CN111473863A - 一种腔内紧凑型激光功率计及其控制方法 - Google Patents

一种腔内紧凑型激光功率计及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及腔内紧凑型激光功率计及控制方法,包含安装支架、光电探头和PCB模块,安装支架包含横板和竖板,竖板上开设有通孔,通孔内固定滤光片,PCB模块安装于竖板的一侧,光电探头焊接在PCB模块上,光电探头与通孔处的滤光片正对。安装支架固定于激光器腔内,激光脉冲垂直射入滤光片,滤光片滤除杂散光,降低背景噪声,激光透过滤光片之后,射入光电探头,光电探头与PCB模块的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出。实现激光器腔内测功率,功率计小型化,光电探头与PCB模块的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出;入射激光功率为激光器输出功率的1%,不会引起激光功率计发热,因此无需采用风扇或水路进行冷却。

Description

一种腔内紧凑型激光功率计及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种腔内紧凑型激光功率计及其控制方法。
背景技术
在工业激光器加工应用中,都需要实时关注激光功率的变化,并且根据产品的工艺参数对激光器进行功率调节,而且激光功率计日益趋向于集成在激光器内部,目前一般激光功率计大多采用如Ophir、Laserpoint、Thorlabs等品牌,但是现有的功率计相对于激光器腔体内部允许的空间来说体积较大,而且不易集成在激光器控制系统中,尤其在当前激光器尺寸越来越紧凑的情况下,因此需要设计开发一种简易、小尺寸、易于集成的激光功率计。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种腔内紧凑型激光功率计及其控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种腔内紧凑型激光功率计,特点是:包含安装支架、光电探头、PCB模块以及滤光片,所述安装支架包含横板和竖板,竖板上开设有通孔,通孔内固定滤光片,PCB模块安装于竖板的一侧,光电探头焊接在PCB模块上,光电探头与通孔处的滤光片正对。
进一步地,上述的一种腔内紧凑型激光功率计,其中,所述安装支架呈L形结构,其横板上开设有用于与激光器连接固定的螺丝孔。
进一步地,上述的一种腔内紧凑型激光功率计,其中,安装支架的竖板上开设有上螺丝孔和下螺丝孔,上螺丝穿过PCB模块旋入上螺丝孔,下螺丝穿过PCB模块旋入下螺丝孔,PCB模块平行置于竖板的内侧并与竖板间留有间距。
进一步地,上述的一种腔内紧凑型激光功率计,其中,所述PCB模块包含运算放大器和模数转换器,光电探头负极与电阻一相连接,光电探头正极与电阻二相连接,光电探头的管壳地与电源地连接,电阻一一端与光电探头负极连接,另一端与电源模块一连接,电容一一端与电源地连接,另一端连接电阻一和光电探头负极,同轴电缆连接器一端接地,另一端与光电探头正极、电阻二一端连接,电容二一端接地,另一端与电阻二一端以及运算放大器的正输入端连接,运算放大器的负端与电阻五以及电阻四的一端连接,运算放大器的输出端与电阻五以及电容三、电容四的一端连接,运算放大器的电源正端连接电源模块一,电源负端连接电源模块二,电阻四的一端连接电阻五,另一端连接可调电阻三的可调端,可调电阻三的一端连接电源模块一,另一端连接电源模块二,电容三的一端连接运算放大器的输出端和电容四的一端,另一端接地,电容四的一端连接运算放大器的输出端和模数转换器的输入端,另一端接地,模数转换器的输入端连接电容四的一端,模数转换器的数据通信端连接I2C总线接口。
