CN114812830A - 激光能量自动监测、校验系统及方法 - Google Patents

Abstract

激光能量自动监测、校验系统及方法，涉及激光能量监测技术领域，解决现有技术中存在的没有依据待测激光的脉宽进行自适应调整检测时间的小型化激光能量检测、校验系统，以及能量检测装置体积大、功耗高以及使用不方便的缺陷问题，本发明用于对激光脉冲能量进行检测、校验。包括采样模块，用于对激光能量进行采样、保持、复位、积分；控制模块，用于控制采集信号放大比例、信号处理通道；校验模块，用于将采集的能量与系统已标定的能量值作对比校验，并依据命令执行自动或手动的能量校正。本发明对激光脉冲持续时间为0.1ms～200ms的激光能量进行监测并校验；实现了对激光脉冲能量的实时自动监测和校验。

Description

激光能量自动监测、校验系统及方法

技术领域

本发明涉及激光能量监测技术领域，具体涉及一种激光能量自动监测、校验系统及方法。

背景技术

激光类医疗器械是通过激光器所产生的激光对人体皮肤相关问题治疗的设备。根据辐射波长、功率及对人体组织器官作用的不同，激光治疗机可用于不同的医疗领域。例如激光脱毛、嫩肤、美白、提拉、紧致、溶脂、治疗红血丝、甲癣、血管性疾病等。

目前国产激光医疗设备的需求不断增加，因此设备输出激光能量的稳定性检测就显得越来越重要。但进口的激光能量检测设备成本高，且结构独立，不方便装配到激光医疗设备中，导致对于激光医疗设备的激光输出能量校验费时费力。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的没有依据待测激光的脉宽进行自适应调整检测时间的小型化激光能量检测、校验系统，以及现有技术中的能量检测装置体积大、功耗高以及使用不方便的缺陷问题，提供一种激光能量自动监测、校验系统及方法。

激光能量自动监测、校验系统，用于对激光脉冲能量进行检测和校验，包括采样模块、控制模块和校验模块；

所述采样模块用于对激光信号进行采样、保持、复位、积分；

所述控制模块用于控制采集通道，控制激光输出过程中的能量采集且对采集后的能量值进行数字化处理；

所述校验模块用于将采集的能量与系统已标定的能量值作对比校验，并根据控制模块的命令执行能量校正。

进一步的，所述系统可对激光脉冲持续时间为0.1ms～200ms的激光能量进行监测并校验。

进一步的，采样模块中包括光电转换电路、信号筛选处理电路、整形滤波电路、A/D转换和换算电路；信号筛选处理电路的信号选择、保持、复位功能均由控制模块给出的控制信号来控制，信号在通过筛选处理电路后送至校验模块。

在控制模块的命令下，在激光输出过程中通过光电转换电路对激光能量进行采样，即自动依据待测激光的出光脉宽调整检测时间，通过信号筛选处理电路和整形滤波电路后再通过A/D转换和换算电路，获得待测激光的能量值；

将所述待测激光的能量值与已知的能量值进行比对，通过能量校验算法判定测得的激光能量是否为正常值，若异常则提出警告。

激光能量自动监测、校验方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、系统上电后，控制模块判断是否需要开启激光能量采集，如果是，执行步骤二；如果否，执行步骤三；

步骤二、控制模块依据采样的激光能量设置采样模块的数字电位器芯片的初始值，以达到光电转换后的放大比例；执行步骤四；

步骤三、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多通道选择开关U3的复位通路，保证采样前信号复位；返回步骤一；

步骤四、控制模块判断是否输出激光，如果是，执行步骤五；如果否，继续判断；

步骤五、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多通道选择开关U3，保证激光采集信号通道打开；

步骤六、采样模块通过积分电路对采样信号进行积分处理；

步骤七、控制模块判断输出的一个脉冲激光是否结束，如果是，执行步骤八；如果否，返回步骤六；

步骤八、整形滤波电路将最终采样信号整形并滤波后传送至校验模块进行校验；

步骤九、判断校验结果是否正常，如果是，结束；如果否，输出异常提示信息，执行步骤十；

步骤十、根据异常提示信息判断是否进行重新调整后校验，如果是，返回步骤二；如果否，结束。

本发明的有益效果：

本发明所述激光能量自动监测、校验系统，精度高，成本低，操作简单，检测能量的范围宽，检测激光的脉宽范围大，能够对激光脉冲持续时间为0.1ms～200ms的激光能量进行监测并校验。

