CN113113835B - 激光仪器曲线自动校准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光仪器曲线自动校准系统，涉及一种自动校准系统，属于激光仪器校准技术领域；本发明内部设有内置功率计，可作标准功率计测量光纤输出功率；功率可调、高精度，采用高精度的D/A转换芯片或pwm、A/D转换芯片，输出精度高；采用闭环控制，可实时监控输出功率，具有校准功能，该系统校准分为：自动校准和手动校准：激光仪器曲线自动校准系统根据设定需求，功率可调，精度高；首先设定功率大小，通过主控模块设定激光器输出，并实时采样，通过实测功率与设定功率的对比，经由PID算法调节，自动校准输出功率、自动补偿，实现高精度输出；为了提高产品的可靠性，该校准系统，增加了手动校准功能，校准内置功率计标准曲线。

Description

激光仪器曲线自动校准系统
技术领域
本发明涉及一种自动校准系统，具体为激光仪器曲线自动校准系统，属于激光仪器校准技术领域。
背景技术
激光器是指能发射激光的装置。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器四大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。自动校准系统，具有反馈控制的计算机系统。能自动改变控制参数，以实现准确控制的目的。是自动控制系统的一种。
现有的市场激光仪器大都存在以下缺点：
1、激光器输出不稳定，精度不够；
2、激光器老化、激光器输出效率降低；
3、无法适配不同种类光纤，即光纤不同，折损率不同，同样的功率经过光纤输出后，功率会有很大差异。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供激光仪器曲线自动校准系统，用于市场上激光仪器存留的以下缺点：
(1)激光器输出不稳定，精度不够；
(2)激光器老化、激光器输出效率降低；
(3)无法适配不同种类光纤，即光纤不同，折损率不同，同样的功率经过光纤输出后，功率会有很大差异。
本发明内部设有内置功率计，可作标准功率计测量光纤输出功率；功率可调、高精度，采用高精度的D/A转换芯片或pwm、A/D转换芯片，输出精度高；采用闭环控制，可实时监控输出功率，更加直观。具有校准功能，该系统校准分为：自动校准和手动校准。激光仪器曲线自动校准系统是一种闭环控制系统。激光仪器曲线自动校准系统根据设定需求，功率可调，精度高。首先设定功率大小，通过主控模块设定激光器输出，并实时采样，通过串口与上位机通信，显示其实际功率。通过实测功率与设定功率的对比，经由PID算法调节，自动校准输出功率、自动补偿，实现高精度输出。为了提高产品的可靠性，该校准系统，增加了手动校准功能，校准内置功率计标准曲线。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
激光仪器曲线自动校准系统，包括主控模块、激光器、内置功率计、光纤以及上位机组成，所述主控模块用于控制激光输出以及控制激光功率采样，所述激光器用于提供激光源，所述光纤用于输出激光，所述光纤分为A端与B端，所述光纤的A端与激光器直接相连，所述光纤的B端为激光的输出端，所述上位机用于与主控制模块串口通信、用于设定激光器的输出功率，还用于实测功率的显示；校准系统分为自动校准模式与手动校准模式；
所述自动校准模式用于校准输出功率，全闭环设计用于实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，达到设定功率，同时保证其稳定性和精确性。
所述手动校准模式的目的是校准内置积分球功率计，通过外置积分球功率计校准内置积分球功率计，定期校准一次，保证整个系统的准确性。
针对各种激光器输出不稳定、适配不同种类的光纤，设计了自动校准方法。在工作前，只要将光纤的B端插入内置积分器内，设定自动校准，系统根据最小二乘法会自动生成两条曲线：设定功率曲线2(用于设定功率)和实际测试曲线3(实时监控激光输出功率)，将设定功率与输出功率不断经过PID算法，重新计算DAC值(或pwm)输出，使得输出功率与设定功率一致，并保证其精度和稳定性。
所述自动校准模式用于校准输出功率，具体的校准过程包括以下：
过程一、内置功率计标准曲线1制作：
步骤S1：数据采集：通过不断改变设定值DA(或pwm)，测量内置功率计AD值和外部功率计读数之间的关系；
步骤S2：曲线制作过程：
Ⅰ、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
Ⅱ、设定DA或PWM值X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出特定大小的功率；
Ⅲ、主控模块通过内置功率计进行采样,即AD值Y；