本发明激光功率控制方法,安装支架固定于激光器腔内,激光脉冲垂直射入滤光片,滤光片滤除杂散光,降低背景噪声,激光透过滤光片之后,射入光电探头,光电探头与PCB模块的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出。
更进一步地,上述的激光功率控制方法,所述PCB模块包含运算放大器和模数转换器,光电探头负极与电阻一相连接,光电探头正极与电阻二相连接,光电探头的管壳地与电源地连接,电阻一一端与光电探头负极连接,另一端与电源模块一连接,电容一一端与电源地连接,另一端连接电阻一和光电探头负极,同轴电缆连接器一端接地,另一端与光电探头正极、电阻二一端连接,电容二一端接地,另一端与电阻二一端以及运算放大器的正输入端连接,运算放大器的负端与电阻五以及电阻四的一端连接,运算放大器的输出端与电阻五以及电容三、电容四的一端连接,运算放大器的电源正端连接电源模块一,电源负端连接电源模块二,电阻四的一端连接电阻五,另一端连接可调电阻三的可调端,可调电阻三的一端连接电源模块一,另一端连接电源模块二,电容三的一端连接运算放大器的输出端和电容四的一端,另一端接地,电容四的一端连接运算放大器的输出端和模数转换器的输入端,另一端接地,模数转换器的输入端连接电容四的一端,模数转换器的数据通信端连接I2C总线接口;
激光脉冲射入光电探头后,电源模块一、电阻一和电阻二构成的通路形成反向电流,在电阻二上产生电压,实现光信号转为电信号,在不同频率的激光脉冲照射下,电阻二上产生不同频率的脉冲电压信号,电容一对光电探头进行电源滤波;
电阻二上的脉冲波形可通过同轴电缆连接器输出,接入示波器观察脉冲波形,测量激光脉宽,判断功率计的光电探头有无异常,同时也可接入控制系统的频率信号输入端,测量激光脉冲频率;
脉冲电压信号经过电容二后输入运算放大器的正输入端,电容二滤除杂波和噪声,信号输入到运算放大器后进行放大,运算放大器和电阻四以及电阻五构成同相比例放大电路,放大倍数为F=1+R5/R4,R5指电阻五的阻值,R4指电阻四的阻值,经过放大后的脉冲电压经过电容三进行整流滤波以及电容四的平滑滤波后输出直流信号;如输入激光为连续光时,经过光电探头后,转换的电信号也是直流信号,经过运算放大器放大后,幅值变大;
电阻四、电阻五构成负反馈电路,可调电阻三的可调端连接电阻四一端,可调电阻三用于调零,使功率计的零点输出,可调电阻三的两端分别接电源模块一和电源模块二;
经过电容三和电容四整流滤波的直流信号输入到模数转换器,进行信号转换,模数转换器的数据线和时钟线连接到I2C总线接口;将I2C总线接口连接到激光器的控制系统中,可实时读取对应的功率转换数字量。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果,具体体现在以下方面:
①本发明实现激光器腔内测功率,功率计小型化,光电探头与PCB模块的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出;入射激光功率为激光器输出功率的1%,不会引起激光功率计发热,因此无需采用风扇或水路进行冷却;
②对连续激光以及脉冲激光进行采集测量;对激光脉冲的光电转化,且对信号进行整流滤波,实现调零功能;易于集成于控制系统的数据通信方式,通过带内部集成电路总线,即I2C总线的模数转换器(A/D),通过功率计上的接口与控制系统进行数据通讯;
③实现便于进行诊断功能输出接口,该接口可方便用户判断功率计感应探头有无异常,同时也可以对激光器脉冲频率进行监测,光脉冲稳定性进行分析;
④易于集成在激光器内部,体积小,长×宽×厚小于50mm×50mm×40mm;功率测量稳定,温漂小,频率信号监测效果明显,测试中利用安捷伦示波器,型号为DSO9254A,带宽为2.5GHz,采样率是20G Sa/S测量光电转换后的信号,波形稳定;同时,本发明可以大大减低激光器的成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1:本发明的结构示意图;
