CN103701015A - 气体激光器回充保护气体的控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

一种气体激光器回充保护气体的控制方法，当气体激光器处于关机状态时，检测谐振腔内部的气压和谐振腔外部的气压；接收并比较检测到的谐振腔内部的气压值和谐振腔外部的气压值的大小，根据比较结果控制开关的开闭。若谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的压力值，控制开关处于关闭状态；若谐振腔内部的气压值小于谐振腔外部的压力值，控制开关处于开启状态，充入保护气体至谐振腔内部；继续检测并比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，至谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，关闭开关。通过动态调整谐振腔内部的气压值，使谐振腔内部气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，防止外部杂质气体渗漏至谐振腔内部。

Description

气体激光器回充保护气体的控制方法及其控制装置

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种气体激光器回充保护气体的控制方法及其控制装置。

背景技术

高功率轴快流CO₂激光器（下面简称激光器）的功率通常在千瓦级以上，以输出模式稳定和光束质量较好而得到广泛应用。应用的广泛性，又推动了客户对激光器稳定性能要求的进一步提高。

激光器工作时，对谐振腔内部工作气体的纯度要求比较高，普遍超过99.999%，并且工作气压接近真空状态，约120mBar。工作气体由N₂、He和CO₂气体混合而成。其中产生激光的能级发生在CO₂分子的振动能级和转动能级，N₂的作用是提高上能级的激励效率，He的作用为提高下能级的抽空。工作气体在电离时产生离子数反转，在输出镜和尾镜的约束下产生激光，波长10.6μm。

激光器关机之后如果外界杂质气体渗漏进谐振腔，比如水蒸气和氧气，会在激光器再次开机时对激光器的功率造成影响。普遍表现在开机后激光器功率逐渐下降，等到杂质气体随工作气体更换排出谐振腔后，激光器的功率逐步恢复正常，这个过程大约持续2个小时左右。激光器因停机一段时间后开机功率出现先下降再逐步回升的现象，在应用中带来一定的问题。主要表现在加工激光器输出功率不能达到调用功率，造成加工质量和速度下降。

对于上述问题主要的解决方式之一是关机后回充高纯N₂对谐振腔进行保护。关机后进行保护气体回充，普遍的做法是将高纯N₂充入激光器的谐振腔，使谐振腔内部的气体压强达到接近外界大气压强的一个数值，如980mBar等。但是这种固定气压的保护气体回充方式，存在一定的缺陷。比如，高纯N₂在激光器停机后立刻被充入谐振腔，并且达到接近外界大气压强的某一数值。随着激光器温度降低到和外界温度一致，谐振腔内部气体压强将低于原来设定的数值，即与外界大气压强差值增大。这样谐振腔内部和外界大气压强之间就存在压力差，外界杂质气体仍然可能渗漏进谐振腔。

发明内容

基于此，有必要针对外界杂质气体容易进入谐振腔的问题，提供一种可以防止外界杂质气体进入谐振腔的气体激光器回充保护气体的控制方法及其控制装置。

一种气体激光器回充保护气体的控制方法，包括以下步骤：

当气体激光器处于关机状态时，分别检测谐振腔内部的气压和所述谐振腔外部的气压；

接收并比较检测到的所述谐振腔内部的气压值和所述谐振腔外部的气压值的大小，根据比较结果控制所述开关的开闭：

若所述谐振腔内部的气压值大于或等于所述谐振腔外部的气压值，则控制开关处于关闭状态；

若所述谐振腔内部的气压值小于所述谐振腔外部的气压值，则控制所述开关开启，充入保护气体至所述谐振腔内部，继续检测并比较所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的大小，直到所述谐振腔内部的气压值大于或等于所述谐振腔外部的气压值时，控制所述开关关闭。

在其中一个实施例中，还包括步骤：

当所述谐振腔内部的气压值小于所述谐振腔外部的气压值时，计算所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的差值，根据所述差值确定充入所述谐振腔内部的保护气体的体积。

一种气体激光器回充保护气体的控制装置，包括：

第一压力传感器，用于检测当气体激光器处于关机状态时谐振腔内部的气压；

第二压力传感器，用于检测当气体激光器处于关机状态时所述谐振腔外部的气压；

储存保护气体单元，用于储存保护气体；

开关，用于连接所述储存保护气体单元与所述谐振腔内部；及

控制系统，用于接收并比较所述第一压力传感器检测到的气压值与第二压力传感器检测到的气压值的大小，根据比较结果控制所述开关的开闭：

若所述第一压力传感器检测到的气压值大于或等于所述第二压力传感器检测到的气压值，则所述控制系统控制开关处于关闭状态；

若所述第一压力传感器检测到的气压值小于所述第二压力传感器检测到的气压值，则所述控制系统控制所述开关开启，所述控制系统控制所述储存保护气体单元回充保护气体至所述谐振腔内部，所述第一压力传感器继续检测所述谐振腔内部的气压值并传输至所述控制系统，所述第二压力传感器继续检测所述谐振腔外部的气压值并传输至所述控制系统，所述控制系统继续接收并比较所述第一压力传感器检测到的气压值与所述第二压力传感器检测到的气压值的大小，直到所述谐振腔内部的气压大于或等于所述谐振腔外部的气压时，所述控制系统控制所述开关关闭。

