CN1236891A - 激光输出测量装置 - Google Patents
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Abstract
激光束LB经过反射镜并穿过光束散射板、ND滤光器42和可见光截止滤光器44而入射到光电二极管46的光束接收表面。电阻加热元件48和向其供电的功率晶体管50固定在第二保持器28的厚侧壁的外壁表面上。第二保持器28带有温度传感器52并被电阻加热元件48和晶体管50产生的热共同加热。温度控制电路接收来自温度传感器52的输出信号并对晶体管50的输出信号进行控制,以使第二保持器28的温度同设定温度相一致。
Description
本发明涉及一种光探测型激光输出测量装置。
在激光加工领域中，使用例如激光输出测量装置来测量激光束的输出(光束强度)，以便实现对加工质量的自动控制。通常，激光输出测量装置大致分成二类，即，使用光-热转换器的热量测量类型如热量表，以及使用光电转换元件如光电二极管的光束探测型。从响应速度的角度来看，近来比较流行的是使用光束探测型测量装置。
这类光电转换元件型测量装置的不便之处在于其具有随温度而变化的光电转换特征，这样，尽管其接收到的是具有相同输出的光束，但却可能却会发出不同的输出信号。因此，如果光电转换元件受环境温度的影响(气温或室温)，则即使激光束输出在早晨和日间之间的时间内保持不变，光电转换元件也会发出不同的输出信号，这将导致产生不同的激光输出测量值。
一种通常的做法是设置一种可将光电转换元件保持在某一温度上而不受周围环境影响的温度控制装置。现有的典型温度控制装置包括导热保持件，各导热保持件不仅安装有光电转换元件，还带有电阻加热元件和温度传感器。于是，保持件由供有电能的电阻加热元件所产生的热加热，而同时保持件的温度被温度传感器所检测，以便通过对电阻加热元件的发热提供通-断控制将保持器的温度保持在某一值上。
在如上所述的被执行通-断控制的温度控制装置中，加热(通)和冷却(断)动作交替进行，结果使保持器或光电转换元件的温度在所设定的温度附近产生周期性波动，并且所产生的这一波动可能会对光电转换元件的输出信号及激光输出测量值产生不利影响。
对该问题的一种可能的解决方法是采用PI(比例积分)控制方式或PWM控制方式做为温度控制的控制方式。这些控制方法允许电阻加热元件连续地(不中断)产生热量而可变地控制发热量，以提供无波动的温度控制。
然而，除非采取特别的措施，否则二种方法中均包含昂贵的控制电路并且因此会导致整体费用的增加，在防止波动方面缺少良好的经济性。此外，在PWM控制方法中，在其与光电转换元件相联系的测量电路中的高频开关电路中会产生噪音。这也使该方法得很难被采用。
本发明的提出就是基于以上问题，因此本发明的目的之一是提供一种激光输出测量装置，其能够以低能耗的有效的、简单的方式提供具有很小波动的、稳定的温度控制，并能在整体费用较低的条件下保证提供高可靠性的激光输出测量值。
本发明的另一个目的在于提供一种能抵御任何可能的温度波动，确保稳定的激光输出测量值的激光输出测量装置。
为了达到上述目的，根据本发明的第一方面，这里提供一种用于测量激光束输出的激光输出测量装置，该装置包括光电转换元件，用于接收激光束以便将激光束的输出转化成电信号；导热保持器，用于固持光电转换元件；以热接合方式固定在保持器上的加热元件，通过向其供电来使其发热；以热接方式固定在保持器上的热幅射功率晶体管，为加热元件提供电能；用于检测保持器温度的温度传感器；和温度控制电路，响应温度传感器的输出信号，对来自晶体管的输出电流提供控制的控制电路，以使保持器的温度同设定温度相一致。
在上述的激光输出测量装置中，温度控制电路可以包括：基准值生成部分，用于产生与设定温度相对应的基准值；比较电路，用于将来自温度传感器的输出信号同与设定温度相对应的基准值进行比较，以产生表明二者之间的比较差值的误差信号；进行比例控制的放大电路，用于按一预定的放大系数成比例地放大误差信号；用于积分控制的积分电路，用于积分误差信号；加法电路，用于将来自放大电路的输出信号同来自积分电路的输出信号相加；以及驱动电路，其响应来自加法电路的输出信号，以恒定电流控制来自晶体管的输出电流。
