CN1534282A - 光纤束的辐射功率反馈传感器 - Google Patents
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Abstract
一种辐射功率反馈传感器检测光纤束的功率输出。光纤束关于轴线一般辐射状地排列以传送由激光产生的辐射能量。隔离器放置在光纤束内，使得光纤束一般地包围隔离器。隔离器用来使辐射能量能够从其中穿过。然后，光电探测器邻近隔离器放置并且是可操作的，以响应穿过隔离器的辐射能量的测量强度而输出信号。因此，由于光电探测器周围的光纤束的包围，更多的单独光线暴露给光电探测器，从而减小激光的测量输出和真实输出之间的偏差。
Description
技术领域
本发明一般地涉及焊接，更特别地涉及一种测量激光束的功率输出的改进装置。
背景技术
激光焊接通常用来在焊接区接合塑料或树脂零件例如汽车热塑性零件。激光的这种使用的一个例子可以在美国专利4,636,609号中找到，其在此引入作为参考。
如众所周知的，激光器以特定频率提供聚焦电磁辐射束(即相干单色辐射)。有许多类型的激光器可供使用；但是，红外激光器或非相干源提供相对经济的供加热焊接区使用的辐射能量源。红外焊接的一个具体例子称为透射红外焊接(TTIR)。TTIR焊接利用能够产生由光纤、波导或光导引导通过第一塑料零件并进入第二塑料零件的红外辐射的红外激光器。该第一塑料零件经常称为透射件，因为它一般地允许来自激光器的激光束从其中穿过。但是，第二塑料零件经常称为吸收件，因为该零件一般地吸收激光束的辐射能量以在焊接区中产生热量。焊接区中的该热量使透射件和吸收件熔化从而焊接到一起。
具有关于激光强度的精确反馈信息以在焊接过程中调节或至少测量激光输出经常是重要的。该信息必须可靠地指示真实激光束强度，以向控制器或工人提供充分信息。但是，因为在TTIR投入焊接中整个焊接区被同时照射，使用常规分束器测量穿出光纤束后在焊接表面处的激光强度是不能实行的。另外，因为在激光二极管和光纤束之间有不可预知的耦合损耗，在激光二极管的输出光进入光纤束之前测量该输出光是非典型的因而是不可靠的。因此，任何可靠的激光束采样必须当激光束穿过光纤束时执行。
遗憾的是，来自激光二极管的激光的分布不是均匀的。因此，每个单独光纤中的光强度固有地有差异。因而，单个单独光纤中的光强度不能代表整个光纤束中的光强度。理想地，由任何传感器提供的期望反馈信息是关于光纤束中的全部光纤，这将消除各个光纤之间存在的差异。统计上，采样的光纤数越多，反馈信号(即测量输出)和真实功率输出之间的随机偏差越小。关于图4，样品总数与均匀性变化50％的激光束输入的测量输出和真实输出的偏差之间的统计关系被显示。
过去将光纤总数的小百分比反馈给光电二极管的试验是不成功的，部分地因为测量输出和真实输出功率之间的偏差太高。另一方面，反馈光纤的大百分比的试验产生较小偏差，但是消耗太多能量，否则这些能量可以用于焊接。
因此，在相关领域中需要提供一种装置，其能够使激光的测量功率输出和真实功率输出之间的偏差达到最小。此外，在相关领域中需要提供一种装置，其能够使激光的测量功率输出和真实功率输出之间的偏差达到最小而不消耗否则可用于焊接的能量。更进一步，在相关领域中需要提供一种装置和方法，使用该装置和方法能够克服现有技术的缺点。
发明内容
根据本发明的原理，辐射(radial)功率反馈传感器被提供，其可靠并准确地检测光纤束的功率输出。光纤束关于轴线一般辐射状地排列，以传送由激光产生的辐射能量。隔离器放置在光纤束内，使得光纤束一般地包围隔离器。隔离器用来使辐射能量能够从其中穿过。然后，光电探测器邻近隔离器放置并且是可操作的，以响应穿过隔离器的测量辐射能量强度来输出信号。因此，由于光电探测器周围的光纤束的包围，更多单独光线暴露给光电探测器，从而减少激光的测量输出和真实输出之间的偏差。
本发明更多的适用性领域将从在下文提供的详细描述变得明白。应当理解虽然详细描述和具体实施例指示本发明的优选实施方案，但是它们仅是出于说明目的，而不是打算限制本发明的范围。
附图说明
本发明将从详细描述和附随附图变得更加完全明白，其中：
图1是说明根据本发明原理的放置在光纤束内的辐射功率反馈传感器的侧视图；
图2是辐射功率反馈传感器和光纤束的透视图，其中为了清楚去掉了一部分；
