CN106872027A - 一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路。本设计包括用于将采集到的激光器回光信号转换为电流信号的回光探测器PD、用于将回光功率电流信号转换为稳定的电压信号的I‑U转换电路、回光电压比较电路、激光器回光控制保护处理电路以及时序控制程序；针对大功率光纤激光器切割超高反射性材料时，为了避免回光过大损害激光器泵源、合束器等重要器件的问题，本设计实现了实时探测回光功率大小，并与可适应各种材料切割得到的预设值比较后，产生的回光功率报警与否信号由单片机处理，完成智能化控制。本发明电路设计抗干扰强，灵敏度高，极大地减小损失，具有实用工业价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光加工技术，具体来说是一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路。
背景技术
随着光纤激光器生产技术的日趋成熟，大功率光纤激光器已广泛应用于各种工业金属加工领域，光纤激光加工成本非常低廉，远远低于其他切割工艺。激光切割是通过高能量密度激光束瞬间熔化或汽化材料，同时利用辅助气流吹除材料形成切缝的过程，具有效率高、质量好的特点。但是，在现今的工业市场当中，高反射材料铜、铝、金的加工份额占据着非常高的比例，对于这些材料的切割难度一直是激光切割的关键问题，制约了激光切割的发展。如何解决这些难题，仍然是激光切割行业今后发展过程中的必须通过的关卡。同时由于此类材料的高反射率和自身物理特性，对光纤激光切割机的激光器重要组成器件损伤比较严重，大大降低了激光器的使用寿命。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是设计一种激光器回光探测及其保护电路，其抗干扰强，灵敏度高，能有效避免误报和漏报现象，极大地减小损失，保障产品性能，获得更多盈利增长，具有实用工业价值。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：包括用于将采集到的激光器回光信号转换为电流信号的回光探测器PD、用于将回光功率电流信号转换为稳定的电压信号的I-U转换电路、回光电压比较电路、激光器回光控制保护处理电路以及时序控制程序；其中，回光探测器PD与I-U转换电路连接，I-U转换电路与回光电压比较电路连接，回光电压比较电路与激光器回光控制保护处理电路连接，激光器回光控制保护处理电路连接光纤激光器。
本发明所述时序控制程序执行以下操作：
一、设置回光报警参考电压VREF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；
二、配置B路DAC输入DATA=（01010011010）B；
三、采样回光信号V7；
四、判断采样回光信号V7是否大于回光报警参考电压VREF；
五、判断采样回光信号V7若大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0001，控制信号turn off置1，关闭出光信号，停止激光器切割；
六、判断采样回光信号V7若未大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0000，程序返回步骤三继续操作。
本发明所产生的有益效果是：针对大功率光纤激光器切割超高反射性材料时，为了避免回光过大损害激光器泵源、合束器等重要器件的问题，本设计实现了实时探测回光功率大小，并与可适应各种材料切割得到的预设值比较后，产生的回光功率报警与否信号由单片机处理，完成智能化控制。本发明电路设计抗干扰强，灵敏度高，极大地减小损失，具有实用工业价值。
附图说明
图1为本发明电路连接原理框图；
图2为图1中I-U转换电路原理图；
图3为图1中回光电压比较电路原理图；
图4图1中回光功率报警参考电压控制电路原理图；
图5为图1中截为上部分的激光器回光控制保护处理电路原理图；
图6为图1中截为下部分的激光器回光控制保护处理电路原理图；
图7为本发明时序控制程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明：
如图1所示，本发明的工作原理为：InGaAs PIN光电探测器PD将不同的激光器回光信号转换为电流信号，经运算放大器POA4340组成I-U转换电路采样不同的回光功率电压，转换为稳定的电压幅值信号，然后输出给LM2901组成的回光电压比较电路与预设保护电压比较，最后将比较信号上传主控芯片STM32F407ZG，由其内部ADC模块处理后，转换为数字信号，完成回光信号的实时采集和报警保护处理，实现激光器回光过大保护功能。