根据本发明的第二方面，这里提供了一种用来测量激光束输出的激光输出测量装置，其包括：光电转换元件，接收激光束而将激光束的输出转化成电信号；运算放大器，接收来自光电转换元件的电流信号并产生与该电流信号相对应的电压信号；以及连接在所述运算放大器的输入端和输出端之间的反馈电路，反馈电路包括具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的第二电阻。
如上所述的激光输出测量装置还进一步包括温度控制装置，用于将光电转换元件的温度控制在设定温度上，以便从运算放大器输出端获得的激光输出测量值的温度特性曲线上的最大和最小点处的温度可调整到紧靠设定温度。
根据本发明，不仅用于加热的原有加热元件，而且用于为加热元件供电的功率晶体管也以热接合方式安装在用于固定光电转换元件的导热保持器上，以便控制来自晶体管的输出电流，使保持器的温度同设定温度相一致，这样就能以较低的能耗方便有效地获得波动极小的、稳定的温度控制，使得从整体观点来看以较低成本获得高可靠度的激光输出测量值。
此外，根据本发明，以组合晶体管形式提供了一种运算放大器反馈电路，用于将来自光电转换元件的电流信号转换成电压信号，所述组合晶体管包括具有正温度系数的电阻和具有负温度系数的电阻，从而可获得能抵御任何可能的温度波动的稳定的激光输出测量值。
本发明的上述和其他目的，方面，特征和优点将会通过下面结合附图所做的详细描述变得更加清楚，其中：
图1是纵向剖视图，示出了本发明实施例中激光输出测量装置的光束接收单元的总体结构；
图2是局部剖视图，示出了实施例中光束接收单元的主要部分的结构；
图3是示出了实施例中温度控制电路的电路结构的简图；
图4是示出了钇铝石榴石(以下简称YAG)激光加工系统的结构的简图，实施例中的激光输出测量装置就应用在这一系统上；
图5是一个电路图，示出了实施例中光电流-电压转换电路的电路结构的实例；
图6示出了在图5中光电流-电压转换电路中传感器输出的温度特性；
图7是一电路图，示出了实施例中光电流-电压转换电路的一种变形；
图8示出了图7中的光电流-电压转换电路中传感器输出的温度特性。
下面结合有关最佳实施例的附图以非限定方式对本发明加以说明。
图1是一纵向剖视图，示出了根据本发明实施例的激光输出测量装置的激光束接收单元的总体结构，并且图2为局部剖视图，示出了光束接收单元的主要部分。
在由标号10指明的激光束接收单元中，有一个设置在安装底板11上的盒形壳体12，该壳体12上有形成在其一侧壁上的激光束导入窗口12a。在壳体12内部，反射镜14安装在反射镜支架16上，其相对于激光束导入窗口12a成45度角。当从反射镜14看去时，在反射方向上位于壳体12的侧面形成有一开口12b。
在壳体12的中部，有一对棒形支承件18由螺栓20分别固定在壳体12的侧壁及其相对的侧壁上。棒形支承件18在与光轴正交的方向上延伸。第一保持器22的一开口端部(激光束入口部)22a由螺栓24固定在棒形支承件18上，所述第一保持器22具有二次曲线形管的形状并由具有光屏蔽特性的绝缘材料制成，如树脂。
在壳体12上的开口12b附近，由高导热性金属(例如铝)制成的二次曲线形管形状的第二保持器28的一开口端部28a(激光束入口部)与第一保持器22的另一开口端部(激光束输出部)22b通过连接件26相连，连接件26由具有光屏蔽特性的二次曲线形管形状的绝缘材料，例如树脂制成。电路板30同第二保持件28的另一开口端部(激光束输出部)28b相连。4条与光轴平行延伸的那对棒形支承件32的一端与棒形支承件对18固接，而电路板30被螺栓34刚性固定在棒形支承件32的另一端。安装底板11的四角上设有可允许螺栓穿过的安装孔。