图3是沿着图1的线3-3取的横截面视图；以及
图4是说明对于50％的输入变化率传感器功率信号和真实光纤束输出功率之间的统计偏差的曲线。
具体实施方式
下面优选实施方案的描述本质上仅是示范性的，决不是打算限制本发明、其应用或使用。
参看附图，辐射(radial)功率反馈传感器10根据本发明原理来提供。辐射功率反馈传感器10放置在光纤束12内，以测量红外激光器14的激光输出强度。更具体地，关于图1和2，光纤束12耦合到红外激光器14，以传送从其中穿过的辐射能量。应当认识到本发明的原理不限于使用红外激光器。本发明的优点可以用许多常规激光装置的任何一种来获得。
光纤束12包括关于轴线A一般辐射状排列放置的许多一般空心单独(individual)光纤16。许多单独光纤16的每一根能够将来自红外激光器14的激光束输出的至少一部分以常规方式从第一端18传送到第二端20。许多单独光纤16的每一根的结构是易弯曲的。
如在图1-3中很好地看到，辐射功率反馈传感器10优选地包括隔离器22和光电探测器24。隔离器22优选地由透明或半透明材料制成，并且是圆柱形的，以放置在光纤束12的许多单独光纤16的核心内。隔离器22约束关于光纤束12的轴线A均匀扩展的许多单独光纤16的每一根，以这样一种方式使得很多单独光纤16从隔离器22的内部是同等可见的。在隔离器22的一端，沿着光纤束12的轴线A放置光电探测器24。光电探测器24测量从单独光纤16的包层漏出的高角度光，并且输出信号到装置26，例如控制器、计算机、读出显示器等。因为很多单独光纤16被光电探测器24检测，在光纤束12的第二端20处光电探测器24测量的输出和真实功率输出之间的偏差是低的。
如图1-3中所示，隔离器22优选地在第一端28处是锥形的，使得能够平滑挠曲隔离器22和光电探测器24周围的许多单独光纤16。另外，隔离器22优选地还包括在第二端30处的特制外形，以配合光电探测器24。在本实施方案中，光电探测器24被显示放置在隔离器22的第二端30中形成的容纳孔32中，其精密地符合光电探测器24的形状，以准确并可靠地将光电探测器24夹持在其中，就像压合连结一样。但是，应当认识到可以使用有助于夹持或至少接触光电探测器24以利于光电探测器的操作的任何形状的第二端30。例如，第二端30可以是有助于将光能集中到光电探测器24上的波状外形。
隔离器22优选地由能透射待检测的给定光的透明材料制成，例如聚碳酸酯、塑料、玻璃等。透明塑料是由于它的一般可获得性和低成本。应当明白虽然透明是优选的，因为更大比例的光可以被检测，但是隔离器22可以是透明的或半透明的。隔离器也可以是实心的或空心的。虽然，对于本实施方案，隔离器22是实心的以使光电探测器24的固定简单。
光电探测器24可以是能够响应测量的光强度而输出可变信号的任何类型光电探测器。例如，光电探测器24可以是光电二极管、光电晶体管、光电池等。但是，光电二极管是最优选的，因为它的总体信号响应性。辐射功率反馈传感器10可以使用隔离器22和光电探测器24的任何组合，其以均等的方式将光纤束12的很多单独光纤线16提供给光电探测器24。
再参看图1-3，许多单独光纤16被显示辐射状地放置在轴线A周围并一般地平行于轴线A。但是，应当明白许多单独光纤16可以相对于隔离器22和/或光电探测器24定在其他方向，例如垂直于轴线A，以利于测量从许多单独光纤16的每一根的包层漏出的高角度光。
应当明白，当许多单独光纤16放置在辐射功率反馈传感器10周围时，许多单独光纤16的每一根仅需要占据隔离器22和光电探测器24周围的整个圆周的小部分，以被光电探测器24均等地检测。但是，优选地放置单独光纤16完全包围隔离器22，以使对任何给定几何形状的检测面积最大。
根据本发明原理，辐射功率反馈传感器10能够测量由光纤束12传送的总光功率，而不会引起光纤束12中的任何额外功率损失。使隔离器22和光电探测器24放置在光纤束12内的该排列使更多单独光纤16能够被光电探测器24检测。因为很多单独光纤16被光电探测器24检测，与常规方法相比，激光器14的测量功率输出和真实功率输出之间的偏差低得多。另外，因为功率输出在光纤束12自身内检测，不再需要在光纤束12端部的反馈检测器的额外空间。这提供了TTIR投入焊接系统中更大的加工灵活性。作为非限制的实例，已经确定使用1/2”辐射功率反馈传感器用全部8600根光纤的1600根可见光纤本发明能够获得4.5％的偏差。
