CN104748843A - 基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统 - Google Patents

基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统 Download PDF

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吴伟霖
陈冠楠
陈荣
李彬雅
龚海明
李彦
刘明宇
刘高强
林金勇
刘垚
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Abstract

本发明提供的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统，利用激光功率计采集激光器发出激光束的激光功率，利用温度传感器采集激光器聚光筒的温度，激光功率计和温度传感器测得的数据经数据采集卡、上位机、云服务器后到达远程客户端，远程客户端根据激光器的故障情况生成激光器运行控制指令，并经云服务器传回至上位机对激光器的运行进行控制。所述方法及系统可实现激光器的实时远程监测和控制，构建稳定安全，操作方便，且可提高产品加工质量。

Description

基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别涉及一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统。
背景技术
激光输出功率是激光器的关键参数之一，在激光加工领域，激光器的激光功率直接影响着加工范围、加工工艺和加工质量等参数，因此，激光功率的检测是激光器不可缺少的组成部分。另外，激光器发出的光束经谐振腔后到达激光聚焦头，然后到达工件表面，激光聚焦头中安装有聚焦透镜，如果激光聚焦头中的温度过高，聚焦透镜会出现裂痕而不能使用，需要更换。
目前对激光器激光功率的检测主要采用离线检测和在线检测两种方式。离线检测因为需要中断加工过程，而且不能实时反应加工过程中激光功率的变化情况，具有检测手段不直接，检测数据不准确且不能实时更新等缺点。
公开号为CN101451886A的中国发明专利于2009年6月10日公开了一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置，在半导体阵列激光器的光路中放置一分光镜，从激光器输出的激光光束和从工件反射光光束中分出来两部分光束，针对半导体激光光束强度在空间上分布不均匀的特点，分别对两束光进行光强匀化和衰减，之后再进行放大滤波得到与激光器光功率和工件反射光功率成线性关系的电压信号，根据电压信号能够计算出激光器输出激光的光功率和工件反射的光功率，实现了高功率半导体阵列激光器激光输出功率和加工时工件反射光功率的同时在线检测，但不能实现激光器功率的远程检测，且没有对激光聚焦头温度的检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对激光功率和激光聚焦头温度进行远程监测，且能远程控制激光器运行状态的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，所述方法为：
激光功率计检测激光光束功率；
温度传感器检测激光聚焦头温度；
数据采集卡采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值，分析激光器故障状况，并存储和发送所述数值及激光器故障状况至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述数值及激光器故障状况至远程客户端；
远程客户端接收并存储所述数值及激光器故障状况；
远程客户端根据所述数值及激光器故障状况生成并发送激光器运行控制指令至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述激光器运行控制指令至上位机；
上位机接收并执行所述激光器运行控制指令。
本发明的有益效果在于：通过激光功率计检测激光器产生激光光束的功率，通过温度传感器检测激光聚焦头上的温度，通过上位机对激光功率计和温度传感器测得的数值进行分析，通过云服务器将上位机上的数据传输至远程客户端，通过远程客户端生成激光器运行控制指令，实现对激光器运行状况的远程监测及远程控制，操作简洁方便。
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率检测模块，还包括以下模块：
温度检测模块，用于检测激光器上激光聚焦头的温度；
数据采集模块，用于采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据获取模块，用于获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据分析模块，用于根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值分析激光器故障状况；
第一存储模块，用于存储数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第一发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
指令生成器，用于根据激光器故障状况生成激光器运行控制指令；
第三发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第四接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
第四存储模块，用于存储激光器运行控制指令；
第四发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第一接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
执行指令模块，用于执行激光器运行控制指令，控制激光器的运行状态。
本发明的有益效果在于：对激光光束的功率和激光聚焦筒上的温度进行检测，并将数据传递至上位机，上位机与云服务器以及云服务器与远程客户端之间的数据传输采用无线发送与无线接收模块，系统运行高效便捷。