Ⅳ、B端插入外置功率计内，进行功率测量，即功率值Z；
Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，设定X2、X3…Xi，内置功率计进行AD采样Y2、Y3…Yi，测量其对应功率Z2、Z3…Zi(测量的点数可根据实际情况而定，i>＝2)；
Ⅵ、通过最小二乘法得出(Y1、Y2、Y3…Yi)和(Z1、Z2、Z3…Zi)曲线关系，生成内置功率计标准曲线1，即Z＝f(Y)；
过程二：内置功率计手动校准：
通过内置功率计测量值Z与外置功率计测量值Z’关系，生成真实测量Z’(外置功率计测量值)与内置功率计测量值Z曲线4，即Z’＝g(Z)；
过程三：输出功率自动校准：通过闭环设计实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，并加入PID算法调节，自动校准输出功率、自动补偿，实现高精度输出达到其设定功率，保证其稳定性、精确性；
步骤SS1：工作模式下，首先生成功率设定曲线2和输出端功率监控曲线3；
步骤SS2：曲线制作过程：
a、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
b、上位机自动设定DA值(或PWM值)X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出相应功率；
c、主控模块采样输出端AD值a、内置功率计AD值Y1；
d、通过内置功率计标准曲线1计算Y1对应功率Z1＝f(Y1)(或校准后Z1＝g(f(Y1))；
e、重复步骤b-d，设定X2、X3…Xi，输出端AD值a2、a3…ai,其对应功率Z2、Z3…Zi；
f、通过最小二乘法或线性方程，得到(X1、X2…Xi)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线2：Z＝h(X)；
g、通过最小二乘法或线性方程，得到(a1、a2…ai)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线3：Z＝j(a)；
步骤SS3：通过监控输出功率与设定功率比较，自动调节输入电压(即DA值)，达到调节输出功率目的，达到设定功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)内部设有内置功率计，可作标准功率计测量光纤输出功率。
(2)功率可调、高精度，采用高精度的D/A转换芯片或pwm、A/D转换芯片，输出精度高。
(3)闭环控制，可实时监控输出功率，更加直观。
(4)具有校准功能，该系统校准分为：自动校准和手动校准。
自动校准：用于校准输出功率，全闭环设计用于实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，达到设定功率，同时保证其稳定性和精确性。
手动校准：目的是校准内置积分球功率计，通过外置积分球功率计校准内置积分球功率计，定期校准一次，保证整个系统的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的结构原理框图；
图2为内置功率计采样AD与功率关系曲线(曲线1)；
图3为设定值DA与内置功率计读数关系曲线(曲线2)；
图4为输出端AD值与内置功率计读数关系曲线(曲线3)；
图5为测量功率与实际功率关系曲线(曲线4)；
图6为闭环控制流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6所示，激光仪器曲线自动校准系统，包括主控模块、激光器、内置功率计、光纤以及上位机组成，所述主控模块用于控制激光输出以及控制激光功率采样，所述激光器用于提供激光源，所述光纤用于输出激光，所述光纤分为A端与B端，所述光纤的A端与激光器直接相连，所述光纤的B端为激光的输出端，所述上位机用于与主控制模块串口通信、用于设定激光器的输出功率，还用于实测功率的显示；校准系统分为自动校准模式与手动校准模式；所述自动校准模式用于校准输出功率，全闭环设计用于实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，达到设定功率，同时保证其稳定性和精确性。
所述手动校准模式的目的是校准内置积分球功率计，通过外置积分球功率计校准内置积分球功率计，定期校准一次，保证整个系统的准确性。
针对各种激光器输出不稳定、适配不同种类的光纤，设计了自动校准方法。在工作前，只要将光纤的B端插入内置积分器内，设定自动校准，系统根据最小二乘法会自动生成两条曲线：设定功率曲线2(用于设定功率)和实际测试曲线3(实时监控激光输出功率)，将设定功率与输出功率不断经过PID算法，重新计算DAC值(或pwm)输出，使得输出功率与设定功率一致，并保证其精度和稳定性。