本发明的描述本质上仅是示范性的，因此不背离本发明要旨的改变被认为在本发明的范围内。这种改变不认为是背离本发明的本质和范围。
Claims (22)
1.一种检测光纤束的功率输出的传感器，所述光纤束关于轴线一般辐射状地排列以传送辐射能量，所述传感器包括：
隔离器，放置在光纤束内，使得光纤束一般地包围所述隔离器，所述隔离器是可操作的以使辐射能量能够从其中穿过；以及
光电探测器，放置在所述隔离器邻近，所述光电探测器是可操作的以响应穿过所述隔离器的测量辐射能量强度而输出信号。
2.根据权利要求1的传感器，其中所述隔离器可以关于光纤束的轴线一般同轴地放置。
3.根据权利要求1的传感器，其中所述隔离器包括第一端和第二端，所述第一端是一般锥形的以允许所述隔离器周围的光纤束的平滑过渡。
4.根据权利要求3的传感器，其中所述第二端包括容纳孔，所述容纳孔被调整大小以容纳所述光电探测器于其中。
5.根据权利要求4的传感器，其中所述容纳孔被调整大小以定义与所述光电探测器的压入配合。
6.根据权利要求1的传感器，还包括：
控制器，可操作地耦合到所述光电探测器，所述控制器接收来自所述光电探测器的所述信号。
7.根据权利要求1的传感器，其中所述光电探测器从基本上由光电二极管、光电晶体管和光电池构成的组中选择。
8.根据权利要求1的传感器，其中所述隔离器由基本上选自塑料、玻璃和聚碳酸酯构成的组中的材料制成。
9.一种传感器组件，包括：
光纤束，具有关于轴线一般辐射状排列的许多单独光纤，所述光纤束是可操作的，以传送从其中穿过的辐射能量；
隔离器，放置在所述光纤束内，使得所述许多单独光纤一般地包围所述隔离器，所述隔离器是可操作的以使所述辐射能量能够从其中穿过；以及
光电探测器，放置在所述隔离器邻近，所述光电探测器是可操作的以响应穿过所述隔离器的所述辐射能量的测量强度而输出信号。
10.根据权利要求9的传感器组件，其中所述隔离器关于所述光纤束的所述轴线一般同轴地放置。
11.根据权利要求9的传感器组件，其中所述隔离器包括第一端和第二端，所述第一端是一般锥形的以允许所述隔离器周围的所述许多单独光纤的平滑过渡。
12.根据权利要求11的传感器组件，其中所述第二端包括容纳孔，所述容纳孔被调整大小以容纳所述光电探测器于其中。
13.根据权利要求12的传感器组件，其中所述容纳孔被调整大小以定义与所述光电探测器的压入配合。
14.根据权利要求9的传感器组件，还包括：
控制器，可操作地耦合到所述光电探测器，所述控制器接收来自所述光电探测器的所述信号。
15.根据权利要求9的传感器组件，其中所述光电探测器从基本上由光电二极管、光电晶体管和光电池构成的组中选择。
16.根据权利要求9的传感器组件，其中所述隔离器由基本上选自塑料、玻璃和聚碳酸酯构成的组中的材料制成。
17.一种激光器组件，包括：
激光器，输入辐射能量；
光纤束，具有关于轴线一般辐射状排列的许多单独光纤，所述光纤束耦合到所述激光器，以传送从其中穿过的所述辐射能量；
隔离器，放置在所述光纤束内，使得所述许多单独光纤一般地包围所述隔离器，所述隔离器是可操作的以使所述辐射能量能够从其中穿过；
光电探测器，放置在所述隔离器邻近，所述光电探测器是可操作的以响应穿过所述隔离器的所述辐射能量的测量强度而输出信号，从而确定所述激光器的输出级；以及
控制器，可操作地耦合到所述光电探测器，所述控制器接收来自所述光电探测器的所述信号。
18.根据权利要求17的激光器组件，其中所述隔离器关于所述光纤束的所述轴线一般同轴地放置。
19.根据权利要求17的激光器组件，其中所述隔离器包括第一端和第二端，所述第一端是一般锥形的以允许所述隔离器周围的所述许多单独光纤的平滑过渡。
20.根据权利要求19的激光器组件，其中所述第二端包括容纳孔，所述容纳孔被调整大小以容纳所述光电探测器于其中。
21.根据权利要求17的激光器组件，其中所述光电探测器从基本上由光电二极管、光电晶体管和光电池构成的组中选择。
22.根据权利要求17的激光器组件，其中所述隔离器由基本上选自塑料、玻璃和聚碳酸酯构成的组中的材料制成。
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