CN111504605A - 一种连续光纤激光器前向光检测方法 - Google Patents

一种连续光纤激光器前向光检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续光纤激光器前向光检测方法，包括：S1：获取调制信号的首个上升沿，并生成启动信号；S2：基于所述启动信号获取第一信号和第二信号；S3：重复S1‑S2获取多组所述第一信号和多组所述第二信号；S4：基于多组所述第一信号和多组所述第二信号生成检测结果。本发明通过改进采集信号的方法，以调制信号、用于控制激光器输出的输出电流和位于CPS与合束器之间的光纤光功率信号作为检测目标，有效地避免了反射光、环境光等干扰光对检测结果造成干扰的问题的同时，将代表输出电流大小的第一信号作为前置判定条件，判断代表光纤光功率信号大小的第二信号的有效性，有效地避免了采集信号有误造成检测结果有误的问题，降低了误检率。

Description

一种连续光纤激光器前向光检测方法
技术领域
本发明涉及激光功率检测技术领域，具体涉及一种连续光纤激光器前向光检测方法。
背景技术
连续光纤激光器通过纤细的光纤输出高密度的能量，一般会使用监控装置监控激光器的光强度。当激光能量不满足标准时触发控制器停止激光器输出，防止光纤烧毁。
连续光纤激光器伴随着近年来的高输出化而在激光加工领域中使用。激光器实际应用于金属切割、焊接等领域时，激光输出是受外部调制信号控制的，激光输出是在连续输出与脉冲输出(0-20KHz)之间随机切换的；激光能量也会随激光输出的频率和占空比变化。为保证设备安全，需要对输出功率进行监控，以保证采集到激光输出的光强异常时能够控制激光器停止工作。
而现有的激光功率检测方法由于干扰光、激光出光状态为无规律快速变化以及检测死区的影响，具有易受外部环境影响、误检率较高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种连续光纤激光器前向光检测方法，通过改进信号采集方式以及检测方法，解决了传统的激光功率检测方法易受外部环境影响、误检率较高的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种连续光纤激光器前向光检测方法，包括：S1：获取调制信号的首个上升沿，并生成启动信号；S2：基于所述启动信号获取第一信号和第二信号；S3：重复S1-S2获取多组所述第一信号和多组所述第二信号；S4：基于多组所述第一信号和多组所述第二信号生成检测结果。
可选地，所述S4包括：S41：获取存储单元的第一参考值和第二参考值；S42：对所述第一信号处理并生成前置判定信号；S43：基于所述前置判定信号和所述第一参考值判定所述第二信号的有效性；S44：在所述第二信号判定有效的情况下，基于所述第二信号和所述第二参考值生成检测结果。
可选地，所述S42包括：S421：剔除多组所述第一信号中存在畸变的所述第一信号；S422：对剩余的多组所述第一信号进行均值计算并生成所述前置判定信号。
可选地，所述S44包括：S441：在所述第二信号判定有效的情况下，基于多组所述第二信号获取数值最大的所述第二信号；S442：基于所述数值最大的第二信号和所述第二参考值生成检测结果。
可选地，所述S442包括：在所述第二信号的电压值大于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出正常；在所述第二信号的电压值小于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出异常并通过微处理单元控制所述激光器停止工作。
可选地，所述S43包括：在所述前置判定信号的电压值大于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定有效；在所述前置判定信号的电压值小于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定无效。
可选地，所述S1包括：S11：基于所述微处理单元获取调制信号的上升沿；S12：所述微处理单元基于所述上升沿开启延时单元；S13：在所述延时单元完成一次计时后，所述微处理单元生成启动信号。
可选地，所述S2包括：S21：基于所述启动信号开启第一检测单元和第二检测单元；S22：基于所述第一检测单元生成所述第一信号的同时，所述第二检测单元生成所述第二信号。
可选地，所述第一检测单元为电流检测传感器，所述电流检测传感器生成所述第一信号包括以下步骤：基于所述电流检测传感器的采样电阻将输出电流转化为电压信号；基于所述电流检测传感器的运算放大电路将所述电压信号转换，并作为所述第一信号传输至所述微处理单元。
