CN109921274A - 激光器光路的保护电路及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光器光路的保护电路及保护方法。通过获取模块根据光路能量密度值与第一预设阈值进行运算获取超额能量密度值，继而积分模块将超额能量密度值通过积分运算实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值，控制模块在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，维持当前工作状态，即使电路中能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

Description

激光器光路的保护电路及保护方法

技术领域

本发明涉及激光器研发设计领域，特别是涉及一种激光器光路的保护电路及保护方法。

背景技术

激光器，尤其高功率激光器，在激光加工系统中是必不可少的激光光源设备。目前常见的激光器，包括二氧化碳激光器、光纤激光器、直接半导体激光器等，输出的激光在其光路传输过程中，都必须依赖于镜片或者光纤等部件所组成的光路来引导目标激光的传输方向。在传输过程中，若激光能量密度超过限制值达到一定程度时可能会导致该部分部件烧毁，造成激光器故障并极可能带来严重损失，所以对于该部分光路部件的保护成为激光器研发领域的一项重要工作。

然而，示例性的保护措施一般采用直接阈值比较的方式，在采集的激光能量密度超过设定值时立即报警切断激光输出以保护光路不受损害或最大限度减轻损害。然而大多数情况下，由于被加工材料反射回来的激光和正常输出激光能量叠加，经常出现非常短暂的超过光路限制值的强光脉冲，因时间及其短暂，对光路部件并不会造成伤害，但是却会引起保护电路频繁报警，严重影响客户使用的感受和生产工作效率。

发明内容

基于此，有必要针对示例性的激光器光路由于出现非常短暂的超过光路限制值的强光脉冲而引起保护电路频繁报警，严重影响客户使用的感受和生产工作效率的问题，提供一种激光器光路的保护电路及保护方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光器光路的保护电路，包括：

获取模块，用于根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值；

积分模块，连接所述获取模块，用于将所述超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值；

控制模块，连接所述积分模块，用于在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

在其中一个实施例中，所述控制模块包括：

比较单元，连接所述积分模块，用于在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号；

执行单元，连接所述比较单元，根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。

在其中一个实施例中，所述第一信号为高电平信号，所述第二信号为低电平信号。

在其中一个实施例中，所述比较单元包括：

比较器B1；

所述比较器B1的正相输入端接入所述超额能量积分值，所述比较器B1的反相输入端接入第二预设阈值，所述比较器B1的输出端连接所述执行单元。

在其中一个实施例中，所述获取模块包括：

采集单元，用于实时采集所述光路能量密度值；

求差单元，连接所述采集单元，用于根据所述光路能量密度值和第一预设阈值之间的差值获取所述超额能量密度值。

在其中一个实施例中，所述差值与所述超额能量密度值呈倍数关系。

在其中一个实施例中，所述求差单元包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器T1；

所述电阻R1的第一端输入所述光路能量密度值，所述电阻R2的第一端输入所述第一预设阈值，所述电阻R1的第二端、所述电阻R4的第一端以及所述运算放大器T1的反相输入端共接，所述电阻R2的第二端、所述电阻R3的第一端以及所述运算放大器T1的正相输入端共接，所述电阻R4的第二端与所述运算放大器T1的输出端共接输出所述超额能量密度值，所述电阻R3的第二端接地。

在其中一个实施例中，所述积分模块包括：

电阻R5、电容C1以及运算放大器T2；

所述电阻R5的第一端接入所述超额能量密度值，所述电阻R5的第二端、所述电容C1的第一端以及所述运算放大器T2的反相输入端共接，所述电容C1的第二端与所述运算放大器T2的输出端共接输出所述超额能量积分值，所述运算放大器T2的正相输入端接地。

上述保护电路，通过获取模块根据实时采集的光路能量密度值与第一预设阈值进行运算获取超额能量密度值，继而积分模块将超额能量密度值通过积分运算实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值，由此，控制模块将超额能量积分值与第二预设阈值进行比较，并在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，维持当前工作状态，即使电路中能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