在第一保持器22的激光束入口部22a上安装有一防尘玻璃板36，其上带有通过O形圈38设置在玻璃板36内侧的光束散射板40。朝向激光束入口部28a的远侧，第二保持器28上带有多个，例如三个ND(中性)滤光器42和一可见光截止滤光器或红外光透射滤光器44，这些滤光器并排按上述次序在光轴方向依次排列。在激光束输出部28b附近，第二保持器28上带有光电转换元件，例如可以是安装在电路板30上的PIN光电二极管，安装方式为其受光表面朝向滤光器。
第二保持器28的内侧壁表面上形成有一台阶28c，该台阶28c朝中心位置方向稍稍离开二极管46的光束接收表面一定距离。台阶28c起到一个止动器的作用，滤光器42和44被管形连接件26的端面压在该台阶上，这样，滤光器42和44就被牢固地固定在第二保持器28内。
激光从例如一激光振荡单元(未示出)中发射出来并被导至分束器(未示出)上。一部分(例如1％)激光束LB在分束器上被反射并进入到激光束导入窗口12a中。在进入到壳体12内部之后，激光束LB的光路被反射镜14转过90°并穿过玻璃板36、光束散射板40、ND滤光器42及可见光截止滤光器44而入射到光电二极管46的光束接收表面。
第二保持器28的4个侧壁包括一对如图1所示互相面对的薄侧壁以及一对如图2所示彼此面对的厚侧壁。
如图2所示，通过未示出的具有导热性的绝缘片，一个例如金属薄片电阻器形式的电阻加热元件48由螺栓(未示出)牢固地固定在第二保持器28的厚侧壁对中的一个侧壁28d的外壁表面上。而且，通过未示出的具有导热性的绝缘片，晶体管50被螺栓固接在第二保持器28的厚侧壁对的另一个侧壁28e的外侧壁表面上。
在后面将要叙述的温度控制电路的控制下，从晶体管50连续地对电阻加热元件48提供电流(电能)以进行电阻加热。所述温度控制电路位于电路板30或另一块未示出的电路板上。电阻加热元件48以热接合方式固定在第二保持器28上，这样，第二保持器就由电阻加热元件48产生的热来加热。
另一方面，由于提供给电阻加热元件48的电流连续地流经晶体管50的内部电阻，所以晶体管50也会产生并幅射热量。晶体管50也以热接合方式固接在第二保持器28上，这样第二保持器28也由晶体管50产生的热所加热。
在按此方式工作的本实施例的激光输出测量装置中，激光束接收单元10的结构为，不仅是用于加热的原有电阻加热元件48，而且向电阻加热元件48供应电能的热幅射晶体管50也热接合和固定在导热的固持光电二极管46和滤光器42和44的第二保持器28上，这里，第二保持器28被电阻加热元件48和晶体管50产生的热共同加热。
温度传感器，例如热敏电阻52被植入第二保持器28的厚侧壁28e的内部。温度传感器52的端部52a从电路板30的外表面突出来并且通过在电路板30上的连线与温度控制电路的输入端相连。
参考图3，这里示出了在本实施例中所使用的温度控制电路的电路配置。以标号54表示的该温度控制电路包括模拟比较电路56，参考值发生部58，比例放大电路60，积分电路62，加法电路64和运算放大器66以便提供使用PI方式的温度控制。
比较电路56将来自温度传感器52的温度检测信号TS与和来自基准值发生部58的与设定温度(例如45℃)相对应的参考值TA进行比较，以产生一个表示比较误差(TA-TS)的误差信号δ。该来自比较电路56的误差信号δ由比例放大电路60成比例地放大，并同时由积分电路62积分，来自电路62和60的输出信号被加法电路64相加，其和被当做控制信号CS馈送到运算放大器66的非反相输入端。
运算放大器的输出端被连接到NPN功率晶体管50的基极上，而另一反相输入端与晶体管50的发射极相连，并通过一个电阻器68接地。于是，晶体管50的集电极经电阻加热元件48连接到电源电压VB处的电压端70上。运算放大器66，晶体管50，电阻68和电源电压VB共同构成一个恒流电路，响应于控制信号Cs向电阻加热元件48提供特定的输出电流Ic。
在此温度控制电路54中，当第二保持器28的温度低于设定温度时，比较电路56产生正误差信号+δ加到控制信号CS上以提高来自晶体管50的输出电流。于是分别由电阻加热元件48和晶体管50产生的热累积起来，这样，第二保持器28的温度上升。