可选地，所述第二检测单元为前向光检测传感器，所述前向光检测传感器生成所述第二信号包括以下步骤：基于所述前向光检测传感器的光电二极管将光纤的散射光转换为电压信号，将所述电压信号作为所述第二信号传输至所述微处理单元。
本发明的首要改进之处为提供的连续光纤激光器前向光检测方法，通过改进采集信号的方法，以调制信号、用于控制激光器输出的输出电流和位于CPS与合束器之间的光纤光功率信号作为检测目标，有效地避免了反射光、环境光等干扰光对检测结果造成干扰的问题的同时，将代表输出电流大小的第一信号作为前置判定条件，判断代表光纤光功率信号大小的第二信号的有效性，有效地避免了采集信号有误造成检测结果有误的问题，降低了误检率。并且，通过延时检测的方式，避免了采集时间点落入检测死区内，在初始检测时降低了采集到有误信号的可能，进一步降低了误检率。
附图说明
图1是本发明的连续光纤激光器前向光检测方法的简化流程图；
图2是本发明的生成启动信号的简化流程图；
图3是本发明的生成第一信号和第二信号的简化流程图；
图4是本发明的生成检测结果的简化流程图；
图5是本发明的生成前置判定信号的简化流程图；
图6是本发明的生成检测结果的简化模块连接图；
图7是本发明的第一检测单元的简化电路连接图；
图8是本发明的第二检测单元的简化装置连接图；和
图9是本发明的微处理单元的简化模块连接图。
附图标记列表
1：微处理单元 2：延时单元 3：第一检测单元
4：第二检测单元 5：存储单元
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种连续光纤激光器前向光检测方法，其特征在于，包括：
S1：基于微处理单元1获取调制信号的首个上升沿，并生成启动信号；
S2：基于所述启动信号控制第一检测单元3和第二检测单元4获取第一信号和第二信号；其中，第一信号被定义为表征输出电流的大小，第二信号被定义为表征光纤输出光功率的大小。具体的，输出电流用于控制激光输出状态。本发明通过改进采集信号的方法，以调制信号、用于控制激光器输出的输出电流和位于CPS与合束器之间的光纤输出光功率信号作为检测目标，有效地避免了反射光、环境光等干扰光对检测结果造成干扰的问题。
S3：重复S1-S2获取多组所述第一信号和多组所述第二信号；具体的，采集第一信号和第二信号的次数可以根据光纤激光器的参数改变灵活设置，影响采集次数的主要因素有光纤激光器的信号周期、脉冲占空比等。具体的，为保证检测结果的可靠性，生成一次检测结果所需要的采集次数不少于10次。
进一步的，完成采集的第一信号和第二信号存储于寄存器内，存储单元5包括微处理单元1内的寄存器和flash存储器。寄存器用于存储即时采集的信号数据和进行指令寄存，flash存储器作为非易失性存储器，用于存储第一参考值和第二参考值。
更进一步的，若未采集完生成一次检测结果所需要的多组信号时调制信号已经变为低电平，则微处理单元1能够通过检测调制信号由高电平变为低电平时的下降沿，控制第一检测单元3和第二检测单元4关闭，直至调制信号重新产生由低电平变为高电平时的上升沿，微处理单元1重新基于上升沿生成启动信号并完成剩余的采集次数。同时通过调用全部属于本次检测的储存于存储单元5内的多组第一信号和第二信号生成本次检测结果。
S4：微处理单元1基于多组所述第一信号和多组所述第二信号生成检测结果。其中，如图9所示，微处理单元1可以是ARM微处理器，第一检测单元3和第二检测单元4均与微处理单元1建立I/O连接。
为便于理解如何生成启动信号，进一步细化所述S1，如图2所示，包括：
S11：所述微处理单元1基于调制信号的输入检测调制信号的上升沿；
S12：在所述微处理单元1检测出所述上升沿时，所述微处理单元1开启延时单元2；其中，延时单元2设置于所述微处理单元1中，延时单元2可以由时钟电路构成。延时单元2的计时时间能够灵活设置，主要影响因素为光纤激光器的检测死区的时间长短。
具体的，由于连续激光器中的硬件输出电流相对调制信号是存在部分延时的，会造成在延时时间内调制信号虽然为高，但仍检测不到输出电流升高以及光纤输出光功率，将这段延时时间称为检测死区。本发明通过延时检测的方式，避免了采集时间点落入检测死区内，在初始检测时降低了采集到有误信号的可能，降低了误检率。
S13：在所述延时单元2完成一次计时后，所述微处理单元1生成启动信号。
为便于理解如何生成第一信号和第二信号，进一步细化S2，如图3所示，包括：
S21：基于所述启动信号开启第一检测单元3和第二检测单元4；
S22：基于所述第一检测单元3生成所述第一信号的同时，所述第二检测单元4生成所述第二信号。
进一步的，所述第一检测单元3为电流检测传感器，如图7所示，所述电流传感器包括运算放大电路和由采样电阻构成的采样电路，所述电流检测传感器生成所述第一信号包括以下步骤：基于所述电流检测传感器的采样电阻将输出电流转化为电压信号；基于所述电流检测传感器的运算放大电路将所述电压信号转换，并作为所述第一信号传输至所述微处理单元1。因此，第一信号的电压值大小能够用于表征输出电流的电流值大小。