图2:PCB模块的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时,在本发明的描述中,方位术语和次序术语等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示,一种腔内紧凑型激光功率计,包含安装支架5、光电探头2、PCB模块3以及滤光片6,安装支架5包含横板和竖板,竖板上开设有通孔9,通孔9内固定滤光片6,PCB模块3安装于竖板的一侧,光电探头2焊接在PCB模块3上,光电探头2与通孔9处的滤光片6正对。
安装支架5呈L形结构,其横板上开设有用于与激光器连接固定的螺丝孔。安装支架5的竖板上开设有上螺丝孔8和下螺丝孔10,上螺丝1穿过PCB模块3旋入上螺丝孔8,下螺丝4穿过PCB模块3旋入下螺丝孔10,PCB模块3平行置于竖板的内侧并与竖板间留有间距。
如图2所示,PCB模块3包含运算放大器17和模数转换器23,光电探头2负极与电阻一13相连接,光电探头2正极与电阻二15相连接,光电探头2的管壳地与电源地连接,电阻一13一端与光电探头2负极连接,另一端与电源模块一25连接,电容一14一端与电源地连接,另一端连接电阻一13和光电探头2负极,同轴电缆连接器12一端接地,另一端与光电探头2正极、电阻二15一端连接,电容二16一端接地,另一端与电阻二15一端以及运算放大器17的正输入端连接,运算放大器17的负端与电阻五18以及电阻四19的一端连接,运算放大器17的输出端与电阻五18以及电容三21、电容四22的一端连接,运算放大器17的电源正端连接电源模块一25,电源负端连接电源模块二26,电阻四19的一端连接电阻五18,另一端连接可调电阻三20的可调端,可调电阻三(20)的一端连接电源模块一25,另一端连接电源模块二26,电容三21的一端连接运算放大器17的输出端和电容四22的一端,另一端接地,电容四22的一端连接运算放大器17的输出端和模数转换器23的输入端,另一端接地,模数转换器23的输入端连接电容四22的一端,模数转换器23的数据通信端连接I2C总线接口24。
安装支架5固定于激光器腔内,激光脉冲垂直射入滤光片6,滤光片6滤除杂散光,降低背景噪声,激光透过滤光片6之后,射入光电探头2,光电探头2与PCB模块3的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出;入射激光功率为激光器输出功率的1%,不会引起激光功率计发热,因此无需采用风扇或水路进行冷却。
激光脉冲射入光电探头2后,电源模块一25、电阻一13和电阻二15构成的通路形成反向电流,在电阻二15上产生电压,实现光信号转为电信号,在不同频率的激光脉冲照射下,电阻二15上产生不同频率的脉冲电压信号,电容一14对光电探头2进行电源滤波;
电阻二15上的脉冲波形可通过同轴电缆连接器12输出,接入示波器观察脉冲波形,测量激光脉宽,判断功率计的光电探头有无异常,同时也可接入控制系统的频率信号输入端,测量激光脉冲频率;
脉冲电压信号经过电容二16后输入运算放大器17的正输入端,电容二16滤除杂波和噪声,信号输入到运算放大器17后进行放大,运算放大器17和电阻四19以及电阻五18构成同相比例放大电路,放大倍数为F=1+R5/R4,R5指电阻五18的阻值,R4指电阻四19的阻值,经过放大后的脉冲电压经过电容三21进行整流滤波以及电容四22的平滑滤波后输出直流信号;如输入激光为连续光时,经过光电探头后,转换的电信号也是直流信号,经过运算放大器17放大后,幅值变大;连续光功率较低,信号放大后不会造成后级数据采集超量程;
电阻四19、电阻五18构成负反馈电路,可调电阻三20的可调端连接电阻四19一端,可调电阻三20用于调零,使功率计的零点输出,可调电阻三20的两端分别接电源模块一25和电源模块二26,同时,运算放大器17的电源端是电源模块一25和电源模块二26,构成双电源供电,电源模块二26是调零的关键;