所述自动校准模式用于校准输出功率，具体的校准过程包括以下：
过程一、内置功率计标准曲线1制作：
步骤S1：数据采集：通过不断改变设定值DA(或pwm)，测量内置功率计AD值和外部功率计读数之间的关系，如下表所示：
Figure GDA0004123163120000061
Figure GDA0004123163120000071
步骤S2：曲线制作过程：
Ⅰ、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
Ⅱ、设定DA或PWM值X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出特定大小的功率；
Ⅲ、主控模块通过内置功率计进行采样,即AD值Y；
Ⅳ、B端插入外置功率计内，进行功率测量，即功率值Z；
Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，设定X2、X3…Xi，内置功率计进行AD采样Y2、Y3…Yi，测量其对应功率Z2、Z3…Zi(测量的点数可根据实际情况而定，i>＝2)；
Ⅵ、通过最小二乘法得出(Y1、Y2、Y3…Yi)和(Z1、Z2、Z3…Zi)曲线关系，生成内置功率计标准曲线1，即Z＝f(Y)；
过程二：内置功率计手动校准：
通过内置功率计测量值Z与外置功率计测量值Z’关系，生成真实测量Z’(外置功率计测量值)与内置功率计测量值Z曲线4，即Z’＝g(Z)；
过程三：输出功率自动校准：通过闭环设计实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，并加入PID算法调节，自动校准输出功率、自动补偿，实现高精度输出达到其设定功率，保证其稳定性、精确性；
步骤SS1：工作模式下，首先生成功率设定曲线2和输出端功率监控曲线3；
步骤SS2：曲线制作过程：
a、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
b、上位机自动设定DA值(或PWM值)X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出相应功率；
c、主控模块采样输出端AD值a、内置功率计AD值Y1；
d、通过内置功率计标准曲线1计算Y1对应功率Z1＝f(Y1)(或校准后Z1＝g(f(Y1))；
e、重复步骤b-d，设定X2、X3…Xi，输出端AD值a2、a3…ai,其对应功率Z2、Z3…Zi；
f、通过最小二乘法或线性方程，得到(X1、X2…Xi)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线2：Z＝h(X)；
g、通过最小二乘法或线性方程，得到(a1、a2…ai)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线3：Z＝j(a)；
步骤SS3：通过监控输出功率与设定功率比较，自动调节输入电压(即DA值)，达到调节输出功率目的，达到设定功率。
上述公式均是去量化取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况设定。
本发明的工作原理：针对各种激光器输出不稳定、适配不同种类的光纤，设计了自动校准方法。在工作前，只要将光纤的B端插入内置积分器内，设定自动校准，系统根据最小二乘法会自动生成两条曲线：设定功率曲线2(用于设定功率)和实际测试曲线3(实时监控激光输出功率)，将设定功率与输出功率不断经过PID算法，重新计算DAC值(或pwm)输出，使得输出功率与设定功率一致，并保证其精度和稳定性。
所述自动校准模式用于校准输出功率，具体的校准过程包括以下：
过程一、内置功率计标准曲线1制作：
步骤S1：数据采集：通过不断改变设定值DA(或pwm)，测量内置功率计AD值和外部功率计读数之间的关系；
步骤S2：曲线制作过程：
Ⅰ、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
Ⅱ、设定DA或PWM值X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出特定大小的功率；
Ⅲ、主控模块通过内置功率计进行采样,即AD值Y；
Ⅳ、B端插入外置功率计内，进行功率测量，即功率值Z；
Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，设定X2、X3…Xi，内置功率计进行AD采样Y2、Y3…Yi，测量其对应功率Z2、Z3…Zi(测量的点数可根据实际情况而定，i>＝2)；
Ⅵ、通过最小二乘法得出(Y1、Y2、Y3…Yi)和(Z1、Z2、Z3…Zi)曲线关系，生成内置功率计标准曲线1，即Z＝f(Y)；
过程二：内置功率计手动校准：
