CN113960937A

CN113960937A - 一种激光仪器的控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN113960937A
Application number: CN202010706402.9A
Authority: CN
Inventors: 陈嘉声
Original assignee: Nanjing Boxianhang Electromechanical Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Boxianhang Electromechanical Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明公开了一种激光仪器的控制系统及控制方法，包括人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电流测量装置、电源装置，通过控制装置接收电流测量装置测量的电流信息，调整激光模组供电装置的输出电压。本发明提供的一种激光仪器的控制系统及控制方法，通过改变激光模组需要的电压，从而实现在满足激光恒定输出的情况下，最大可能的提高能源使用效率，且延长了产品的使用时间。

Description

一种激光仪器的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光测量类仪器，特别是一种激光仪器的控制系统及控制方法。

背景技术

激光投线仪/扫平仪/打点仪等是一种通过可见激光（红光/绿光）投射出指示用的水平线/点，用于在目标面上标注水平/垂直位置，是目前工程施工、家用装修行业里面常用的光电仪器。

此类的光电类产品在产品设计和使用时需要考虑到对应的安全规定（EN60825-1：2014），为了防止此类产品的激光输出功率超过限制标准，造成人身伤害，因此需要对激光管进行功率控制。通常需要设计一个激光恒功率电路，控制激光管的输出功率在温度、电压等外部条件发生变化时，保持输出的激光功率不变。随着社会分工的发展，出现了专门设计激光驱动的厂商，他们将激光管和驱动板设计在一起，称为激光模组，方便整机厂家使用，提高生产效率。

由于绿光激光管的可视性要远好于红光激光管，所以绿光激光管开始广泛用于激光投线类产品上。但是鉴于绿光激光管的特性，其驱动电压要比红光激光管的电压偏高，通常需要调节到7V以上才能正常工作，因而功耗要远高于红光激光模组。

且在批量生产的情况下，激光管的驱动电压呈现正态分布，部分驱动电压偏高（7.5V），部分驱动电压偏低（6.5V），为了保证产品的正常工作，一般直接将激光模组供电装置输出的电压调节到超过驱动电压偏高激光管的电压（如7.8V），从而避免检验每个激光管的驱动电压是否满足要求。由此带来供电效率的降低，原本可以在6.5V工作的激光管，由于需要兼顾驱动电压偏高的激光管，而升高1V左右的电压，造成了能量的浪费。且目前光电产品大部分采用电池供电，过高的电压既浪费了能量也缩短了电池的工作时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为提供一种激光仪器的控制系统及控制方法，可以改变激光管需要的电压，从而实现在满足激光恒定输出的情况下，最大可能的提高能源使用效率，延长产品的使用时间。

为解决上述技术问题，本发明采用一种激光仪器的控制系统，包括：人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电流测量装置、电源装置；其中，所述人机界面装置，用于设置激光仪器的工作模式；所述电源装置用于给所述控制系统供电；所述激光模组包括激光二极管，用于输出激光线；所述电流测量装置，用于测量所述激光模组的电流；所述激光模组供电装置，用于给所述激光模组提供可调节电压；所述控制装置，接收所述电流测量装置测量的电流信息，并调整所述激光模组供电装置的输出电压。

进一步地，控制装置包括单片机，所述单片机具有模数转换器和利用脉宽调制器或数模转换器或电阻网络组成的电压控制端口。

更进一步地，所述控制装置的电压控制端口与所述激光模组供电装置的电压反馈端口连接，并通过调节所述电压反馈端口的电压进而改变所述激光模组供电装置的输出电压。

更进一步地，所述激光仪器包括至少一个激光模组，所述电流测量装置包括至少一个电流测量模组，用于分别测量每一个激光模组的电流。

更进一步地，所述激光仪器包括至少一个激光模组，所述电流测量装置包括一个电流测量模组，用于测量所有所述激光模组的总电流。

更进一步地，所述人机界面装置，用于输出显示激光仪器的工作状态。

更进一步地，所述激光仪器的控制系的控制方法，包括操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压，驱动激光模组，控制装置通过电流检测装置检测到的激光模组的电流，获得激光模组电流或功率特征参数，并将电流或功率特征参数与存储的特征参数进行比较，如果测量的特征参数不满足存储的特征参数，则通过控制装置调节激光模组供电装置的输出电压，并通过电流检测装置获得激光模组的特征参数，再次比较，直至特征参数满足设定值。