经过电容三21和电容四22整流滤波的直流信号输入到模数转换器23,进行信号转换,模数转换器23的数据线和时钟线连接到I2C总线接口24;将I2C总线接口24连接到激光器的控制系统中,可实时读取对应的功率转换数字量;由于本发明电路的通用性,可适用红外、绿光及紫外激光,最终输出需要根据实际功率值进行标定后,得到相应的拟合系数,从而可以根据采集的数字量换算出功率值。
综上所述,本发明实现激光器腔内测功率,功率计小型化,光电探头与PCB模块的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出;入射激光功率为激光器输出功率的1%,不会引起激光功率计发热,因此无需采用风扇或水路进行冷却;
对连续激光以及脉冲激光进行采集测量;对激光脉冲的光电转化,且对信号进行整流滤波,实现调零功能;易于集成于控制系统的数据通信方式,通过带内部集成电路总线(Inter-Integrated Circuit Bus),即I2C总线的模数转换器(A/D),通过功率计上的接口与控制系统进行数据通讯;
实现便于进行诊断功能输出接口,该接口可方便用户判断功率计感应探头有无异常,同时也可以对激光器脉冲频率进行监测,光脉冲稳定性进行分析;
易于集成在激光器内部,体积小,长×宽×厚小于50mm×50mm×40mm;功率测量稳定,温漂小,频率信号监测效果明显,测试中利用安捷伦示波器,型号为DSO9254A,带宽为2.5GHz,采样率是20G Sa/S测量光电转换后的信号,波形稳定。同时,本发明可以大大减低激光器的成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (6)

1.一种腔内紧凑型激光功率计,其特征在于:包含安装支架(5)、光电探头(2)、PCB模块(3)以及滤光片(6),所述安装支架(5)包含横板和竖板,竖板上开设有通孔(9),通孔(9)内固定滤光片(6),PCB模块(3)安装于竖板的一侧,光电探头(2)焊接在PCB模块(3)上,光电探头(2)与通孔(9)处的滤光片(6)正对。
2.根据权利要求1所述的一种腔内紧凑型激光功率计,其特征在于:所述安装支架(5)呈L形结构,其横板上开设有用于与激光器连接固定的螺丝孔。
3.根据权利要求1所述的一种腔内紧凑型激光功率计,其特征在于:安装支架(5)的竖板上开设有上螺丝孔(8)和下螺丝孔(10),上螺丝(1)穿过PCB模块(3)旋入上螺丝孔(8),下螺丝(4)穿过PCB模块(3)旋入下螺丝孔(10),PCB模块(3)平行置于竖板的内侧并与竖板间留有间距。
4.根据权利要求1所述的一种腔内紧凑型激光功率计,其特征在于:所述PCB模块(3)包含运算放大器(17)和模数转换器(23),光电探头(2)负极与电阻一(13)相连接,光电探头(2)正极与电阻二(15)相连接,光电探头(2)的管壳地与电源地连接,电阻一(13)一端与光电探头(2)负极连接,另一端与电源模块一(25)连接,电容一(14)一端与电源地连接,另一端连接电阻一(13)和光电探头(2)负极,同轴电缆连接器(12)一端接地,另一端与光电探头(2)正极、电阻二(15)一端连接,电容二(16)一端接地,另一端与电阻二(15)一端以及运算放大器(17)的正输入端连接,运算放大器(17)的负端与电阻五(18)以及电阻四(19)的一端连接,运算放大器(17)的输出端与电阻五(18)以及电容三(21)、电容四(22)的一端连接,运算放大器(17)的电源正端连接电源模块一(25),电源负端连接电源模块二(26),电阻四(19)的一端连接电阻五(18),另一端连接可调电阻三(20)的可调端,可调电阻三(20)的一端连接电源模块一(25),另一端连接电源模块二(26),电容三(21)的一端连接运算放大器(17)的输出端和电容四(22)的一端,另一端接地,电容四(22)的一端连接运算放大器(17)的输出端和模数转换器(23)的输入端,另一端接地,模数转换器(23)的输入端连接电容四(22)的一端,模数转换器(23)的数据通信端连接I2C总线接口(24)。