为了实现本发明的目的，本发明还采用如下技术方案：

一种激光器光路的保护方法，包括：

根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值；

将所述超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值；

在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

在其中一个实施例中，在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态的步骤，包括：

在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号；

根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。

附图说明

图1为一实施例中激光器光路的保护电路的系统结构图；

图2为一实施例中对应图1获取模块的具体结构图；

图3为一实施例中对应图2求差单元的电路示意图；

图4为一实施例中对应图1积分模块的电路示意图；

图5为一实施例中对应图1控制模块的具体结构图；

图6为一实施例中对应图5比较单元的电路示意图；

图7为一实施例中激光器光路的保护方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

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。

参见图1，图1为一实施例中激光器光路的保护电路的系统结构图。

在本实施例中，保护电路用于保护激光器光路，包括激光器和各个光路部件，激光器将可控电能转换为激光能量，由光路部件将激光器输出的激光传输到加工点进行加工作业。其中，激光器包括二氧化碳激光器、光纤激光器以及直接半导体激光器。具体地，该保护电路包括获取模块110、积分模块120以及控制模块130。

获取模块110，用于根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值。

积分模块120，连接获取模块110，用于将超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值。

控制模块130，连接积分模块120，用于在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

在本实施例中，获取模块110用于实时采集光路能量密度值，并将光路能量密度值与第一预设阈值进行运算获取超额能量密度值。其中，光路能量密度值是指从光路系统中实时采集获得的激光能量密度，第一预设阈值是指设定的被保护的激光器光路连续工作可承受的能量密度阈值，超额能量密度值为光路能量密度值相对于第一预设阈值差值的1倍或多倍。

在一实施例中，获取模块110将光路能量密度值与第一预设阈值进行求差运算获得差值，通过差值获取超额能量密度值。其中差值与超额能量密度值呈倍数关系。具体地，参见图2，获取模块110包括采集单元1101和求差单元1102。

其中，采集单元1101用于实时采集光路能量密度值，并将光路能量密度值输出至求差单元1102。采集单元包括传感器，例如PD传感器。

其中，求差单元1102连接采集单元1101，用于根据光路能量密度值和第一预设阈值之间的差值获取超额能量密度值。

在一实施例中，参见图3，求差单元1102包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器T1。电阻R1的第一端输入光路能量密度值V_ed，电阻R2的第一端输入第一预设阈值V_edt，电阻R1的第二端、电阻R4的第一端以及运算放大器T1的反相输入端共接，电阻R2的第二端、电阻R3的第一端以及运算放大器T1的正相输入端共接，电阻R4的第二端与运算放大器T1的输出端共接输出超额能量密度值，电阻R3的第二端接地。

其中，电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4满足关系式：R4/R1＝R3/R2＝A，A为常数，A具体指求差单元1102的放大倍数；光路能量密度值V_ed和第一预设阈值V_edt满足关系式：V_over＝V_ed-V_edt，其中，V_over指溢出值；超额能量密度值为A(V_edt-V_ed)＝-AV_over，通过电阻值参数的改变可以调节超额能量密度值。

由此，求差单元1102通过电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器T1将输入的光路能量密度值和第一预设阈值相减，并将光路能量密度值和第一预设阈值之间的差值进行放大倍数，实现超额能量密度值的计算获取；同时，求差单元1102使用硬件电路实现求差运算，信号处理实时性可以得到保障。

在本实施例中，积分模块120用于接收超额能量密度值，并进行积分运算，实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值。

在一个实施例中，参见图4，积分模块120包括电阻R5、电容C1以及运算放大器T2。电阻R5的第一端接入超额能量密度值-AV_over，电阻R5的第二端、电容C1的第一端以及运算放大器T2的反相输入端共接，电容C1的第二端与运算放大器T2的输出端共接输出超额能量积分值V_ep，运算放大器T2的正相输入端接地。

其中，超额能量密度值-AV_over和超额能量积分值V_ep满足关系式：化简关系式为：通过调节电阻R5、电容C1参数的改变，可以调节超额能量积分值。

由此，积分模块120通过电阻R5、电容C1以及运算放大器T2实现超额能量积分值的计算获取，使获得的数值结果更加稳定可靠；同时，积分模块120使用硬件电路实现积分运算，信号处理实时性可以得到保障。