在其中一个实施例中，所述控制系统包括：

接收模块，用于分别接收所述第一压力传感器检测到的气压值及所述第二压力传感器检测到的气压值；

分析模块，用于比较所述接收模块接收的所述第一压力传感器检测到的气压值与所述第二压力传感器检测到的气压值的大小；

输出模块，用于输出所述分析模块比较所述第一压力传感器检测到的气压值及所述第二压力传感器检测到的气压值的结果，并根据比较结果控制所述开关的开闭。

在其中一个实施例中，所述控制系统还包括：

计算模块，用于当所述谐振腔内部的气压小于所述谐振腔外部的气压时，计算所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的差值，并根据所述差值确定充入所述谐振腔内部的保护气体的体积。

在其中一个实施例中，所述控制系统为单片机。

在其中一个实施例中，所述开关为电磁阀。

在其中一个实施例中，所述保护气体为氮气或氩气。

上述气体激光器回充保护气体的控制方法及其控制装置至少包括以下优点：

当气体激光器处于关机状态时，通过第一压力感应器检测谐振腔内部的气压并传输至控制系统，第二压力传感器检测谐振腔外部的气压并传输至控制系统，控制系统接收并比较第一压力传感器检测到的气压值与第二压力传感器检测到的气压值的大小，根据比较结果控制开关的开闭：若第一压力传感器检测到的气压值大于或等于第二压力传感器检测到的压力值，则控制系统控制开关处于关闭状态；若第一压力传感器检测到的气压值小于第二压力传感器检测到的压力值时，则控制系统控制开关处于开启状态，并控制储存保护气体单元充入保护气体至谐振腔内部；继续检测并比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，直到谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，关闭开关。通过动态调整谐振腔内部的气压值，使谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，防止外部杂质气体渗漏至谐振腔内部。

附图说明

图1为一实施方式中的气体激光器回充保护气体的控制方法的流程图；

图2为一实施方式中气体激光器回充保护气体的控制装置的结构示意图；

图3为图2中控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为一实施方式中气体激光器回充保护气体的控制方法的流程图。具体地，气体激光器回充保护气体的控制方法包括以下步骤：

步骤S110，当气体激光器处于关机状态时，分别检测谐振腔内部的气压和谐振腔外部的气压。具体地，可以通过第一压力传感器检测谐振腔内部的气压，通过第二压力传感器检测谐振腔外部的气压，即外界的大气压强。第一压力传感器将检测到的谐振腔内部的气压值转化成电信号传输至控制系统，第二压力传感器将检测到的谐振腔外部的气压值转化成电信号传输至控制系统。控制系统具体地可以为单片机。

步骤S120，接收并比较检测到的谐振腔内部的气压值和谐振腔外部的气压值的大小，根据比较结果控制开关的开闭。控制系统接收第一压力传感器检测到的谐振腔内部的气压值及第二压力传感器检测到的谐振腔外部的气压值后，比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，并根据比较结果控制开关的开闭。

若谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，则控制开关处于关闭状态。此时不会回充保护气体至谐振腔内部，外界杂质气体也无法渗漏至谐振腔内部。

若谐振腔内部的气压值小于谐振腔外部的气压值，则控制开关开启，并在谐振腔内部充入保护气体。开关具体地可以为电磁阀，电磁阀寿命长，价格低。

当谐振腔内部的气压值小于谐振腔外部的气压值时，计算谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的差值，根据差值确定充入谐振腔内部的保护气体的体积。充入的保护气体可以为氮气、氩气等。根据差值来确定充入谐振腔内部的保护气体的体积可以减少检测气压值的次数，从而提高效率，缩短时间。当然，在其它的实施方式中，计算谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的差值，根据差值确定充入谐振腔内部的保护气体的体积的步骤也可以省略。