更进一步地，所述存储的特征参数为激光模组的产品参数。

根据本发明的另一方面，一种激光仪器的控制系统，包括：人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电源装置；其中，所述人机界面装置，用于设置激光仪器的工作模式；所述电源装置用于给所述控制系统供电；所述激光模组包括激光二极管，用于输出激光线；所述激光模组供电装置，用于给所述激光模组提供可调节电压；所述控制装置用于调整所述激光模组供电装置的输出电压，所述控制装置内设有计时模块。

进一步地，所述激光仪器的控制系统的控制方法，包括：操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压，驱动激光模组，同时控制装置内的计时模块开始计时，当计时模块达到设定的时间后，控制装置调节激光模组供电装置降低设置电压。

与现有技术相比，本申请提供的一种激光仪器的控制系统及控制方法，通过测量激光模组的电流和供电电压，确定功率增加的拐点，从而确定是否进入到恒功模式。当输入功率超过阀值，则可以降低供电电压，最大可能的提高能源使用效率。激光管驱动电压的特性与温度有关，随着温度升高，激光管的驱动电压逐步降低，如实时降低电压，则可以提高能量使用效率。并且，延长了电池的使用时间。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

图1为现有技术中展示的绿光激光管的特性图。

图2为恒功模式中电压变化和功率之间关系图。

图3为本发明一种激光仪器的控制系统的逻辑框图。

图4为本发明一种激光仪器中的激光模组供电装置的电路原理图。

图5为本发明一种激光仪器的控制系统的控制方法的流程图。

图6为本发明另一种激光仪器的控制系统的控制方法的流程图。

图7为恒流激光二极管两端电压和输入电流随着时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于一种激光仪器的控制系统特别是一种绿光激光仪控制系统。通过研究绿光激光管的特性，如图1（来源于Osram的资料）所示，存在以下规律：

a、随着温度升高，驱动所需的阈值电流增加；

b、随着温度升高，驱动所需的阈值电压降低；

c、随着温度升高，若电流不变，则激光功率降低；

d、电光转换效率较低：约5%~6%（来源于Technical Data）。

绿光激光管的驱动电压设置偏高的原因是低温的时候，需要较高的电压才能点亮（阈值电压），而随着温度升高，阈值电压降低，但是为了保证产品在低温能正常工作，需要将驱动电压提高到激光管在低温下工作的电压。

如图2所示，针对恒功模式的激光模组测试发现，随着输入电压的增加，激光功率基本保持不变，电流略有增加。在环境温度不变，激光模组温度达到平衡后，通过逐步降低电压值，测量激光模组两端电压、激光管两端电压、激光输出功率和输入电流，可以计算出模组总输入功率和激光管输入功率等数据。发现当激光模组的电压低于阈值电压，在输入电压提高时功率增加的比较明显，而一旦输入电压超过阈值电压，模组则进入恒功模式，功率呈现线性增加。

对于多个恒功模组的投线类产品，可以对每一路或者总的激光模组进行电流监控，计算出功率变化情况。操作如下：启动后，由于环境温度等外部情况不确定，则设置模组的输出电压到默认的最大电压，然后逐步降低电压，同时开始采集激光管的电流变化的数值，当出现电流变化较大或者功率（电流*电压）变化较大时，说明上一次的状态是激光模组处于阈值电压/阈值功率的边缘，此时可以记录上次功率作为特征参数的设定值。

对于多个恒流模组的投线类产品，可以对每一路或者总的激光模组进行电流监控，计算出电流变化情况。操作如下：启动后，由于不确定环境温度等外部情况，则设置模组的输出电压到默认的最低电压，并逐步升高电压，同时开始采集激光管的电流变化的数值，当出现电流变化较缓慢或者负增加的时候，说明此时状态是激光模组处于恒流模式，此时可以记录当前电流值作为特征参数。

