激光功率转换为微弱电压信号极易受干扰和叠加，所以必须加以滤除输入噪声；另一方面，光电二极管本身有可能存在零漂，即外界不输入激光功率时，有可能经过反馈电阻R1会有小电流信号，因此电位器RP1在对称的正负电源叠加下非常即时地实现了系统输入调零，为下一级放大电路的准确性提供了基础。电阻R9与电位器RP2串联连接于运算放大器U1C的反相输入端与输出端之间组成负反馈电路，主要形成PI环节进行信号的隔离放大作用，电位器RP2可以根据不同系列的产品进行放大倍数调节，在其后可以加限幅电路，如图6所示由二极管D2与D3组成的限幅电路，主要目的是确保所有输入运放的电压值不超过其供电电压范围，使得输出信号达到采集输出电压的范围，以便准确和稳定的反映输入的激光功率，保证运算放大器本身的安全和系统可靠性。

如附图5所示，本发明中温度补偿与隔离输出电路为第四级电路，由运算放大器U1D和U2A、PTC正温度系数热敏电阻RT0、0805封装电阻R10~R20、电容C8组成，主要起到温度补偿和隔离输出作用。其中以运算放大器U1D和热敏电阻RT0为核心组成的温度补偿电路是本发明的应用电路中关键环节之一。由于光电二极管的光电流随温度的上升而呈现上升趋势，如温度升高30度，暗电流可以增加一个数量级，光电流增加10%左右。针对实际应用情况，必须考虑昼夜温差较大的使用环境，以便产品有广泛的适应性，特别对产品能在国际范围和特殊军工等领域使用均有重要意义，因此加入了温度补偿环节。由图5可知，光电流虽然与入射光强度成线性关系，但是当环境温度变化较大时，即使在同一入射光功率下，光电流也会发生变化，引起I-P之间的线性度，因此在温度变化较大情况下需要加入温度补偿，以消除不同环境温度引起的光功率测量偏差。光敏二极管大都是正的温度系数。也就是说在温度升高时，它们的电流会随着温度有所增加。所以为了消除温度对光敏二极管的影响就需要利用加入能抵消这一额外增加量的电路或者元件（如负温度系数的二极管）进行修正。本电路为了考虑系统的灵敏度和调试的方便采用了桥式平衡电路，使用了如图5所示的PTC热敏电阻（正温度系数）RT0和1%高精度电阻R11~R15组成的桥式加法电路。热敏电阻RT0一端与电阻R13一端连接并连接+15V电源，热敏电阻RT0另一端连接电阻R12，电阻R13另一端连接电阻R14，电阻R12另一端与电阻R14另一端相连接并连接-15V电源，热敏电阻RT0与电阻R12之间通过电阻R11连接运算放大器U1D的反相输入端，电阻R13与电阻R14之间通过电阻R15连接运算放大器U1D的反相输入端，电阻R10一端接收来自第三级电路的输出信号U3，另一端连接运算放大器U1D的反相输入端，运算放大器U1D同相输入端连接系统电源的参考地。电阻R16连接于运算放大器U1D的反相输入端与输出端之间。譬如在常温25度时，电桥平衡，由R11和R15加入的电压均为零。而当环境温度上升到35度时，RT0会随温度上升而使得自身电阻值上升，从而在RT0和R12组成的支路中R12的分压将小于零并随RT0阻值增加而幅度变大（依然小于零），因此，通过R11叠加在R10支路上的电压会因此而下降,保证设计电路时R11支路产生负电压值等于光电二极管D1因温度升高而使得R10输出电压的增加的正电压值，即可消除环境温度的影响，达到温度补偿目的。其中电阻R11=R15，R10=R16，R12=R13=R14，其中R12、R13和R15的选择要求1%精度以上，以确保温度补偿电路具有足够的精确度，RT0为PTC正温度系数热敏电阻,在常温（通常为25摄氏度）时RT0=R12=R13=R14。

运算放大器U1D的输出端通过电阻R17接到运算放大器U2A的反相输入端，电阻R19连接于运算放大器U2A的反相输入端与输出端之间，电阻R18连接于系统电源的参考地与运算放大器U2A的同相输入端之间，运算放大器U2A的输出端依次连接电阻R20与电容C8，电阻R20与电容C8之间为测试点TP3。以运算放大器U2A为核心的电路主要起到反相和RC低通滤波作用，其中R17=R19=R18/2，电阻R20和电容C8组成的低通滤波电路需要根据实际滤波要求进行选取，提高系统抗干扰能力。为了保证系统的安全和可靠性，也可以采用加入如图6所示的由二极管D4和D5组成的限幅电路，以确保输出电压值在要求的0~5V范围内。