本发明所述的激光能量自动监测、校验方法，实现了对激光脉冲能量的实时自动监测，同时在控制模块和能量校验算法的共同协助下实现激光能量的自动校正。

附图说明

图1为本发明所述的一种激光能量自动监测、校验系统的电路图。

图2为在同一激光脉宽下不同能量间关系示意图。

图3为相同能量下脉宽与注入电压的关系示意图。

图4为本发明所述的一种激光能量自动监测、校验方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，激光能量自动监测、校验系统，该系统用于对激光能量进行监测和校验，具体包括采样模块，控制模块和校验模块；

所述采样模块用于对激光信号进行采样、保持、复位、积分；控制模块用于控制采集通道，控制激光输出过程中的能量采集且对采集后的能量值进行数字化处理；校验模块用于将采集的能量与系统已标定的能量值作对比校验，并依据命令来执行自动或手动的能量校正。

所述采样模块包括光电转换电路、信号筛选处理电路、整形滤波电路、A/D转换和换算电路。信号筛选处理电路的信号选择、保持、复位功能均由控制模块给出的控制信号来控制，信号在通过筛选处理电路后送至控制模块。

所述控制模块先控制光电转换电路的放大比例，再打开信号筛选处理电路的相应通道，然后再在控制模块的命令下，光电转换电路将激光输出过程中的激光信号转换为电信号后，通过信号筛选处理电路，再经过整形滤波电路后，再经A/D转换和换算电路，获得待测激光的能量值。

将所述待测激光能量值与已知的能量值进行对比，通过能量校验算法判定测得的待测激光能量是否为正常值，若异常则提出警告。

所述能量校验算法的基本原理为：在同一激光脉宽下，检测的能量数值间应呈近似直线状态，在不同的脉宽相同的能量值间应近似呈二次曲线，依据拉格朗日算法即可判定采样的数据是否正常；

若启动自动校验功能，则对于异常的能量采样点，系统会依据能量校验算法反推出该能量点的注入电压值，调整注入电压值后再通过输出激光检测能量值来校验是否调整完毕。

结合图1说明本实施方式，所述光电转换电路包括光电池D1，运算放大器U2A，数字电位器芯片W1，电容C6和电阻R1；所述光电池D1的一端接地，另一端接入比较器的反向输入端，光电池D1接收光信号并产生相应电流，电流从光电池D1流出到运算放大器上。所述运算放大器U2A与电容C6、电阻R1和数字电位器芯片W1共同组成电流转电压电路，把光电池D1流出的电流等转成电压信号并按数字电位器芯片W1控制比例放大，然后输送给信号筛选处理电路。所述数字电位器芯片W1，由控制模块控制产生不同的电阻，同电阻R1和R3共同形成不同的放大系数，对不同能量范围的激光能量信号做不同比例放大。

本实施方式中，所述信号筛选处理电路包括多通道选择开关U3，运算放大器U2B，电阻R3，R7，R8，R10、R12和电容C12。所述多通道选择开关U3的其中第一路输入通道接电阻R10，第二路输入通道接经过光电转换电路转换放大后激光能量信号，依据控制模块的控制来切换通道，以达到是采样信号保持还是复位采集信号的目的。所述电阻R10一端接积分模块的输出端，另一端接多通道选择开关U3的第一路输入通道，当控制模块控制多通道选择开关U3的第一输入通道打开时，采样信号将被复位，所述电阻R7和R8一端同时与控制模块和多通道选择开关U3连接，另一端均接地，用于辅助控制模块工作。所述电阻R3一端来自光电转换电路的输出端，另一端接多通道选择开关U3的输入端。

所述运算放大器U2B的正端输入接地，同时负输入端与运算放大器的输出端间接入电容C12，这样当多通道选择开关打开时，在电阻R3和运算放大器的输出信号间形成了积分电路，运算放大器的输出即为激光能量在其出光有效时间上形成的积分信号。

本实施方式中，所述整形滤波电路包括并联的容器C14与稳压管D6，再与电阻R12串联，用于滤除信号干扰并抑制异常突变信号。

本实施方式中，所述A/D转换和换算电路包括数字A/D芯片及外围电路。将通过整形滤波电路后的激光能量信号转换为数字信号送入校验模块。

本实施方式中，待测激光脉冲为持续时间为0.1ms～200ms的激光光束。具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种高精度低成本的激光能量自动监测、校验系统的方法，该方法通过在控制模块的命令下，仅在激光输出过程中通过光电转换电路对激光能量进行采样，通过信号筛选处理电路和整形滤波电路后得到待测激光的能量信号；控制模块对得到的待测激光能量信号进行A/D转换和换算，得到待测激光的能量值；校验模块对测量到的能量与系统已标定的能量值作对比校验，若检测的能量值未在正常范围内则会依据提示和设定来执行手动能量校正或自动能量校正。

