CN115986548A - 一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置和方法，包括：控制单元、光敏采样单元、温度采样单元、光强温度补偿计算单元和光强功率计算单元。控制单元与激光器的恒流源连接，恒流源接收控制单元的指令向激光器输出设定电流值的电流。光敏采样单元位于激光器的输出部件附近，温度采样单元连接于光敏采集单元的采样电路，所述光强温度补偿计算单元与温度采样单元和光敏采样单元连接，一端与光强功率计算单元连接，光强功率计算单元与光强温度补偿计算单元连接，一端与控制端连接。本发明能够实现在光敏传感器及其放大电路环境温度大幅变化时对激光器输出功率的实时校准与修正，解决了传感器温度变化导致的功率输出不准的问题。

Description

一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置和方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置和方法。

背景技术

在激光加工中，激光器输出功率会受进水温度波动、泵源是否完全达到热平衡等因素的影响，这将严重影响激光切割、激光焊接等激光加工工艺的稳定性，主要表现为在焊接过程中熔池深浅不一，在切割过程中切割面断面质量不一致等现象。

现在具有输出功率自动实时校准方法的激光器，主要利用采样传感单元对激光器输出功率进行实时采样，利用计算单元和控制单元对激光器输出功率偏差进行实时计算并由控制端进行相应功率补偿，如图1所示。

所叙方案中的关键点在于光敏传感器的精确度，精确度就会直接影响功率补偿的准确性。然而现有的光敏传感器以及其配套的信号放大电路中必不可少的运算放大器由于机制原因，这些器件都不可避免的会受温度影响。另一方面激光器机箱内部会存在大量的杂散光，这些杂散光会随机照射在光敏传感器外壳、机箱壁或者机箱盖上然后转换为热量，导致光敏传感器及其放大电路的环境温度必然会随着开光时长的增加而增加。随着光敏传感器及其放大电路所处环境温度的增加，会出现相同光强信号采集值随温度增大而增大的现象，即便采用了PID算法等闭环反馈算法用于稳定输出功率，但仍会造成激光器输出功率逐步走低、偏离目标值的情况，影响激光加工工艺的稳定性。

发明内容

本发明提供一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置和方法，解决光敏传感器及其放大电路所处环境温度变化所引起的激光器输出功率逐步走低、偏离目标值的问题。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的。

本发明提供一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置，包括控制单元、光敏采样单元、温度采样单元、光强温度补偿计算单元和光强功率计算单元；

控制单元与恒流单元连接，实现根据光强功率计算单元反馈的实际输出功率值和设置功率值，实时计算出分配电流值，对恒流源进行输出电流调整，恒流源为激光器供电；

光敏采样单元连接于激光器的激光输出头，用于实时采样激光输出功率；

温度采样单元连接于光敏采集单元的采样电路，用于实时采样光敏传感器及其放大电路的工作温度；

光强温度补偿计算单元与温度采样单元和光敏采样单元连接，一端与光强功率计算单元连接，用于计算温度补偿后的激光光强值；

光强功率计算单元与光强温度补偿计算单元连接，一端与控制端连接，用于计算激光器输出功率值。

优选的，所述光强温度补偿计算单元内置有温度光强标定模块，完成光强和温度的标定功能。

一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准方法，包括步骤：

Step1：用户设置激光器输出功率，控制单元比较当前正在输出的功率值和设置功率值根据功率差值计，利用闭环反馈算法，如PID算法，计算出分配电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出；

Setp2：光敏采样单元和温度采样单元对激光输出光强进行实时采样，光强温度补偿计算单元根据光强-温度关系、采集光敏采样单元中电路温度值T和激光光强值PD_sample实时计算，得出温度补偿后的激光光强值PD_comp；

Step3:光强功率计算单元将校准后的激光光强值PD_comp，代入功率-光强标定表计算出当前实际输出功率值P_out；

Step4：控制单元根据设置功率值P_set和计算后的实际输出功率值P_out之间的差值，利用闭环反馈算法，如PID算法，计算出修正之后的设置电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出，重复步骤Step2～Step4，直至输出功率达到设定功率。