通过内置功率计测量值Z与外置功率计测量值Z’关系，生成真实测量Z’(外置功率计测量值)与内置功率计测量值Z曲线4，即Z’＝g(Z)；
过程三：输出功率自动校准：通过闭环设计实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，并加入PID算法调节，自动校准输出功率、自动补偿，实现高精度输出达到其设定功率，保证其稳定性、精确性；
步骤SS1：工作模式下，首先生成功率设定曲线2和输出端功率监控曲线3；
步骤SS2：曲线制作过程：
a、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
b、上位机自动设定DA值(或PWM值)X1发送给主控模块，主控模块接收到数据后，输出相应功率；
c、主控模块采样输出端AD值a、内置功率计AD值Y1；
d、通过内置功率计标准曲线1计算Y1对应功率Z1＝f(Y1)(或校准后Z1＝g(f(Y1))；
e、重复步骤b-d，设定X2、X3…Xi，输出端AD值a2、a3…ai,其对应功率Z2、Z3…Zi；
f、通过最小二乘法或线性方程，得到(X1、X2…Xi)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线2：Z＝h(X)；
g、通过最小二乘法或线性方程，得到(a1、a2…ai)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线3：Z＝j(a)；
步骤SS3：通过监控输出功率与设定功率比较，自动调节输入电压(即DA值)，达到调节输出功率目的，达到设定功率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.激光仪器曲线自动校准系统，其特征在于，包括主控模块、激光器、内置功率计、光纤以及上位机组成，所述主控模块用于控制激光输出以及控制激光功率采样，所述激光器用于提供激光源，所述光纤用于输出激光，所述光纤分为A端与B端，所述光纤的A端与激光器直接相连，所述光纤的B端为激光的输出端，所述上位机用于与主控制模块串口通信、用于设定激光器的输出功率，还用于实测功率的显示；校准系统分为自动校准模式与手动校准模式；
自动校准模式用于校准输出功率，具体的校准过程包括以下：
过程一、内置功率计标准曲线1制作；
过程二：内置功率计手动校准；
过程三：输出功率自动校准；
所述过程一具体包括以下步骤：
步骤S1：数据采集：通过不断改变设定值DA，测量内置功率计AD值和外部功率计读数之间的关系；
步骤S2：曲线制作过程：
Ⅰ、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
Ⅱ、设定DA或PWM值X1并发送给主控模块，主控模块接收到DA或PWM值X1后，输出功率；
Ⅲ、主控模块通过内置功率计进行采样，即AD值Y；
Ⅳ、B端插入外置功率计内，进行功率测量，即功率值Z；
Ⅴ、重复步骤Ⅱ-Ⅳ，生成内置功率计标准曲线1，设定X2、X3…Xi，内置功率计进行AD采样Y2、Y3…Yi，测量其对应功率Z2、Z3…Zi；
Ⅵ、通过最小二乘法得出(Y1、Y2、Y3…Yi)和(Z1、Z2、Z3…Zi)曲线关系，生成内置功率计标准曲线1，即Z＝f(Y)；
所述过程三具体包括以下步骤：
a、将A端与激光器连接完好，B端插入内置功率计内；
b、上位机自动设定DA值发送给主控模块，主控模块接收到DA值后，输出功率；
c、主控模块采样输出端AD值a、内置功率计AD值Y1；
d、通过内置功率计标准曲线1计算Y1对应功率；
e、重复步骤b-d，设定X2、X3…Xi，输出端AD值a2、a3…ai,其对应功率Z2、Z3…Zi；
f、通过最小二乘法或线性方程，得到(X1、X2…Xi)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线2：Z＝h(X)；
g、通过最小二乘法或线性方程，得到(a1、a2…ai)和(Z1、Z2…Zi)之间的曲线关系，即曲线3：Z＝j(a)；
通过监控输出功率与设定功率比较，自动调节输入电压，达到设定功率。
2.根据权利要求1所述的激光仪器曲线自动校准系统，其特征在于：所述自动校准模式用于校准输出功率，全闭环设计用于实时采样输出功率，通过输出功率来自动调节输入电压，达到设定功率；所述手动校准模式通过外置功率计校准内置功率计，定期校准。
3.根据权利要求1所述的激光仪器曲线自动校准系统，其特征在于：针对各种激光器输出不稳定、适配不同种类的光纤，在工作前，将光纤的B端插入内置功率计内，设定自动校准，自动校准系统根据最小二乘法会生成两条曲线；将设定功率与输出功率不断经过PID算法，重新计算DAC值输出，使得输出功率与设定功率一致。
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