由于激光管的电光转换效率低，大部分功率作为热能损失掉，因此，开机后，激光管的温度逐步升高，要求的阈值电流增加，而阈值电压因升温而降低，目前激光模组（恒功/恒流）的供电电压是固定的，模组内部只能调节电流变化以维持功率不变，多余电压则变成热能消耗掉。

为此本发明提供的一种激光仪器的控制系统可以改变激光模组需要的电压，如参考图3-4所示，该激光仪器的控制系统包括人机界面装置、控制装置、激光模组供电装置、电流测量装置、电源装置，本实施例特别选择绿光激光仪。其中，该人机界面装置包括开关或者按钮，操作该人机界面装置可以设置激光仪器的工作模式，如开机、关机、切换等。人机界面装置还包括输出显示，可以显示出本激光仪器的工作状态。电源装置用于给该激光仪器控制系统供电。

该激光仪器中包括至少一个激光模组，该激光模组中包括一激光二极管和驱动板，用于输出功率恒定的激光线。系统中的电流测量装置用于测量激光仪器中至少一个激光模组的电流，可以采用合并测量或独立测量的方法，其中合并测量的方法，电路简单，但需要额外控制和计算的步骤；独立测量需要多个测量电路，成本较高，如图1所示本实施例优选采用分开测量。如本领域技术人员可知，电流测量装置，对于小电流常用电流采样电阻转换成电压进行测量，有时会通过运放或者仪表放大器进行放大；对于大电流一般采用霍尔进行测量。本发明优选采用采样电阻加上仪表放大器来测量电流。

激光仪器控制系统中的控制装置包括单片机（如STM8L051，STM8S系列，TI系列单片机），该单片机内具有模数转换器和脉宽调制器或数模转换器或者利用单片机的普通IO构成的电阻网络。该控制装置中的模数转换器用于接收所述电流测量装置测量的电流信息，同时控制装置中的脉宽调制器或者数模转换器或者IO控制的电阻网络形成一个电压调节端口，该端口与激光模组供电装置相连，以调整激光模组供电装置的输出电压。该激光仪器的控制系统中的激光模组供电装置，分别与控制装置与激光模组相连，与控制装置连接用于控制装置进行电压设置，与激光模组连接用于给激光模组提供可调节电压。

如图4所示的电路原理图，控制装置的电压控制端口，如脉宽调制器或数模转换器或者IO口控制的电阻网络，与激光模组供电装置的电压反馈端口连接，控制装置通过脉宽调制器或数模转换器或者IO口控制的电阻网络调节电压反馈端的电压进而改变激光模组供电装置的输出端（VOUT）电压。

本发明还涉及一种基于上述激光仪器控制系统的控制方法，如图5所示，具体内容为：操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压，驱动激光模组，控制装置通过电流检测装置测量激光模组的电流，获得激光模组电流或消耗功率特征参数，控制装置将这电流或消耗功率特征参数与存储的特征参数进行比较，其中存储的特征参数为激光模组的产品参数，如果测量的特征参数不符合存储的特征参数，则通过控制装置调节激光模组供电装置的输出电压，并通过电流检测装置获得激光模组的特征参数，直至特征参数满足设定值。

如图7所示，被测对象是一个恒功激光模组，测试环境温度是20℃。红色方块图是输入电压，绿色三角是激光二极管两端电压，紫色是电流，左侧是电压值，右侧是电流值。激光模组固定输入7.2V电压后，测量激光二极管两端电压和输入电流随着时间的变化曲线。由于激光二极管的发热作用，使得激光二极管两端电压逐步降低，为了维持输出功率不变，则驱动板控制输入电流逐渐增加。如图所示，在约一分钟内，激光二极管两端的电压已经降低了0.2V。设置输入电压为7.2V主要是保证产品在低温下也要能正常启动工作，因此开机后只要时间足够长，让激光管温度升高，那么控制的输入电压是可以降低的。