在图1和图6所示的实施例中，电路仅需使用一个四通道的运放和另外一个单通道运放即可，简单实用而具有高的使用价值，同时经过现场测试保证了系统抗干扰能力和调测方便。

综上所述，本发明通过四级电路实现激光焊接机输出激光能量检测，为采用能量反馈控制模式的激光焊接机系统提供了坚实的基础，同时具有很强的通用性，可操作性，抗干扰性，新颖性和环境适应性，且设计成本不高，具有很强的产品竞争力。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，其包括依次电连接的二极管初级检测电路、反相电路、系统调零与信号放大电路及温度补偿与隔离输出电路，所述光电二极管初级检测电路为第一级电路，其作为采样电路实现激光功率转换成电流信号、电流信号转换成电压信号的功能，所述反相电路为第二级电路，实现了反相器功能，为所述系统调零与信号放大电路提供前置信号，所述系统调零与信号放大电路为第三级电路，实现系统调零、信号放大作用，所述温度补偿与隔离输出电路为第四级电路，起到温度补偿和隔离输出作用。

2.如权利要求1所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述光电二极管初级检测电路由光电二极管D1、反馈电阻R1、电容C6、电阻R2及和运算放大器U1A组成，所述光电二极管D1的阳极连接所述运算放大器U1A的反相输入端，所述光电二极管D1的阴极与所述运算放大器U1A的同相输入端一同连接系统电源的参考地，所述运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间的反馈回路上并联有所述反馈电阻R1，其中所述反馈电阻R1起到电流电压转换作用，所述电阻R2一端接在所述运算放大器U1A的输出端，另一端与所述电容C6相接，所述电容C6另一端连接系统电源的参考地，所述电阻R2和所述电容C6结合组成低通滤波电路。

3.如权利要求2所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述光电二极管初级检测电路还包括有反馈电容C1，该反馈电容C1连接于所述运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间的反馈回路上，所述反馈电容C1取值小于1nF，主要为改善反馈系统的动态特性。

4.如权利要求1所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述反相电路由运算放大器U1B 和电阻R3、电阻R4及电容C7组成，其中所述电阻R3一端连接所述运算放大器U1B的同相输入端，另一端连接系统电源的参考地，所述电阻R4连接于所述运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U1B的反相输入端连接所述光电二极管初级检测电路的输出端，所述运算放大器U1B的输出端接所述电容C7，实现第二次滤波，所述电容C7另一端接地。

5.如权利要求1所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述系统调零与信号放大电路由运算放大器U1C、电阻R5至R9以及电位器RP1和电位器RP2组成，该电阻R5一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接所述反相电路的输出端，电阻R6一端连接运算放大器U1C的反相输入端，另一端连接电位器RP1，该电位器RP1另一端连接电阻R7，该电阻R7另一端接+15V电源，电位器RP1的滑动端连接该电阻R8，该电阻R8另一端连接-15V电源。

6.如权利要求5所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述电阻R5、电阻R7、电阻R8及电位器RP1共同组成加法器输入电路，并由+15V和-15V电压经过所述电位器RP1调节并与所述电阻R6、R7、R8进行匹配，实现系统调零功能；所述电阻R9与所述电位器RP2串联连接于所述运算放大器U1C的反相输入端与输出端之间组成负反馈电路，起隔离放大作用。

7.如权利要求1所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述温度补偿与隔离输出电路由运算放大器U1D和U2A、热敏电阻RT0、电阻R10至R20及电容C8组成，该热敏电阻RT0一端与电阻R13一端连接并连接+15V电源，热敏电阻RT0另一端连接电阻R12，电阻R13另一端连接电阻R14，电阻R12另一端与电阻R14另一端相连接并连接-15V电源，热敏电阻RT0与电阻R12之间通过电阻R11连接运算放大器U1D的反相输入端，电阻R13与电阻R14之间通过电阻R15连接运算放大器U1D的反相输入端，该电阻R10一端接收来自所述第三级电路的输出信号，另一端连接运算放大器U1D的反相输入端，运算放大器U1D同相输入端连接系统电源的参考地，电阻R16连接于运算放大器U1D的反相输入端与输出端之间，所述热敏电阻RT0和电阻R11至R15组成桥式加法电路实现温度补偿。

8.如权利要求7所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，所述运算放大器U1D的输出端通过所述电阻R17接到所述运算放大器U2A的反相输入端，所述电阻R19连接于所述运算放大器U2A的反相输入端与输出端之间，所述电阻R18连接于系统电源的参考地与所述运算放大器U2A的同相输入端之间，所述运算放大器U2A的输出端依次连接所述电阻R20与所述电容C8，以所述运算放大器U2A为核心的电路起到反相和RC低通滤波作用。

9.如权利要求7所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，电阻值R11=R15，R10=R16，R12=R13=R14，所述RT0为正温度系数热敏电阻,在常温时电阻值RT0=R12=R13=R14。

10.如权利要求7所述的激光焊接机输出激光能量的检测电路，其特征在于，在所述运算放大器U1D的反相输入端与所述运算放大器U2A的输出端分别设有限幅电路。

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