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率计，还包括温度传感器、数据采集卡、上位机、云服务器和远程客户端，其中
激光功率计包括激光功率检测模块；
温度传感器包括温度检测模块；
数据采集卡包括数据采集模块；
上位机包括数据获取模块、数据分析模块、第一存储模块、第一发送模块、第一接收模块、执行指令模块；
云服务器包括第二接收模块、第二存储模块、第二发送模块、第四接收模块、第四存储模块、第四发送模块；
远程客户端包括第三接收模块、第三存储模块、指令生成器、第三发送模块。
本发明的有益效果在于：采用激光功率计对激光光束的功率进行检测，采用温度传感器对激光聚焦筒上的温度进行检测，并将数据传递至上位机，上位机通过云服务器与远程客户端之间建立数据通信连接，系统安全稳定，运行高效便。
附图说明
图1为本发明实施例的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法流程图；
图2为本发明实施例的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统结构框图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:通过激光功率计检测激光器产生激光光束的功率，通过温度传感器检测激光聚焦头上的温度，通过上位机对激光功率计和温度传感器测得的数值进行分析，通过远程客户端生成激光器运行控制指令，通过云服务器建立上位机上与远程客户端之间的数据连接，实现对激光器运行状况的远程监测及远程控制，系统安全稳定，操作便捷。
本发明涉及的技术术语解释参见表1:
表1
请参照图1以及图2，本发明的技术方案为：
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，所述方法为：
激光功率计检测激光光束功率；
温度传感器检测激光聚焦头温度；
数据采集卡采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值，分析激光器故障状况，并存储和发送所述数值及激光器故障状况至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述数值及激光器故障状况至远程客户端；
远程客户端接收并存储所述数值及激光器故障状况；
远程客户端根据所述数值及激光器故障状况生成并发送激光器运行控制指令至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述激光器运行控制指令至上位机；
上位机接收并执行所述激光器运行控制指令。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过激光功率计检测激光器产生激光光束的功率数值及稳定性，通过温度传感器检测激光聚焦头上的温度数值及稳定性，通过上位机对激光功率计和温度传感器测得的数值进行分析，有效检测并判断激光器是否处于故障状态以及激光聚焦头是否在安全温度内，通过云服务器将上位机上的数据传输至远程客户端，通过远程客户端根据激光器是否处于故障状态以及激光聚焦头是否在安全温度生成激光器运行控制指令，指示激光器是否要停止产生激光光束，实现对激光器运行状况的远程监测及远程控制，操作简洁方便。
进一步的，所述远程客户端通过故障处理程序生成激光器运行控制指令。
由上述描述可知，将激光器的故障处理程序事先编辑好并存储在远程客户端中，远程客户端接收到激光器的故障状态后自动调用激光器的故障处理程序并生成激光器的运行控制指令，比如电流和电压数值改变以及停止产生激光光束等命令，操作智能化，且快速便捷。
进一步的，所述远程客户端根据用户输入命令生成激光器运行控制指令。
由上述描述可知，用户根据远程客户端接收到的激光器的故障状态，对激光器的电流、电压数值以及是否产生激光光束进行编辑，远程客户端根据用户的编辑生成激光器运行控制指令，实现对激光器故障状况的远程监测，操作便捷。
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率检测模块，还包括以下模块：
温度检测模块，用于检测激光器上激光聚焦头的温度；
数据采集模块，用于采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据获取模块，用于获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据分析模块，用于根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值分析激光器故障状况；
第一存储模块，用于存储数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第一发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
指令生成器，用于根据激光器故障状况生成激光器运行控制指令；
第三发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第四接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
第四存储模块，用于存储激光器运行控制指令；
第四发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第一接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
执行指令模块，用于执行激光器运行控制指令，控制激光器的运行状态。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：对激光光束的功率和激光聚焦筒上的温度进行检测，并将数据传递至上位机，上位机与云服务器以及云服务器与远程客户端之间的数据传输采用无线发送与无线接收模块，系统运行高效便捷。
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率计，还包括温度传感器、数据采集卡、上位机、云服务器和远程客户端，其中