相反，当第二保持器28的温度高于设定温度时，比较电路56产生负误差信号-δ来减小控制信号，以便使来自晶体管50的输出电流Ic下降。于是，分别由电阻加热元件48和晶体管50产生的热变少，以使得第二保持器28的温度下降。
这样，响应于来自晶体管50的输出电流Ic，电阻加热元件48和晶体管50分别产生热，这样共同产生的热使第二保持器28的温度升高。对晶体管50的输出电流Ic进行连续不间断地控制，以保证第二保持器28的温度同设定温度相一致。
通过以此方式将第二保持器28的温度稳定地保持为紧靠设定温度，由第二保持器28固持的滤光器42和44以及光电二极管46可以不受周围环境温度的影响，而在一大致恒定的温度下工作，并且不受激光束LB的能量的影响。这就保证了具有高精度的高可靠性激光输出测量值。
此外，不仅是用于加热的原有电阻加热元件48所产生的热，而且提供电能的晶体管所产生的热也用来使第二保持器28升温，从而可以获得较高的热效率并因此节省能源。由于PI控制方法要求连续供应电流以产生热量，所以节能效应很重要。
温度控制电路54允许利用恒流电路控制来自晶体管50的输出电流(集电极电流)，以便对整个发热量或加热值进行方便和精确的控制，因此，尽管同使用现有技术的通-断控制方法的控制电路相比，本发明的硬件电路相当昂贵，但其设计和制造比较容易。
这种设计上的便利性以及上述低能耗的优点，使得装置的总成本被压得尽可能的低。此外，由于无需PWM控制方式的控制电路中所需的高频切换动作，所以不存在将噪声传递给与光电二极管46相关的测量电路的危险。
图4示出了一种使用本实施例中激光输出测量装置的YAG激光加工系统的结构。在图4中，与图1至图3中相对应的部分以相同的参考标号表示。
该YAG激光加工系统对来自YAG激光振荡器74振荡和输出的激光束LB的输出提供反馈控制。
YAG激光振荡器74包括：激励光发生装置(例如一激励灯，一半导体激光器等)的YAG杆和光谐振器等，其中，激励光发生装置响应于来自激光输出源72的激励电流而工作，受到激励光发生装置的光能量激发的YAG杆发出具有预定波长成分的光。该具有一特定波长的光被光谐振器谐振放大以提供一激光束LB。该激光束LB经过分束器76，这样一部分在此反射的激光束被导向本实施例的激光输出测量装置的光束接收单元10。
通过分束器76的大部分激光束LB经过未示出的光学镜片直接投射到未示出的工件上。或者，激光束LB可以暂时被传送到未示出的光束输入单元并经过光纤(未示出)送到远处的光束输出单元，从那里射向工件。
从激光输出测量装置的光电二极管46发出的电信号ILB为光电流信号的形式，该光电流信号ILB由光电流-电压转换电路78转换成电压信号SLB。从转换电路78得到的电压信号SLB由采样保持电路80和模拟-数字转换电路82转化成数字信号。此后，该信号被馈送到CPU。
CPU84根据存储在存储器86中的程序工作并对输入的激光输出探测信号SLB进行预定的校准，修正或类似的处理以获得激光束LB的输出的测量值。于是CPU84将如此获得的激光输出测量值同从输入部分90送来并存储在存储器86中的激光输出设定值进行比较，以获得一比较误差，从而为激光输出源70提供用于消除比较误差的控制信号CS。根据需要，还可以在显示部分88上显示激光输出测量值或其他数据。此外，CPU还可以将来自输入部分90的与设定温度相对应的基准值数据传送给温度控制电路54内的基准值发生部58。
图5通过实例示出了用于本实施例的光电流-电压转换电路78的电路结构。图6示出了该转换电路78中传感器输出的温度特性。
光电流-电压转换电路78包括运算放大器92和反馈电阻94和96。运算放大器92具有接地的非反相端和同光电二极管46的输出端(阳极端)相接的反相输出端，且电阻94和96被串联在放大器92的反相输入端和输出端之间。
做为反馈电阻的电阻94和96，其中的电阻94是具有正温度系数的普通电阻，而另一电阻96为例如具有负温度系数的负特性热电阻。
在包含运算放大器92的光电流-电压转换电路中，通过提供串联电阻形式的反馈电路，其中包括具有正温度系数的电阻94和具有负温度系数的电阻96，由运算放大器92或传感器输出的输出电压SLB(预修正的激光输出测量值)可以具有如图6中实线LA所示的温度特性，在某一温度Tp下，其具有最小的传感器输出SLB。