进一步的，所述第二检测单元4为前向光检测传感器，如图8所示，前向光检测传感器包括前向光检测电路板、可供光纤贯穿的凹槽、上盖板和下盖板。其中，前向光检测电路板上设置有用于光电转换的光电二极管。
更进一步的，所述前向光检测传感器生成所述第二信号包括以下步骤：基于所述前向光检测传感器的光电二极管将光纤的散射光转换为电压信号，将所述电压信号作为所述第二信号传输至所述微处理单元1。因此，第二信号的电压值能够用于表征光纤输出的光功率大小。
为便于理解如何基于采集信号生成检测结果，进一步细化S4，如图4所示，包括：
S41：调用存储单元5的flsah存储器中存储的第一参考值和第二参考值；其中，在调制信号高电平时，输出电流的理论电流值存在一合理范围内的正负波动值，由于第一参考值的设定主要为解决采集时间点落入检测死区的问题，因此第一参考值为理论电流值减去波动值。由于第二参考值的设定目的为判定光纤激光器是否正常工作，因此第二参考值为光纤激光器理论最低正常输出功率。
S42：微处理单元1对所述第一信号处理并生成前置判定信号；本发明将代表输出电流大小的第一信号作为前置判定条件，判断代表光纤光功率信号大小的第二信号的有效性，有效地避免了采集信号有误造成检测结果有误的问题，降低了误检率。
S43：基于所述前置判定信号和所述第一参考值判定所述第二信号的有效性；其中，在所述前置判定信号的电压值大于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定有效；在所述前置判定信号的电压值小于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定无效。具体的，在所述前置判定信号的电压值小于所述第一参考值的情况下，视为本次检测中采集的多组采集信号不可信，即多组第二信号中的最大第二信号可能仍小于光纤实际输出光功率所代表的电压值，即本次采集的多组第二信号存在皆无法表征光纤输出功率的可能，因此第二信号判定无效。
进一步的，在所述第二信号判定无效的情况下，重复S1-S3进行下一次检测。
S44：在所述第二信号判定有效的情况下，基于所述第二信号和所述第二参考值生成检测结果。
进一步的，如图5所示，S42包括：
S421：剔除多组所述第一信号中存在畸变的所述第一信号；其中，造成第一信号数据畸变的可能性有多种，例如：采集时间点踩入检测死区内、系统误差、系统内杂散光和反射光的影响等。由于前置判定信号用于表征第二信号的可信程度，而第一信号若由于系统误差产生的畸变程度理论较小，仅会对第二信号产生较小影响，并且对第二信号的可信程度不造成影响，依旧能够准确表征光纤输出功率。实际对第二信号可信程度影响较大的情况为采集时间点踩入检测死区、系统内杂散光和反射光的影响，在该情况下第二信号相对于第二参考值误差程度较高，无法准确表征光纤输出功率的大小，从而造成系统误报故障等问题。因此本发明着重考虑如何剔除由于采集时间点错误以及系统内杂散光和反射光的影响导致的第一信号数据畸变问题。
具体的，采集信号位于死区时，此时第一信号会明显偏小，低于正常值；而于系统内杂散光和反射光的影响会导致某些第一信号高于正常值。因此，依上述思路，本发明为了剔除畸变的信号采集点，考虑到第一信号数据畸变可能存在偏高或偏低的问题，采用平滑滤波的方式，暨主动剔除数据偏高的几个点与数据偏低的几个点，以采集十组第一信号为例，剔除数值偏高的两组第一信号和数值偏低的两组第二信号，能够有效地剔除畸变数据，提升前置判定信号的可信程度。
S422：对剩余的多组所述第一信号进行均值计算并生成所述前置判定信号。
进一步的，如图6所示，S44包括：
S441：在所述第二信号判定有效的情况下，基于多组所述第二信号获取数值最大的所述第二信号；其中，由于前置判定信号大于第一参考值，因此可视为本次检测中整体的采集时间点是可信的，即具有一定组数的第二信号能够正确表征该时刻的光纤输出功率，并且检测结果是用于判定光纤激光器是否正常工作，因此选取多组第二信号中数值最大的第二信号与第二参考值比对即可得到可信的检测结果。