如图2所示，本发明的I-U转换电路包括POA4340两级运算放大器，即前级运算放大器U4A、后级电压跟随器U4B，前级运算放大器U4A的3脚与电容C1的一端、电阻R1的一端、回光探测器PD的N端连接，回光探测器PD的P端接地，电阻R1的另一端与电容C1的另一端连接，然后又与前级运算放大器U4A的1脚连接，前级运算放大器U4A的1脚又通过电阻R2连接到后级电压跟随器U4B的5脚，前级运算放大器U4A的8脚接电源5V，2脚和4脚分别接地，后级电压跟随器U4B的6脚和7脚连接，并通过电阻R3输出回光率电压信号S-H。
本发明选用的InGaAs PIN光电探测器具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器PD，其吸收谱为1000~1600nm，响应度 R为0.90A/W，即光电探测器PD产生的光电流Ip与入射光功率Pr比，则根据响应度公式可知当前回光功率大小Pr=Ip/R，此处利用PD探测器的反向工作原理。光电探测器PD探测到的激光器回光电流，经I-U转换电路前级运算放大网络中电阻R1流入前级运算放大器U4A的3端口，此时的回光电流信号给电容C1充电，使输出逐渐等于输入，而不同的激光器回光功率电流大小，电容C1充放电时间不同，因此可得到不同采样电压幅值信号V1。采样电压幅值信号V1再经后级电压跟随器U4B输出稳定的电压幅值信号V7，即V7=V1。
如图3所示，本发明的回光电压比较电路包括LM2901比较器U5B，比较器U5B的7脚连接由I-U转换电路的电阻R3输出的回光率电压信号S-H，同时连接电容C2的一端、电容C2的一端、电阻R12的一端，电容C2的另一端接地，电阻R12的另一端连接电阻R22的一端，同时又连接比较器U5B的1脚，电阻R22的另一端接电源3.3V，比较器U5B的1脚通过电阻R32输出比较后信号PD_CMP。
本发明的回光电压比较电路是比较器LM2901组成的迟滞反馈电压比较电路，反相端通过电阻R12与输出端相连，同相输入端由单片机信号U10DACB控制，即参考电压VREF。根据电路原理可知，回光输入电压信号即V7，若V7<VREF，则输出Vout为低电平L（0V），即回光功率信号正常，当单片机接收到输出端低电平，由其内部ADC模块处理后，转换为数字信号0，则出光正常，激光器正常进行切割；反之，当V7>VREF，则此时的输出Vout为高电平H（3.3V），即回光功率信号过大，超过激光器内部器件所能承受的极限范围。
如图4所示，本发明的回光报警参考电压控制电路包括四路8bit TLV5620I数模转换器U10，其1脚与电容C165的一端连接后接地，电容C165的另一端与数模转换器U10的2脚和5脚及可调电位器RT3的滑动端连接，可调电位器RT3的一端连接可调并联稳压二极管Q11的1脚、电容C200的一端、电阻R245的一端，可调电位器RT3的另一端与电容C200的另一端连接后接地，电阻R245的另一端接电源5V_2，电阻R245的一端又连接可调并联稳压二极管Q11的2脚，可调并联稳压二极管Q11的3脚接地；数模转换器U10的3脚、4脚连接后接可调电位器RT4的一端、电容C196的一端；可调并联稳压二极管Q16的1脚和2脚、电容C195的一端、电阻R47的一端，电阻R47的另一端接电源5V_2，电容C195的另一端、可调并联稳压二极管Q16的3脚、可调电位器RT4的另一端、电容C196的另一端连接后接地；数模转换器U10的11脚连接回光电压比较电路中比较器U5B 的6脚。
本发明的回光功率报警参考电压控制电路将上位机设置的回光比较参考数字量串行输入转换器TLV5620I，通过高精度调节器TL431及可调电位器RT4提供2.5倍基准电压REF，转换成与对应数字量CODE成正比的模拟电压输出，即VO(U10DACB)=REF*(CODE)/256*(1+RNG)，
其中RNG为控制回光功率报警模拟电压的输出范围，是基准电压的0或1倍；CODE为8bit数据，对应0～255。
本发明的回光电压信号采样值（见下表），对不同的切割材料需要针对其性能做不同的工艺调试和应用组合，通过多次的工艺实验，得到最优的验证结果。此参考电压值VREF即经过实际切割得到，所用的光源为1080nm波长，输出功率为1000W的光纤激光器，根据测试结果，可知报警时回光功率Palarm与正常回光功率之间的关系，即Palarm=(Vref1/VS-H)*P，Vref1为回光报警阈值电压。若PD探测回光功率P转换的输入电压值VS-H设为0.8V，则得到的Vref1再乘以报警承受因子0.8即为所得报警电压值1.5V，因此，本发明比较器由主控芯片下发的回光功率报警参考电压VREF最终优化值为1.5V。