继续检测并比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，直到谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值时，控制开关关闭。谐振腔内部被充入保护气体后，继续检测谐振腔内部的气压和谐振腔外部的气压。例如可以设定预设的间隔时间，当第一次检测到谐振腔内部的气压小于谐振腔外部的气压时，即打开开关回充保护气体至谐振腔内部。过预设的间隔时间后，再次检测谐振腔内部的气压与谐振腔外部的气压并比较气压的大小，直至谐振腔内部的气压大于或等于谐振腔外部的气压，关闭开关，停止充入保护气体。

上述气体激光器回充保护气体的控制方法包括以下优点：

当气体激光器处于关机状态时，检测谐振腔内部的气压，检测谐振腔外部的气压，然后接收并比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，根据比较结果控制开关的开闭：若谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的压力值，则控制开关处于关闭状态；若谐振腔内部的气压值小于谐振腔外部的压力值，则控制开关处于开启状态，充入保护气体至谐振腔内部；继续检测并比较谐振腔内部的气压值与谐振腔外部的气压值的大小，直到谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，关闭开关。通过动态调整谐振腔内部的气压值，使谐振腔内部的气压值大于或等于谐振腔外部的气压值，防止外部杂质气体渗漏至谐振腔内部。

请参阅图2及图3，为一实施方式中气体激光器回充保护气体的控制装置100的结构示意图。气体激光器回充保护气体的控制装置100包括第一压力传感器110、第二压力传感器120、储存保护气体单元130、开关140及控制系统150。

第一压力传感器110用于检测当气体激光器处于关机状态时谐振腔内部200的气压。第一压力传感器110可将检测到的气压值转化成电信号传输至控制系统150。

第二压力传感器120用于检测当气体激光器处于关机状态时谐振腔外部300的气压。第二压力传感器120可将检测到的气压值转化成电信号传输至控制系统150。

储存保护气体单元130用于储存保护气体。储存保护气体单元130内可储存高纯度的氮气或氩气等气体。

开关140用于连接储存保护气体单元130与谐振腔内部200。开关140开启时，储存在储存保护气体单元130的保护气体可进入谐振腔内部200。开关140关闭时，储存在储存保护气体单元130的保护气体仍然储存在储存保护气体单元130。具体地，开关140可以为电磁阀，电磁阀寿命长，价格低。

请参阅图3，控制系统150包括接收模块151、分析模块152、计算模块153及输出模块154。具体地，控制系统150可以为单片机等微型计算机。

接收模块151用于分别接收第一压力传感器110检测到的气压值及第二压力传感器120检测到的气压值。第一压力传感器110将检测到的气压值转化成电信号后传至接收模块151，第二压力传感器120将检测到的气压值转化成电信号后传至接收模块151。

分析模块152用于比较接收模块151接收的第一压力传感器110检测到的气压值与第二压力传感器120检测到的气压值。

计算模块153用于当谐振腔内部200的气压小于谐振腔外部300的气压时，计算谐振腔内部200的气压与谐振腔外部300的气压差值，并根据气压差值确定充入谐振腔内部200的保护气体的体积。根据气压差值来确定充入谐振腔内部200的保护气体的体积可以减少检测气压值的次数，从而提高效率，缩短时间。在其它的实施方式中，还可以省略计算模块。

输出模块154用于输出分析模块152确定的第一压力传感器110检测到的气压值及第二压力传感器120检测到的气压值的结果，并根据比较结果控制开关140的开闭。当然，本实施方式中包括还包括计算模块，则输出模块154还根据计算模块153确定的差值及充入谐振腔内部的保护气体的体积控制开关的打开时间及打开大小，以给谐振腔内部充入适量的保护气体。

若第一压力传感器110检测到的气压值大于或等于第二压力传感器120检测到的气压值，则控制系统150控制开关140处于关闭状态。

若第一压力传感器110检测到的气压值小于第二压力传感器120检测到的气压值，则控制系统150控制所述开关140开启，控制系统150控制储存保护气体单元130回充保护气体至谐振腔内部200。

第一压力传感器110继续检测谐振腔内部200的气压值并传输至控制系统150，第二压力传感器120继续检测谐振腔外部300的气压值并传输至控制系统150，控制系统150继续接收并比较第一压力传感器110检测到的气压值与第二压力传感器120检测到的气压值的大小，直到谐振腔内部200的气压大于或等于谐振腔外部300的气压时，控制系统150控制所述开关140关闭。谐振腔内部200被充入保护气体后，第一压力传感器110继续检测谐振腔内部200的气压和第二压力传感器120继续检测谐振腔外部300的气压。例如可以设定预设的间隔时间，当第一次检测到谐振腔内部200的气压小于谐振腔外部300的气压时，即打开开关140回充保护气体至谐振腔内部200。过预设的间隔时间后，再次检测谐振腔内部200的气压与谐振腔外部300的气压并比较气压的大小，直至谐振腔内部200的气压大于或等于谐振腔外部300的气压，关闭开关140，停止充入保护气体。