因此本发明还涉及另一种激光仪器控制系统，包括人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电源装置，其中，人机界面装置，用于设置激光仪器的工作模式；电源装置用于给控制系统供电；激光模组包括激光二极管，用于输出激光线；激光模组供电装置，用于给激光模组提供可调节电压；控制装置用于调整激光模组供电装置的输出电压，且其内设有计时模块。

本发明还涉及基于上述激光仪器控制系统的控制方法，如图6所示，具体方法为：操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压1，驱动激光模组，同时控制装置内的计时模块开始计时，当计时模块达到设定的时间后，控制装置调节激光模组供电装置降低设置电压2。由于没有精确的电流测量，因此为了防止出现激光功率在切换电压后异常降低，电压2的设置值要高于前一种方法，以保证大部分的激光管在电压2下可以正常工作。

所以本发明提供的一种激光仪器的控制系统及控制方法，可以根据相关参数改变激光管需要的电压，从而实现在满足激光恒定输出的情况下，最大可能的提高能源使用效率，延长产品的使用时间。

以上所述，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，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims

1.一种激光仪器的控制系统，其特征在于，包括：人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电流测量装置和电源装置；其中，所述人机界面装置，用于设置激光仪器的工作模式；所述电源装置用于给所述控制系统供电；所述激光模组包括激光二极管，用于输出激光线；所述电流测量装置，用于测量所述激光模组的电流；所述激光模组供电装置，用于给所述激光模组提供可调节电压；所述控制装置，接收所述电流测量装置测量的电流信息，并调整所述激光模组供电装置的输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种激光仪器的控制系统，其特征在于：控制装置包括单片机，所述单片机具有模数转换器和利用脉宽调制器或数模转换器或电阻网络组成的电压控制端口。

3.根据权利要求2所述的一种激光仪器的控制系统，其特征在于：所述控制装置的电压控制端口与所述激光模组供电装置的电压反馈端口连接，并通过调节所述电压反馈端口的电压进而改变所述激光模组供电装置的输出电压。

4.根据权利要求1所述的一种激光仪器的控制系统，其特征在于：所述激光仪器包括至少一个激光模组，所述电流测量装置包括至少一个电流测量模组，用于分别测量每一个激光模组的电流。

5.根据权利要求1所述的一种激光仪器的控制系统，其特征在于：所述激光仪器包括至少一个激光模组，所述电流测量装置包括一个电流测量模组，用于测量所有所述激光模组的总电流。

6.根据权利要求1所述的一种激光仪器的控制系统，其特征在于：所述人机界面装置，用于输出显示激光仪器的工作状态。

7.根据权利要求1所述一种激光仪器控制系统的控制方法，其特征在于：操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压，驱动激光模组，控制装置通过电流检测装置检测到的激光模组的电流，获得激光模组电流或功率特征参数，并将电流或功率特征参数与存储的特征参数进行比较，如果测量的特征参数不满足存储的特征参数，则通过控制装置调节激光模组供电装置的输出电压，并通过电流检测装置获得激光模组的特征参数，再次比较，直至特征参数满足设定值。

8.根据权利要求7所述的一种激光仪器控制系统的控制方法，其特征在于：所述存储的特征参数为激光模组的产品参数。

9.一种激光仪器的控制系统，其特征在于，包括：人机界面装置、控制装置、激光模组、激光模组供电装置、电源装置；其中，所述人机界面装置，用于设置激光仪器的工作模式；所述电源装置用于给所述控制系统供电；所述激光模组包括激光二极管，用于输出激光线；所述激光模组供电装置，用于给所述激光模组提供可调节电压；所述控制装置用于调整所述激光模组供电装置的输出电压，所述控制装置内设有计时模块。

10.根据权利要求9所述一种激光仪器控制系统的控制方法，其特征在于：操作人机界面装置启动所述激光仪器控制系统，控制装置根据设定输出初始电压驱动激光模组，同时控制装置内的计时模块开始计时，当计时模块达到设定的时间后，控制装置调节激光模组供电装置降低设置电压。