本实施方式中，所述的对比校验：是通过能量校验算法来实现的，能量校验算法是在激光输出能量与电压基本关系理论和多次实验测试的经验中总结出来的。其基本原理为：在同一激光脉宽下，检测的能量数值间应呈向上的近似直线状态，在相同的能量下，脉宽与注入电压间应近似呈向下的二次曲线，再依据拉格朗日算法即可判定采样的数据是否在正常的直线或曲线上，具体过程如下：

步骤1：先判断在当前脉宽下特征点能量检测值是否正常，若特征点能量检测值正常(特征点能量检测值与机器中存储的特征点的能量值一致为正常，所述特征点的能量值是预先标定到机器中的)，则特征点能量检测值将形成一条近似直线，采用拉格朗日算法检测到待测试特征点能量检测值在此直线上，则判断为正常，否则为异常。

步骤2：若当前脉宽下特征点能量检测值异常，则依据相同能量下脉宽与注入电压的关系近似呈向下二次曲线的关系，利用其它脉宽下的特征点注入电压值和拉格朗日算法，反推出当前脉宽下特征点的注入电压值，并控制输出激光测得当前脉宽下特征点能量检测值并存储，然后再按步骤1判断待测试能量是否正常。

结合图2和图3说明本实施方式，图2为在同一激光脉宽下不同能量间关系示意图，其中横坐标为能量，纵坐标为注入电压，3条曲线从上到下为别为10ms、15ms、20ms脉宽下的能量值的变化趋势。

图3为相同能量下脉宽与注入电压的关系示意图，其中横坐标为脉宽，纵坐标为注入电压，5条曲线从上到下分别表示能量为13J-17J下随着脉宽的增加，注入电压的变化趋势。

本实施方式中，手动能量校正为：在检测出激光能量异常时，可通过人为操作设置出光的脉宽或是注入电压来重新检测激光能量，达到校正目的；

本实施方式中，自动能量校正为：系统将依据同脉宽能量与注入电压呈近似直线的关系，计算出当前脉宽下特征点(例如：首、尾、中间)的注入电压与能量的关系公式，利用此公式反推出待校正点的注入电压，调整注入电压后再次出光检测能量达到正常范围内即可。

具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的高精度低成本的激光能量自动监测、校验系统的方法，该方法的具体控制流程为：

步骤一、系统上电后，控制模块判断是否需要开启激光能量采集，如果是，执行步骤二；如果否，执行步骤三；

步骤二、控制模块依据采样的激光能量设置采样模块的数字电位器芯片的初始值，以达到理想的光电转换后的放大比例；执行步骤四；

步骤三、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多路开关的复位通路，保证采样前信号复位；返回步骤一；

步骤四、控制模块判断是否输出激光，如果是，执行步骤五；如果否，继续判断；

步骤五、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多路开关，保证激光采集信号通道打开；

步骤六、采样模块的积分电路对采样处理进行积分处理；

步骤七、控制模块判断输出的一个脉冲激光是否结束，如果是，执行步骤八；如果否，返回步骤六；

步骤八、采样模块的整形滤波电路将最终采样信号整形并滤波后传送至校验模块进行校验；

步骤九、所述控制模块判断校验结果是否正常(利用能量校验算法)，如果是，结束；如果否，输出提示信息，执行步骤十；

步骤十、根据提示信息判断是否进行重新调整后校验，如果是，返回步骤二；如果否，结束。

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 (8)

1.激光能量自动监测、校验系统，用于对激光脉冲能量进行检测和校验，包括采样模块、控制模块和校验模块；

所述采样模块用于对激光信号进行采样、保持、复位、积分；

所述控制模块用于控制采集通道，控制激光输出过程中的能量采集且对采集后的能量值进行数字化处理；

所述校验模块用于将采集的能量与系统已标定的能量值作对比校验，并根据控制模块的命令执行能量校正；

所述采样模块包括光电转换电路、信号筛选处理电路、整形滤波电路、A/D转换和换算电路；

所述信号筛选处理电路的信号选择、保持、复位功能均由控制模块给出的控制信号来控制，信号在通过筛选处理电路后送至校验模块；

在控制模块的命令下，在激光输出过程中通过光电转换电路对激光能量进行采样，即：自动依据待测激光的出光脉宽来调整检测时间，通过信号筛选处理电路和整形滤波电路后再通过A/D转换和换算电路，获得待测激光能量值；