优选的，所述光强-温度关系表示为标定表、拟合曲线、或经验公式。

优选的，所述Step2进一步细分为：

Step21：预先在温箱中完成光敏传感器及其放大电路的光强-温度标定，标定表包含在各档光强下光敏传感器及其放大电路在不同温度下相较于25℃时采集值的偏差百分比；

Step22：光强温度补偿计算单元根据采集的激光光强值PD_sample和光敏采集单元电路温度值T，通过查询光强-温度标定表得出该光强的补偿偏差百分比：PCT_t，然后将采集值PD_sample和补偿偏差百分比值PCT_t计算出温度补偿后的激光光强值PD_comp=PD_sample/(1+PCT_t)。

本发明的有益效果在于，在光敏传感器环境温度大幅变化时，仍可以实现激光器输出功率的高精度实时校准与修正，解决了现有技术中由于传感器温度变化导致的功率输出不准的问题，从而实现激光器在复杂温度环境下输出功率的稳定。

附图说明

图1是现有技术中具有输出功率自动实时校准的方法激光器的控制逻辑图。

图2是本发明的温度补偿的激光器输出功率实时校准功能的激光器控制逻辑图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本实施例的温度补偿的激光器输出功率实时校准功能的激光器控制逻辑图。一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置，包括：控制单元、光敏采样单元、温度采样单元、光强温度补偿计算单元和光强功率计算单元。控制单元与激光器的恒流源连接，恒流源接收控制单元的指令向激光器输出设定电流值的电流。所述光敏采样单元位于激光器的输出光纤附近，所述温度采样单元连接于光敏采集单元的采样电路，所述光强温度补偿计算单元与温度采样单元和光敏采样单元连接，一端与光强功率计算单元连接，所述光强功率计算单元与光强温度补偿计算单元连接，一端与控制端连接。

基于上述的具有温度补偿的激光器输出功率自动实时校准的装置，一种具有温度补偿的激光器输出功率自动实时校准的方法包括：

Step1：用户设置激光器输出功率，控制单元比较当前正在输出的功率值和设置功率值根据功率差值计，根据PID反馈算法（工控领域内常见算法），算出分配电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出；

Setp2：光敏采样单元和温度采样单元对激光输出光强进行实时采样，光强温度补偿计算单元根据光强-温度标定表、采集光敏采样单元中电路温度值T和激光光强值PD_sample实时计算，得出温度补偿后的激光光强值PD_comp。

步骤Step2包括：

Step21：预先在温箱中完成光敏传感器及其放大电路的光强-温度标定，标定表包含在各档光强下光敏传感器及其放大电路在不同温度下相较于25℃时采集值的偏差百分比。例如，在25℃时先调整光强值PD_25为10，然后逐步调整温度值同时保持光强不变，光敏传感器及其放大电路依次采集各个温度下的光强值PD_t，然后根据当前光强值计算出在该温度下相较于25℃时偏差百分比值，PCT_t = (PD_t/PD_25-1)×100%，PCT_t是在当前温度下相较于25℃的光强偏差百分比，PD_25是在当前设定光强档位下25℃时的光强采样值，PD_t是在当前光强下不同温度时的光强采集值。光强为10的档位标定完成后然后再标定光强为20的档位，这样逐档标定，直至所有光强档位全部标定完成，最终生成一个光强-温度标定表。

Step22：光强温度补偿计算单元根据采集的激光光强值PD_sample和光敏采集单元电路温度值T，通过查询光强-温度标定表得出该光强的补偿偏差百分比：PCT_t，然后将采集值PD_sample和补偿偏差百分比值PCT_t计算出温度补偿后的激光光强值PD_comp=PD_sample/(1+PCT_t)。

Step3:光强功率计算单元将校准后的激光光强值PD_comp，代入功率-光强标定表计算出当前实际输出功率值P_out。

Step4：控制单元根据设置功率值P_set和计算后的实际输出功率值P_out之间的差值，采用PID反馈算法，计算出修正之后的设置电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出，重复步骤Step2～Step4，直至输出功率达到设定功率。