上述气体激光器回充保护气体的控制装置100具有以下优点：

当气体激光器处于关机状态时，通过第一压力感应器110检测谐振腔内部200的气压并传输至控制系统150，第二压力传感器120检测谐振腔外部300的气压并传输至控制系统150，控制系统150接收并比较第一压力传感器110检测到的气压值与第二压力传感器120检测到的气压值的大小，根据比较结果控制开关140的开闭：若第一压力传感器110检测到的气压值大于或等于第二压力传感器120检测到的压力值，则控制系统150控制开关处于关闭状态；若第一压力传感器110检测到的气压值小于第二压力传感器120检测到的压力值，则控制系统150控制开关140处于开启状态，并控制储存保护气体单元130充入保护气体至谐振腔内部200；继续检测并比较谐振腔内部200的气压值与谐振腔外部300的气压值的大小，直到谐振腔内部200的气压值大于或等于谐振腔外部300的气压值，关闭开关140。通过动态调整谐振腔内部200的气压值，使谐振腔内部200的气压值大于或等于谐振腔外部300的气压值，防止外部杂质气体渗漏至谐振腔内部200。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种气体激光器回充保护气体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当气体激光器处于关机状态时，分别检测谐振腔内部的气压和谐振腔外部的气压；

接收并比较检测到的所述谐振腔内部的气压值和所述谐振腔外部的气压值的大小，根据比较结果控制所述开关的开闭：

若所述谐振腔内部的气压值大于或等于所述谐振腔外部的气压值，则控制所述开关处于关闭状态；

若所述谐振腔内部的气压值小于所述谐振腔外部的气压值，则控制所述开关开启，充入保护气体至所述谐振腔内部，继续检测并比较所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的大小，直到所述谐振腔内部的气压值大于或等于所述谐振腔外部的气压值时，控制所述开关关闭。

2.根据权利要求1所述的气体激光器回充保护气体的控制方法，其特征在于，还包括步骤：

当所述谐振腔内部的气压值小于所述谐振腔外部的气压值时，计算所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的差值，根据所述差值确定充入所述谐振腔内部的保护气体的体积。

3.一种气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，包括：

第一压力传感器，用于检测当气体激光器处于关机状态时谐振腔内部的气压；

第二压力传感器，用于检测当气体激光器处于关机状态时谐振腔外部的气压；

储存保护气体单元，用于储存保护气体；

开关，用于连接所述储存保护气体单元与所述谐振腔内部；及

控制系统，用于接收并比较所述第一压力传感器检测到的气压值与第二压力传感器检测到的气压值的大小，根据比较结果控制所述开关的开闭：

若所述第一压力传感器检测到的气压值大于或等于所述第二压力传感器检测到的气压值，则所述控制系统控制开关处于关闭状态；

若所述第一压力传感器检测到的气压值小于所述第二压力传感器检测到的气压值，则所述控制系统控制所述开关开启，所述控制系统控制所述储存保护气体单元回充保护气体至所述谐振腔内部，所述第一压力传感器继续检测所述谐振腔内部的气压值并传输至所述控制系统，所述第二压力传感器继续检测所述谐振腔外部的气压值并传输至所述控制系统，所述控制系统继续接收并比较所述第一压力传感器检测到的气压值与所述第二压力传感器检测到的气压值的大小，直到所述谐振腔内部的气压大于或等于所述谐振腔外部的气压时，所述控制系统控制所述开关关闭。

4.根据权利要求3所述的气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，所述控制系统包括：

接收模块，用于分别接收所述第一压力传感器检测到的气压值及所述第二压力传感器检测到的气压值；

分析模块，用于比较所述接收模块接收的所述第一压力传感器检测到的气压值与所述第二压力传感器检测到的气压值的大小；

输出模块，用于输出所述分析模块比较所述第一压力传感器检测到的气压值及所述第二压力传感器检测到的气压值的结果，并根据比较结果控制所述开关的开闭。

5.根据权利要求4所述的气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，所述控制系统还包括：

计算模块，用于当所述谐振腔内部的气压小于所述谐振腔外部的气压时，计算所述谐振腔内部的气压值与所述谐振腔外部的气压值的差值，并根据所述差值确定充入所述谐振腔内部的保护气体的体积。

6.根据权利要求3所述的气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，所述控制系统为单片机。

7.根据权利要求3所述的气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，所述开关为电磁阀。

8.根据权利要求3所述的气体激光器回充保护气体的控制装置，其特征在于，所述保护气体为氮气或氩气。

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