将所述待测激光能量值与已知的能量值进行对比，通过能量校验算法判定测得的待测激光能量是否为正常值，若异常则提出警告。

2.根据权利要求1所述的激光能量自动监测、校验系统，其特征在于：所述系统对激光脉冲持续时间为0.1ms～200ms的激光能量进行监测并校验。

3.根据权利要求1所述的激光能量自动监测、校验系统，其特征在于：

所述光电转换电路包括光电池D1，运算放大器U2A，数字电位器芯片W1，电容C6和电阻R1；

所述光电池D1的一端接地，另一端分别与运算放大器U2A的反向输入端、电阻R1的一端以及电容C6的一端连接；电阻R1的另一端与数字电位器芯片W1的输入端连接；电容C6另一端分别与数字电位器芯片W1的输出端、运算放大器U2A的输出端以及信号筛选处理电路中的电阻R3的一端连接；运算放大器U2A的正向输入端接地；

所述光电池D1接收光信号并产生电流，电流从光电池D1流出至运算放大器U2A上；所述运算放大器U2A与电容C6、电阻R1和数字电位器芯片W1共同组成电流转电压电路，将光电池D1流出的电流转成电压信号并按数字电位器芯片W1控制比例放大，然后传送至信号筛选处理电路；

所述数字电位器芯片W1，由控制模块控制产生不同的电阻，与电阻R1共同形成不同的放大系数，对不同能量范围的激光能量信号进行不同比例放大。

4.根据权利要求1所述的激光能量自动监测、校验系统，其特征在于：

所述信号筛选处理电路包括电阻R3、多通道选择开关U3、运算放大器U2B、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R12和电容C12；

所述多通道选择开关U3的第一路输入通道与电阻R10的一端连接，第二路输入通道与电阻R3连接，多通道选择开关U3的输出端与运算放大器U2B的反向输入端连接，多通道选择开关U3的控制端与控制模块连接，通过控制切换通道，实现选通信号或是信号复位的功能；

所述电阻R10另一端分别与电容C12的一端以及运算放大器U2B的输出端连接，当控制模块控制多通道选择开关U3的第一输入通道打开时，采样信号将被复位；

所述电阻R7的一端和电阻R8的一端分别与控制模块以及多通道选择开关U3连接，用于辅助控制模块工作，另一端均接地；

所述运算放大器U2B的正向输入端接地，负向输入端分别与电容C12的一端以及多通道选择开关U3的输出端连接；当多通道选择开关打开时，在电阻R3和运算放大器U2B的输出信号间形成了积分电路，运算放大器U2B的输出即为激光能量在有效出光时间上形成的积分信号。

5.根据权利要求1所述的激光能量自动监测、校验系统，其特征在于：

所述整形滤波电路包括并联的电容C14与稳压管D6，再与电阻R12另一端串联，用于滤除信号干扰并抑制异常突变信号。

6.根据权利要求1所述的激光能量自动监测、校验系统，其特征在于：

所述A/D转换和换算电路包括数字A/D芯片及外围电路，将通过整形滤波电路后的激光能量信号转换为数字信号送入校验模块。

7.根据权利要求1-6所述的激光能量自动监测、校验系统的方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、系统上电后，控制模块判断是否需要开启激光能量采集，如果是，执行步骤二；如果否，执行步骤三；

步骤二、控制模块依据采样的激光能量设置采样模块的数字电位器芯片的初始值，以达到光电转换后的放大比例；执行步骤四；

步骤三、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多通道选择开关U3的复位通路，保证采样前信号复位；返回步骤一；

步骤四、控制模块判断是否输出激光，如果是，执行步骤五；如果否，继续判断；

步骤五、控制模块开启采样模块的信号筛选处理电路中多通道选择开关U3，保证激光采集信号通道打开；

步骤六、采样模块通过积分电路对采样信号进行积分处理；

步骤七、控制模块判断输出的一个脉冲激光是否结束，如果是，执行步骤八；如果否，返回步骤六；

步骤八、整形滤波电路将最终采样信号整形并滤波后传送至校验模块进行校验；

步骤九、判断校验结果是否正常，如果是，结束；如果否，输出异常提示信息，执行步骤十；

步骤十、根据异常提示信息判断是否进行重新调整后校验，如果是，返回步骤二；如果否，结束。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤九中，判断校验结果是否正常，具体通过能量校验算法进行校验，具体为：

步骤九一、若当前脉宽下特征点能量检测值与预存储的特征点的能量值一致，则所述特征点能量检测值为正常，所述特征点能量检测值将形成一条近似直线；

采用拉格朗日算法判断待测点的能量值是否在所述近似直线上，如果是，则判断为正常，结束；否则为异常；

步骤九二、若当前脉宽下特征点能量检测值异常，则根据相同能量下不同脉宽与注入电压呈近似二次曲线的关系，采用其它脉宽下的特征点的注入电压值和拉格朗日算法，反推出当前脉宽下特征点能量检测值的注入电压值，并控制输出激光检测获得当前脉宽下特征点能量检测值并存储，然后返回步骤九一。

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