如图5、6所示，激光器回光控制保护处理电路包括STM32F407ZG主控芯片U20、进行程序下载的Header5X2端口JTAG，主控芯片U20的16脚、17脚、30脚、31脚、38脚、39脚、51脚、52脚、61脚、62脚、72脚、83脚、84脚、94脚、95脚、130脚、131脚、144脚接VDD3.3V，主控芯片U20的25脚连接电阻R452的一端、电容C418的一端，电阻R452的另一端接VDD3.3V，电容C418的另一端接地，主控芯片U20的143脚连接电阻R422的一端、电阻R421的一端，电阻R422的另一端接VDD3.3V，电阻R421的另一端接地，主控芯片U20的138脚通过电阻R395接地；端口JTAG的1脚、2脚连接后接VDD3.3V，3脚接主控芯片U20的109脚，4脚接主控芯片U20的105脚，5脚接主控芯片U20的133脚，6脚接主控芯片U20的110脚，7脚接主控芯片U20的134脚，9脚接主控芯片U20的25脚，8脚、10脚连接后接地；晶振Y1的1脚连接主控芯片U20的24脚，同时又连接电容C331的一端，2脚连接主控芯片U20的23脚，同时又连接电容C332的一端，电容C331的另一端、电容C332的另一端连接后接地；主控芯片U20的55脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的8脚，54脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的6脚，53脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的7脚。
本发明的主控芯片STM32F407ZG及其外围控制电路，使用JTAG端口进行程序下载，JTMS、JTCK、JTDO、JTDI分别是JTAG模式选择、时钟、数据输入和数据输出接口线，与PC端对应仿真器接口相连，只要用JTAG指令将数据、地址及控制信号配置到串行移位寄存器BSC激活，就能通过边界扫描接口线将对应的引脚信息下载给主控芯片的Flash，实现对Flash的操作。外部使用25MHz晶振，设计时应该尽量保持走线最短，避免电磁干扰及寄生电容，同时晶振并联两个22pf电容接地，提高信号强度、减少信号噪声，提供稳定的时钟振荡电路。
如图7所示，本发明的时序控制程序执行以下操作：
一、设置回光报警参考电压VREF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；
二、配置B路DAC输入DATA=（01010011010）B；
三、采样回光信号V7；
四、判断采样回光信号V7是否大于回光报警参考电压VREF；
五、判断采样回光信号V7若大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0001，控制信号turn off置1，关闭出光信号，停止激光器切割；
六、判断采样回光信号V7若未大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0000，程序返回步骤三继续操作。
本发明的主控芯片STM32F407ZG配置好回光功率比较信号(01010011010)B，串行输入给DAC数模转换电路TLV5620I，其中二进制信号01010011010的高两位是四路DAC的B通道选通位，第三位是DAC输出范围控制位RNG，即提供1倍基准电压转换输入信号；后8位为数据位，对应输出的回光功率参考电压模拟量VREF为1.5V。将采样保持后回光电流转换为电压信号V7，经回光电压比较电路与VREF进行比较后得到所需报警信号，输出给主控芯片STM32F407ZG内部ADC模块处理，启动其内部AD转换。若主控芯片STM32F407ZG接收到输出端PD_CMP为低电平，转换为数字信号0X0000，则激光器正常切割；若接收到输出端PD_CMP为高电平，转换为数字信号0X0001，则下发一个控制信号turn off，关闭出光信号，停止激光器切割，完成回光信号的实时采集和报警保护处理，实现激光器回光过大保护功能。
Claims (5)
1.一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：包括用于将采集到的激光器回光信号转换为电流信号的回光探测器PD、用于将回光功率电流信号转换为稳定的电压信号的I-U转换电路、回光电压比较电路、激光器回光控制保护处理电路以及时序控制程序；其中，回光探测器PD与I-U转换电路连接，I-U转换电路与回光电压比较电路连接，回光电压比较电路与激光器回光控制保护处理电路连接，激光器回光控制保护处理电路连接光纤激光器；
所述时序控制程序执行以下操作：
一、设置回光报警参考电压VREF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；
二、配置B路DAC输入DATA=（01010011010）B；