在最小点处的温度Tp取决于例如二个电阻94和96的温度系数和光电二极管46的温度特性。换句话说，适当地选择这些参数能够使最小点温度Tp位于所期望的温度，即，用于温控的设定温度(如45℃)附近。
应当注意到，在图6中，点划线LB表示在反馈电路只包括具有正温度系数的电阻94情况下，传感器输出SLB的温度特性，而虚线LC表示在反馈电路只包括具有负温度系数的电阻96情况下，传感器输出的温度特性。
通过将光电流-电压转换电路78中的传感器输出SLB的温度特性上的最小点Tp以此方式设置到用于进行温控的设定温度附近，尽管受控温度还会发生例如小的波动，但传感器输出SLB将只在最小点Sp的邻近处起伏，这样，同温度起伏变化的幅度相比，其起伏变化的幅度就相当小了，这样就保证了稳定的激光输出测量值。
图7示出了光电流-电压转换电路78的另一种形式的电路结构，同时图8示出了在该变化了的方案中传感器输出的温度特性。
通过提供一种具有并联电阻电路形式的反馈电路，其中包括具有正温度系数的电阻94和具有负温度系数的电阻96，该传感器输出SLB可以具有如图8中实线LA所示的温度特性，以及其在特定温度Tp处的最大传感器输出点SLB。
在此情况下，位于传感器输出SLB的温度特性上的最大点Tp被设置在用于温控的设定温度附近，这样可以用与上述方式相同的方式得到可抵御任何温度波动的稳定的激光输出测量值。
应当理解，在上述实施例中，激光输出测量装置10的光学和机械结构(图1和图2)、温度控制电路54的结构(图3)、激光加工系统的结构(图4)、以及光电流-电压转换电路78的结构(图5和图7)仅仅是示例性的，本发明并不局限于上述结构，且在不脱离其技术实质的情况下可以进行多种修改。
例如，用于固持光电二极管46的保持器28可以采用多种不同的几何形状和结构。加热元件48和晶体管50在保持器28上的安装位置和方式可以有各种不同选择。对于温度控制电路54也可以做出不同的修改并可采取PI控制方法以外的控制方法。
Claims (4)
1．一种用于测量激光束输出的激光输出测量装置，包括：
光电转换元件，用于接收激光束而将所述激光束的输出转换成电信号；
导热保持器，用于固持所述光电转换元件；
以热接合方式固接在所述保持器上的加热元件，用于通过供以电流来发热；
以热接合方式固接在所述保持器上的功率晶体管，用于为所述加热元件提供电能；
温度传感器，用于检测所述保持器的温度；以及
温度控制电路，用于响应来自温度传感器的输出信号，对来自所述晶体管的输出电流进行控制，以便使所述保持器的温度同设定温度相一致。
2．根据权利要求1所述的激光输出测量装置，其中，所述温度控制电路包括基准值发生部，用于产生与设定温度相对应的基准值；比较电路，用于将所述温度传感器的所述输出信号同与设定温度相对应的基准值相比较，以产生表明二者之间的比较误差的误差信号；用于比例控制的放大电路，按预定的放大系数成比例地放大所述误差信号；进行积分控制的积分电路，用于积分所述误差信号；加法电路，用于将来自所述放大电路的输出信号和来自所述积分电路的输出信号相加；驱动电路，用于响应来自所述加法电路的所述输出信号以恒定电流控制所述晶体管的所述输出电流。
3．一种用于测量激光束输出的激光输出测量装置，包括：
光电转换元件，接收激光束而将所述激光束的输出转化成电信号；
运算放大器，用于接收来自所述光电转换元件的电流信号以产生同所述电流信号相对应的电压信号；以及
反馈电路，其连接在所述运算放大器的输入端和输出端之间，所述反馈电路还包括具有正温度系数的第一电阻和具有负温度系数的第二电阻。
4．根据权利要求3所述的激光输出测量装置，包括温度控制装置，用于将所述光电转换元件的温度控制在设定温度，以便使在运算放大器输出端获得的激光输出测量值的温度特性曲线上的最大或最小点处的温度紧靠设定温度被调整。
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