激光功率计包括激光功率检测模块；
温度传感器包括温度检测模块；
数据采集卡包括数据采集模块；
上位机包括数据获取模块、数据分析模块、第一存储模块、第一发送模块、第一接收模块、执行指令模块；
云服务器包括第二接收模块、第二存储模块、第二发送模块、第四接收模块、第四存储模块、第四发送模块；
远程客户端包括第三接收模块、第三存储模块、指令生成器、第三发送模块。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用激光功率计对激光光束的功率进行检测，采用温度传感器对激光聚焦筒上的温度进行检测，并将数据传递至上位机，上位机通过云服务器与远程客户端之间建立数据通信连接，系统安全稳定，运行高效便捷。
进一步的，激光功率计检测激光器发出激光光束的功率并与数据采集卡连接，温度传感器检测激光器上激光聚焦头的温度并与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接，上位机与云服务器连接，云服务器与远程客户端连接，上位机与激光器电源连接。
由上述描述可知，激光功率计和温度传感器的数值经数据采集卡到达上位机，上位机通过云服务器建立与远程客户端的数据连接，对激光器激光功率的远程监测构建便捷、稳定、安全，且可降低运维的难度和成本。
进一步的，所述远程客户端为个人计算机或者移动终端，所述移动终端为手持式激光器操作器、智能手机、Pad中的任意一种。
由上述描述可知，个人计算机、手持式激光器操作器、智能手机、Pad均是常用的设备，使系统具有构建便捷和可广泛应用性。
请参照图1至图2，本发明的实施例一为：
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，所述方法为：
激光功率计检测激光器的激光光束功率，并将检测的激光光束功率转化为电压信号；
温度传感器检测激光器的激光聚焦头温度，并将检测的激光聚焦头温度转化为电压信号；
数据采集卡采集激光功率计和温度传感器测得的数值，并通过A/D转换将采集到的电压信号转换为数字信号；
上位机获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值，分析激光器故障状况，分析激光光束功率是否稳定，激光聚焦头的温度是否在安全范围内，并生成波形图和WORD报表；并存储和发送所述数值及激光器故障状况至云服务器；上位机与打印机连接，波形图和WORD报表中的数据通过打印机进行打印；
云服务器接收、存储并发送所述数值及激光器故障状况至远程客户端；
远程客户端接收并存储所述数值及激光器故障状况；
远程客户端根据所述数值及激光器故障状况生成并发送激光器运行控制指令至云服务器；激光器运行控制指令可根据以下情况进行调整：
若激光光束功率稳定，激光聚焦头的温度在安全范围内，则不对激光器的运行参数做调整；
设定激光光束功率跳变阀值和激光温度跳变阀值，若激光光束功率出现突然升高或者突然降低但未超过激光光束功率跳变阀值，或者激光聚焦头的温度出现突然升高或者突然降低但未超过激光温度跳变阀值，则降低激光光束的电压参数和电流参数，继续生成激光光束；
若激光光束功率出现突然升高或者突然降低且超过激光光束功率跳变阀值，或者激光聚焦头的温度出现突然升高或者突然降低且超过激光温度跳变阀值，则停止生成激光光束，不关闭上位机的电源；
云服务器接收、存储并发送所述激光器运行控制指令至上位机；
上位机接收并执行所述激光器运行控制指令，通过远程客户端产生的激光器电压参数和电流参数以及激光光束是否生成的指令对激光器进行控制。
本发明的实施例二为：
激光器采用半导体激光器，激光功率计选用最小分辨率为0.001uw的DH-JG2功率计，采用多波长(830nm、632.8nm、514.5nm、488nm、457.9nm及441.6nm)、量程从2uw-200w。根据功率与输出电压的关系：功率值P等于输出电压V0与满量程电压Vmax的比值乘以量程L：
P = Vo V max × L
上位机采用在美国虚拟仪器公司的LabVIEW中编写上位机程序，配置NI-DAQmx读写控制数据采集卡。
一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，所述方法为：
在上位机的操作面板上输入激光器信息、操作员、设备信息、预热时间、采集时间、采集间隔、激光器电压电流参数设置、功率上下限、温度上下限，并将数据发送至云服务器；
开始进行检测，上位机根据激光器电压电流参数设置给激光器提供稳定的电流，激光器被慢慢点亮，光斑照射在激光功率计的探头上；
上位机通过串口(USB总线)对数据采集卡进行初始化，并设置预热时间、采集时间、采集间隔，控制数据采集卡的在设定的预热时间后开始进行时长为采集时间、间隔为采集间隔的采集，检测激光功率计接收到激光束输出的电流和电压，温度传感器接收到聚焦头外壁温度的电压信号，并传至数据采集卡，数据采集卡数据将数据还原成实际的功率数值和温度数值，并传至上位机进行存储，并显示模块在操作界面上，且发送至云服务器；
上位机分析计算激光束功率稳定性，首先分析计算平均功率Pa、最大功率Pmax、最小功率Pmin，其次计算功率稳定性SW，公式为：
S w = ( P max - P min ) P a × 100 %
计算该次检测的激光器的功率稳定性，与该激光器的标准参数进行对比，判定是否合格，通过上位机程序将检测参数、分析结果写入到word文档中，形成固定格式的报表，通过串口总线(USB)将报表数据发送至打印机进行打印，并发送至云服务器存储；
在云服务器的空间中进行数据和报表文件存储，其中数据包括待测激光器信息、操作员、设备信息、采集时间、采集间隔、实时功率数据，等待移动终端的连接；
移动终端与云服务器建立连接：在操作界面上发送建立连接操作请求，云服务器接收到请求，执行操作事件，并返回一个“操作成功”或者“操作失败”指令；返回的指令发送至移动终端中，并显示在移动终端的操作界面上，用户可以知道操作是否成功；若操作失败，则移动终端再次发送建立连接操作请求，直至操作成功；
移动终端发送查询数据指令到云服务器，云服务器接收查询数据指令并将所存储的数据及报表文件发送至移动终端，移动终端接收并显示在其操作界面上；
移动终端生成激光器运行控制指令，并发送到云服务器，云服务器将指令通转发至上位机中，上位机通过激光器运行控制指令控制激光器的运行状态；