三、采样回光信号V7；
四、判断采样回光信号V7是否大于回光报警参考电压VREF；
五、判断采样回光信号V7若大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0001，控制信号turn off置1，关闭出光信号，停止激光器切割；
六、判断采样回光信号V7若未大于回光报警参考电压VREF，则控制芯片内部AD转换为数字信号，PD＿CMP=0X0000，程序返回步骤三继续操作。
2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：I-U转换电路包括POA4340两级运算放大器，即前级运算放大器U4A、后级电压跟随器U4B，前级运算放大器U4A的3脚与电容C1的一端、电阻R1的一端、回光探测器PD的N端连接，回光探测器PD的P端接地，电阻R1的另一端与电容C1的另一端连接，然后又与前级运算放大器U4A的1脚连接，前级运算放大器U4A的1脚又通过电阻R2连接到后级电压跟随器U4B的5脚，前级运算放大器U4A的8脚接电源5V，2脚和4脚分别接地，后级电压跟随器U4B的6脚和7脚连接，并通过电阻R3输出回光率电压信号S-H。
3.根据权利要求2所述的一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：回光电压比较电路包括LM2901比较器U5B，比较器U5B的7脚连接由I-U转换电路的电阻R3输出的回光率电压信号S-H，同时连接电容C2的一端、电容C2的一端、电阻R12的一端，电容C2的另一端接地，电阻R12的另一端连接电阻R22的一端，同时又连接比较器U5B的1脚，电阻R22的另一端接电源3.3V，比较器U5B的1脚通过电阻R32输出比较后信号T1 CMP。
4.根据权利要求3所述的一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：回光报警参考电压控制电路包括四路8bit TLV5620I数模转换器U10，其1脚与电容C165的一端连接后接地，电容C165的另一端与数模转换器U10的2脚和5脚及可调电位器RT3的滑动端连接，可调电位器RT3的一端连接可调并联稳压二极管Q11的1脚、电容C200的一端、电阻R245的一端，可调电位器RT3的另一端与电容C200的另一端连接后接地，电阻R245的另一端接电源5V_2，电阻R245的一端又连接可调并联稳压二极管Q11的2脚，可调并联稳压二极管Q11的3脚接地；数模转换器U10的3脚、4脚连接后接可调电位器RT4的一端、电容C196的一端；可调并联稳压二极管Q16的1脚和2脚、电容C195的一端、电阻R47的一端，电阻R47的另一端接电源5V_2，电容C195的另一端、可调并联稳压二极管Q16的3脚、可调电位器RT4的另一端、电容C196的另一端连接后接地；数模转换器U10的11脚连接回光电压比较电路中比较器U5B 的6脚。
5.根据权利要求4所述的一种高功率光纤激光器回光探测及其保护电路，其特征在于：激光器回光控制保护处理电路包括STM32F407ZG主控芯片U20、进行程序下载的Header5X2端口JTAG，主控芯片U20的16脚、17脚、30脚、31脚、38脚、39脚、51脚、52脚、61脚、62脚、72脚、83脚、84脚、94脚、95脚、130脚、131脚、144脚接VDD3.3V，主控芯片U20的25脚连接电阻R452的一端、电容C418的一端，电阻R452的另一端接VDD3.3V，电容C418的另一端接地，主控芯片U20的143脚连接电阻R422的一端、电阻R421的一端，电阻R422的另一端接VDD3.3V，电阻R421的另一端接地，主控芯片U20的138脚通过电阻R395接地；端口JTAG的1脚、2脚连接后接VDD3.3V，3脚接主控芯片U20的109脚，4脚接主控芯片U20的105脚，5脚接主控芯片U20的133脚，6脚接主控芯片U20的110脚，7脚接主控芯片U20的134脚，9脚接主控芯片U20的25脚，8脚、10脚连接后接地；晶振Y1的1脚连接主控芯片U20的24脚，同时又连接电容C331的一端，2脚连接主控芯片U20的23脚，同时又连接电容C332的一端，电容C331的另一端、电容C332的另一端连接后接地；主控芯片U20的55脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的8脚，54脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的6脚，53脚连接回光功率报警参考电压控制电路中数模转换器U10的7脚。
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