在本实施例中，控制模块130接收积分模块120输出的超额能量积分值，将超额能量积分值与第二预设阈值进行比较，快速输出比较结果，并根据比较结果执行相应动作。其中，第二预设阈值是指设定的超额能量阈值，作为报警点对应的数值。

具体地，在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光器光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，电路此时正常运行，维持当前工作状态，即使电路中能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

在一个实施例中，参见图5，控制模块130包括比较单元1301和执行单元1302。

比较单元1301连接积分模块120，用于在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号。执行单元1302连接比较单元1301，根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。在一实施例中，第一信号和第二信号为电平状态互为相反的电平信号；可选地，第一信号可以为高电平信号，第二信号为低电平信号；或者，第一信号可以为低电平信号，第二信号为高电平信号，具体根据实际应用电路进行选取设定。

在一实施例中，参见图6，比较单元1301包括比较器B1。比较器B1的正相输入端接入超额能量积分值V_ep，比较器B1的反相输入端接入第二预设阈值V_et，比较器B1的输出端连接执行单元1302，输出V_alarm。在一实施例中，执行单元1302包括声报警器、光报警器和声光报警器中的一种或多种，执行单元1302在超额能量积分值大于第二预设阈值时，通过声音发出报警，或者通过不同频率或者颜色的光进行闪烁发出报警，或者同时结合声光进行报警，从而指示激光器系统紧急切断光源输出。

具体地，以第一信号为高电平信号(逻辑1)，第二信号为低电平信号(逻辑0)，执行单元1302为声光报警器为例进行说明。比较器B1的正相输入端接入超额能量积分值V_ep，反相输入端接入第二预设阈值V_et。若V_ep＞V_et，则比较器B1的输出端输出V_alarm＝逻辑1，则声光报警器输出声光报警；若V_ep＜V_et，则比较器B1的输出端输出V_alarm＝逻辑0，则声光报警器不执行动作，没有输出声光报警，此时电路正常运行，电路中即使能量密度超过设定阈值也不会输出报警，光路正常运行；若V_ep＝V_et，则比较器B1的输出端输出的逻辑信号不确定，可能为逻辑1，也可能为逻辑0，此时处于报警与不报警的临界状态，由于该时刻点极短，造成的报警或不报警概率极低，也不会造成不良后果，因此执行单元1302可以忽略该状态。

需要说明的是，本实施例中第一预设阈值和第二预设阈值均可以通过软件输出调节的方式进行设定，也可以是硬件设定或者硬件电路调节的方式进行设定，甚者也可以是通过软硬结合的方式进行设定。在实际使用中，第一预设阈值和第二预设阈值可以设定之后保持不变，也可以根据工作模式或工作状态等进行实时动态调整。通过第一预设阈值和第二预设阈值的设定，可以调节保护电路的保护范围及灵敏度，保障保护电路功能稳定、可靠以及按需调节。

需要说明的是，上述实施例并不限于上述模块，还可以根据实际需求增加其他功能模块，例如为了实现保护电路对自身电路器件的保护，可以增加静电防护模块或者钳位保护模块等。

本实施例提供的保护电路，通过获取模块根据实时采集的光路能量密度值与第一预设阈值进行运算获取超额能量密度值，继而积分模块将超额能量密度值通过积分运算实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值，由此，控制模块将超额能量积分值与第二预设阈值进行比较，并在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光器光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，维持当前工作状态，即使电路中能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

参见图7，图7为一实施例中对应如上实施例所述保护电路的保护方法的方法流程图。

在本实施例中，该保护方法包括步骤S101、步骤S102以及步骤S103。详述如下：

在步骤S101中，根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值。

在一实施例中，步骤S101包括步骤S1011和步骤S1012。

步骤S1011，实时采集光路能量密度值。

步骤S1012，根据光路能量密度值和第一预设阈值之间的差值获取超额能量密度值。

由此，步骤S101通过步骤S1011和步骤S1012将光路能量密度值与第一预设阈值进行求差运算获取超额能量密度值。

其中，步骤S101、步骤S1011以及步骤S1012分别由获取模块、采集单元以及求差单元对应执行，具体描述参见上一实施例，在此不再赘述。

在步骤S102中，将超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值。

具体地，步骤S102由积分模块对应执行，具体描述参见上一实施例，在此不再赘述。步骤S102通过对超额能量密度值进行积分运算，实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值。