若上位机接收的功率数值超过或者低于设定的功率上下限，或者接收到的温度数值超过或者低于设定的温度上下限，则发送报警信号至云服务器，并开始倒计时10s；
移动终端通过云服务器接收到报警信号，生成激光器运行控制指令，如调整功率上下限或者温度上下限、终止或者暂停本次检测；
上位机超过倒计时时间10s，未接收到移动终端发送的激光器运行控制指令，上位机对激光器执行紧急停止指令，将激光器的电流降至0，从而保护激光器；
检测时间到时，上位机逐渐减小激光器的电流至零时，再降电压，最后停止对激光器供电。
综上所述，本发明提供的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法及系统，通过激光功率计检测激光器产生激光光束的功率数值及稳定性，通过温度传感器检测激光聚焦头上的温度数值及稳定性，上位机有效检测激光功率计和温度传感器测得的数值，并分析判断激光器是否处于故障状态以及激光聚焦头是否在安全温度内，通过云服务器将上位机上的数据传输至远程客户端，通过远程客户端根据激光器是否处于故障状态以及激光聚焦头是否在安全温度内生成激光器运行电压整参数、电流参数以及激光器是否生成激光光束等激光器运行控制指令，并通过云服务器传输至上位机，对激光器进行远程监测及远程控制，操作简洁方便。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，其特征在于，所述方法为：
激光功率计检测激光光束功率；
温度传感器检测激光聚焦头温度；
数据采集卡采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
上位机根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值，分析激光器故障状况，并存储和发送所述数值及激光器故障状况至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述数值及激光器故障状况至远程客户端；
远程客户端接收并存储所述数值及激光器故障状况；
远程客户端根据所述数值及激光器故障状况生成并发送激光器运行控制指令至云服务器；
云服务器接收、存储并发送所述激光器运行控制指令至上位机；
上位机接收并执行所述激光器运行控制指令。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，其特征在于，所述远程客户端通过故障处理程序生成激光器运行控制指令。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，其特征在于，所述远程客户端根据用户输入命令生成激光器运行控制指令。
4.一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率检测模块，其特征在于，还包括以下模块：
温度检测模块，用于检测激光器上激光聚焦头的温度；
数据采集模块，用于采集激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据获取模块，用于获取数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值；
数据分析模块，用于根据数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值分析激光器故障状况；
第一存储模块，用于存储数据采集卡采集的激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第一发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第二发送模块，用于发送激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三接收模块，用于接收激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
第三存储模块，用于存储激光功率计和温度传感器测得的数值及激光器故障状况；
指令生成器，用于根据激光器故障状况生成激光器运行控制指令；
第三发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第四接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
第四存储模块，用于存储激光器运行控制指令；
第四发送模块，用于发送激光器运行控制指令；
第一接收模块，用于接收激光器运行控制指令；
执行指令模块，用于执行激光器运行控制指令，控制激光器的运行状态。
5.一种基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，包括激光功率计，其特征在于，还包括温度传感器、数据采集卡、上位机、云服务器和远程客户端，其中
激光功率计包括激光功率检测模块；
温度传感器包括温度检测模块；
数据采集卡包括数据采集模块；
上位机包括数据获取模块、数据分析模块、第一存储模块、第一发送模块、第一接收模块、执行指令模块；
云服务器包括第二接收模块、第二存储模块、第二发送模块、第四接收模块、第四存储模块、第四发送模块；
远程客户端包括第三接收模块、第三存储模块、指令生成器、第三发送模块。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测系统，其特征在于，激光功率计检测激光器发出激光光束的功率并与数据采集卡连接，温度传感器检测激光器上激光聚焦头的温度并与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接，上位机与云服务器连接，云服务器与远程客户端连接，上位机与激光器电源连接。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟仪器的激光器激光功率远程监测方法，其特征在于，所述远程客户端为个人计算机或者移动终端，所述移动终端为手持式激光器操作器、智能手机、Pad中的任意一种。
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