5.利用权利要求1所述的激光功率计实现激光功率控制方法,其特征在于:安装支架(5)固定于激光器腔内,激光脉冲垂直射入滤光片(6),滤光片(6)滤除杂散光,降低背景噪声,激光透过滤光片(6)之后,射入光电探头(2),光电探头(2)与PCB模块(3)的电路进行光电转换,实现数据采集转化输出。
6.根据权利要求5所述的激光功率控制方法,其特征在于:所述PCB模块(3)包含运算放大器(17)和模数转换器(23),光电探头(2)负极与电阻一(13)相连接,光电探头(2)正极与电阻二(15)相连接,光电探头(2)的管壳地与电源地连接,电阻一(13)一端与光电探头(2)负极连接,另一端与电源模块一(25)连接,电容一(14)一端与电源地连接,另一端连接电阻一(13)和光电探头(2)负极,同轴电缆连接器(12)一端接地,另一端与光电探头(2)正极、电阻二(15)一端连接,电容二(16)一端接地,另一端与电阻二(15)一端以及运算放大器(17)的正输入端连接,运算放大器(17)的负端与电阻五(18)以及电阻四(19)的一端连接,运算放大器(17)的输出端与电阻五(18)以及电容三(21)、电容四(22)的一端连接,运算放大器(17)的电源正端连接电源模块一(25),电源负端连接电源模块二(26),电阻四(19)的一端连接电阻五(18),另一端连接可调电阻三(20)的可调端,可调电阻三(20)的一端连接电源模块一(25),另一端连接电源模块二(26),电容三(21)的一端连接运算放大器(17)的输出端和电容四(22)的一端,另一端接地,电容四(22)的一端连接运算放大器(17)的输出端和模数转换器(23)的输入端,另一端接地,模数转换器(23)的输入端连接电容四(22)的一端,模数转换器(23)的数据通信端连接I2C总线接口(24);
激光脉冲射入光电探头(2)后,电源模块一(25)、电阻一(13)和电阻二(15)构成的通路形成反向电流,在电阻二(15)上产生电压,实现光信号转为电信号,在不同频率的激光脉冲照射下,电阻二(15)上产生不同频率的脉冲电压信号,电容一(14)对光电探头(2)进行电源滤波;
电阻二(15)上的脉冲波形可通过同轴电缆连接器(12)输出,接入示波器观察脉冲波形,测量激光脉宽,判断功率计的光电探头有无异常,同时也可接入控制系统的频率信号输入端,测量激光脉冲频率;
脉冲电压信号经过电容二(16)后输入运算放大器(17)的正输入端,电容二(16)滤除杂波和噪声,信号输入到运算放大器(17)后进行放大,运算放大器(17)和电阻四(19)以及电阻五(18)构成同相比例放大电路,放大倍数为F=1+R5/R4,R5指电阻五(18)的阻值,R4指电阻四(19)的阻值,经过放大后的脉冲电压经过电容三(21)进行整流滤波以及电容四(22)的平滑滤波后输出直流信号;如输入激光为连续光时,经过光电探头后,转换的电信号也是直流信号,经过运算放大器(17)放大后,幅值变大;
电阻四(19)、电阻五(18)构成负反馈电路,可调电阻三(20)的可调端连接电阻四(19)一端,可调电阻三(20)用于调零,使功率计的零点输出,可调电阻三(20)的两端分别接电源模块一(25)和电源模块二(26);
经过电容三(21)和电容四(22)整流滤波的直流信号输入到模数转换器(23),进行信号转换,模数转换器(23)的数据线和时钟线连接到I2C总线接口(24);将I2C总线接口(24)连接到激光器的控制系统中,可实时读取对应的功率转换数字量。
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