在步骤S103中，在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

由此，步骤S103通过将超额能量积分值与第二预设阈值进行比较，在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光器光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，电路此时正常运行，维持当前工作状态，即使电路中能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

在一实施例中，步骤S103包括步骤S1031和步骤S1032。

步骤S1031，在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号。

步骤S1032，根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。

其中，步骤S103、步骤S1031以及步骤S1032分别由控制模块、比较单元以及执行单元对应执行，具体描述参见上一实施例，在此不再赘述。

本发明实施例提供的保护方法，通过根据实时采集的光路能量密度值与第一预设阈值进行运算获取超额能量密度值，继而将超额能量密度值通过积分运算实现对超额能量密度值的转换，以获得数值结果更加稳定可靠的超额能量积分值，并将超额能量积分值与第二预设阈值进行比较，在超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，指示激光器系统切断光源输出，保护激光器光路部件避免损伤或最大限度降低损伤程度；在超额能量积分值小于第二预设阈值时，维持当前工作状态，即使能量密度值超过第一预设阈值也不会输出报警，光路正常运行，避免出现异常报警情况。从而，使得光路保护报警机制更加科学合理，最大限度降低误报警可能，保障客户使用感受，提高机器生产效率。

应该理解的是，虽然上述实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也并非都需要依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (10)

1.一种激光器光路的保护电路，其特征在于，包括：

获取模块，用于根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值；

积分模块，连接所述获取模块，用于将所述超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值；

控制模块，连接所述积分模块，用于在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述控制模块包括：

比较单元，连接所述积分模块，用于在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号；

执行单元，连接所述比较单元，根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。

3.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述第一信号为高电平信号，所述第二信号为低电平信号。

4.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述比较单元包括：

比较器B1；

所述比较器B1的正相输入端接入所述超额能量积分值，所述比较器B1的反相输入端接入第二预设阈值，所述比较器B1的输出端连接所述执行单元。

5.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述获取模块包括：

采集单元，用于实时采集所述光路能量密度值；

求差单元，连接所述采集单元，用于根据所述光路能量密度值和第一预设阈值之间的差值获取所述超额能量密度值。

6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述差值与所述超额能量密度值呈倍数关系。

7.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述求差单元包括：

电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及运算放大器T1；

所述电阻R1的第一端输入所述光路能量密度值，所述电阻R2的第一端输入所述第一预设阈值，所述电阻R1的第二端、所述电阻R4的第一端以及所述运算放大器T1的反相输入端共接，所述电阻R2的第二端、所述电阻R3的第一端以及所述运算放大器T1的正相输入端共接，所述电阻R4的第二端与所述运算放大器T1的输出端共接输出所述超额能量密度值，所述电阻R3的第二端接地。

8.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述积分模块包括：

电阻R5、电容C1以及运算放大器T2；

所述电阻R5的第一端接入所述超额能量密度值，所述电阻R5的第二端、所述电容C1的第一端以及所述运算放大器T2的反相输入端共接，所述电容C1的第二端与所述运算放大器T2的输出端共接输出所述超额能量积分值，所述运算放大器T2的正相输入端接地。

9.一种激光器光路的保护方法，其特征在于，包括：

根据实时采集的光路能量密度值和第一预设阈值获取超额能量密度值；

将所述超额能量密度值进行积分运算，获取超额能量积分值；

在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态。

10.根据权利要求9所述的保护方法，其特征在于，在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出报警，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时维持当前工作状态的步骤，包括：

在所述超额能量积分值大于第二预设阈值时输出第一信号，在所述超额能量积分值小于第二预设阈值时输出第二信号；

根据第一信号输出警报，根据第二信号维持当前工作状态。