实例1

设定激光器需要输出的功率值P_set为1kW，由于t0时刻前激光器没有输出，所以采集到的光强值PD_sample为0，采集到的温度值T为29.5℃，经光强温度补偿计算单元查表计算出的补偿后的光强值PD_comp依然为0，光强功率计算单元计算出此时实际输出激光功率值P_out为0W。控制单元根据1kW的设置功率和0W的实际输出功率，此时功率差值为1kW，采用PID算法计算出分配电流值I1，恒流源根据I1进行电功率输出，激光器此时的实际输出功率值为0.9kW。在t1时刻光敏采样单元采集值PD_sample为50，此时温度采样单元采集值T为30.5℃，光强温度补偿计算单元通过查表得出光强值在40-60档位、温度为30-31℃档位时光强的温度补偿值PCT_t为2%，从而计算出补偿后的PD_comp =50/(1+2%)=49。光强功率计算单元将PD_comp的值代入功率-光强标定表得出此时实际输出功率值P_out为0.9kW。控制单元将计算的实际输出功率值和设定功率进行对比，发现此时功率差为0.1kW。控制单元根据0.1kW的功率差值计算出功率差值计算出补偿电流值I2。控制单元此时将前次设置的I1和此次计算出的补偿电流值I2加在一起作为本次的分配电流值发送给恒流单元，恒流单元按照I1+I2进行电功率输出，激光器此时的实际输出功率值为1.02kW。在t2时刻光敏采集单元和温度采集单元再次采集输出光强值和光敏单元当前温度值，然后在由光强温度补偿计算单元和光强功率计算单元计算出此时实际输出功率值P_out为1.02kW。控制单元根据反馈的1.02kW的实际输出功率再次计算出补偿电流值I3，恒流单元按照I1+I2+I3进行电功率输出，此时激光器输出功率值为0.99kW。如此循环控制，以实现实际输出功率再1kW±xW之间，其中x为设置的功率允许偏差范围。

Claims (5)

1.一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置，其特征在于：包括控制单元、光敏采样单元、温度采样单元、光强温度补偿计算单元和光强功率计算单元；

控制单元与恒流单元连接，实现根据光强功率计算单元反馈的实际输出功率值和设置功率值，实时计算出分配电流值，对恒流源进行输出电流调整，恒流源为激光器供电；

光敏采样单元位于激光器的输出部件附近，用于实时采样激光输出功率；

温度采样单元连接于光敏采集单元的采样电路，用于实时采样光敏传感器及其放大电路的工作温度；

光强温度补偿计算单元与温度采样单元和光敏采样单元连接，一端与光强功率计算单元连接，用于计算温度补偿后的激光光强值；

光强功率计算单元与光强温度补偿计算单元连接，一端与控制端连接，用于计算激光器输出功率值。

2.根据权利要求1所述的温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置，其特征在于：所述光强温度补偿计算单元内置有温度光强标定模块，完成光强和温度的标定功能。

3.基于权利要求1所述的温度补偿的激光器输出功率自动实时校准装置的一种温度补偿的激光器输出功率自动实时校准方法，其特征在于，包括步骤：

Step1：用户设置激光器输出功率，控制单元比较当前正在输出的功率值和设置功率值，根据功率差值，利用闭环反馈算法，计算出分配电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出；

Setp2：光敏采样单元和温度采样单元对激光输出光强进行实时采样，光强温度补偿计算单元根据光强-温度关系、采集光敏采样单元中电路温度值T和激光光强值PD_sample实时计算，得出温度补偿后的激光光强值PD_comp；

Step3：光强功率计算单元将校准后的激光光强值PD_comp，代入功率-光强标定表计算出当前实际输出功率值P_out；

Step4：控制单元根据设置功率值P_set和计算后的实际输出功率值P_out之间的差值，利用闭环反馈算法，计算出修正之后的设置电流值I_set，恒流源输出相应电流值，激光器按照设定功率输出，重复步骤Step2～Step4，直至输出功率达到设定功率。

4.根据权利要求3所述的温度补偿的激光器输出功率自动实时校准方法，其特征在于：所述光强-温度关系表示为标定表、拟合曲线或经验公式。

5.根据权利要求3所述的温度补偿的激光器输出功率自动实时校准方法，其特征在于，所述Setp2进一步细分为：

Step21：预先在温箱中完成光敏传感器的光强-温度标定，标定表包含在各档光强下光敏传感器在不同温度下相较于25℃时采集值的偏差百分比；

Step22：光强温度补偿计算单元根据采集的激光光强值PD_sample和光敏采集单元电路温度值T，通过查询光强-温度标定表得出该光强的补偿偏差百分比：PCT_t，然后将采集值PD_sample和补偿偏差百分比值PCT_t计算出温度补偿后的激光光强值PD_comp=PD_sample/(1+PCT_t)。

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