S442：基于所述数值最大的第二信号和所述第二参考值生成检测结果。具体的，在所述第二信号的电压值大于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出正常；在所述第二信号的电压值小于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出异常并通过微处理单元1控制所述激光器停止工作。进一步的，发明人在使用上述检测装置及方法进行实验时，发现仍存在电磁干扰等小概率事件导致激光器整体正常工作但检测结果为输出异常，导致微处理单元1错误的控制所述激光器停止工作，因此为避免电磁干扰等小概率事件对于单组信号采集的影响。还可以使用另一种判定方法，具体的，预先设定一个判定参数，个数上限为N，在所述第二信号的电压值小于所述第二参考值的情况下，微处理单元1生成一个可累加的判定参数，当且连续N次所述第二信号电压值低于第二参考值的情况下，即生成N次判定参数时，所述检测结果为输出异常并通过微处理单元1控制所述激光器停止工作；当所述第二信号电压值大于第二参考值的情况下，只要持续一次，则认为所述检测结果为输出正常，且将累加的判定参数个数M(M<N)进行清零。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续光纤激光器前向光检测方法，其特征在于，包括：
S1：获取调制信号的首个上升沿，并生成启动信号；
S2：基于所述启动信号获取第一信号和第二信号；
S3：重复S1-S2获取多组所述第一信号和多组所述第二信号；
S4：基于多组所述第一信号和多组所述第二信号生成检测结果。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：获取存储单元(5)的第一参考值和第二参考值；
S42：对所述第一信号处理并生成前置判定信号；
S43：基于所述前置判定信号和所述第一参考值判定所述第二信号的有效性；
S44：在所述第二信号判定有效的情况下，基于所述第二信号和所述第二参考值生成检测结果。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述S42包括：
S421：剔除多组所述第一信号中存在畸变的所述第一信号；
S422：对剩余的多组所述第一信号进行均值计算并生成所述前置判定信号。
4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述S44包括：
S441：在所述第二信号判定有效的情况下，基于多组所述第二信号获取数值最大的所述第二信号；
S442：基于所述数值最大的第二信号和所述第二参考值生成检测结果。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述S442包括：
在所述第二信号的电压值大于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出正常；
在所述第二信号的电压值小于所述第二参考值的情况下，所述检测结果为输出异常并通过微处理单元(1)控制所述激光器停止工作。
6.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述S43包括：
在所述前置判定信号的电压值大于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定有效；
在所述前置判定信号的电压值小于所述第一参考值的情况下，所述第二信号判定无效。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：基于微处理单元(1)获取调制信号升至高电平前的上升沿；
S12：所述微处理单元(1)基于所述上升沿开启延时单元(2)；
S13：在所述延时单元(2)完成一次计时后，所述微处理单元(1)生成启动信号。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述S2包括：
S21：基于所述启动信号开启第一检测单元(3)和第二检测单元(4)；
S22：基于所述第一检测单元(3)生成所述第一信号的同时，所述第二检测单元(4)生成所述第二信号。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述第一检测单元(3)为电流检测传感器，所述电流检测传感器生成所述第一信号包括以下步骤：
基于所述电流检测传感器的采样电阻将输出电流转化为电压信号；
基于所述电流检测传感器的运算放大电路将所述电压信号转换，并作为所述第一信号传输至所述微处理单元(1)。
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述第二检测单元(4)为前向光检测传感器，所述前向光检测传感器生成所述第二信号包括以下步骤：
基于所述前向光检测传感器的光电二极管将光纤的散射光转换为电压信号，
将所述电压信号作为所述第二信号传输至所述微处理单元(1)。
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Applicant before: SICHUAN STRONG & BEST LIGHT TECHNOLOGY CO.,LTD.

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