CN206772220U - 激光功率控制系统及激光轮廓测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种激光功率控制系统及激光轮廓测量装置。所述激光功率控制系统包括：微控制器，用于输出脉冲宽度调制信号，作为激光器的激光功率大小的调节信号；直流转换电路，用于将所述脉冲宽度调制信号转换为直流信号；压控电流源，输出大小随所述直流信号的电压大小变化的电流作为所述激光器的驱动电流；光强采集单元，用于采集所述激光器发射的激光被被测物体反射后反馈到所述光强采集单元的光强度；所述微控制器根据所述光强度调节输出的脉冲宽度调制信号的占空比，以将所述光强度稳定在目标值。本实用新型通过采集单元采集被测物体反射回的光强度，可以稳定激光轮廓测量装置的测量质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器，特别是涉及一种激光功率控制系统，还涉及一种激光轮廓测量装置。
背景技术
激光轮廓测量装置是一种可以测量物体的轮廓的装置。其使用激光线投影到物体表面上，然后通过图像传感器检测激光光斑在物体表面的位置，计算出物体表面坐标，因此激光投影光线的稳定程度会影响到测量结果。
目前激光轮廓测量装置对激光器的控制大多数采用固定参数控制，即采用模拟电路将激光器电流值控制在某个固定工作点。但因为不同材料的激光吸收率不同，导致激光测量装置测量值不稳定，甚至产生测量错误。
实用新型内容
基于此，有必要提供一种激光功率控制系统。
一种激光功率控制系统，其特征在于，包括：微控制器，用于输出脉冲宽度调制信号，作为激光器的激光功率大小的调节信号；直流转换电路，用于将所述脉冲宽度调制信号转换为直流信号；压控电流源，输出大小随所述直流信号的电压大小变化的电流作为所述激光器的驱动电流；光强采集单元，用于采集所述激光器发射的激光被被测物体反射后反馈到所述光强采集单元的光强度；所述微控制器根据所述光强度调节输出的脉冲宽度调制信号的占空比，以将所述光强度稳定在目标值。
在一个实施例中，还包括设于所述微控制器和直流转换电路间的光耦隔离电路。
在一个实施例中，还包括：电压跟随器，输入端连接所述直流转换电路的输出端；电压比例变换器，输入端连接所述电压跟随器的输出端，将输入的电压按比例分压后送入所述压控电流源。
在一个实施例中，所述直流转换电路是阻容低通滤波直流转换电路，包括π型滤波器网络，所述π型滤波器网络包括低频滤波电容、高频滤波电容和接于所述低频滤波电容和高频滤波电容之间的电阻，所述低频滤波电容的电容量大于所述高频滤波电容，所述低频滤波电容和高频滤波电容的一端均接地、另一端分别连接所述电阻的一端。
在一个实施例中，所述光强采集单元包括与所述激光器的光电二极管脚连接的第一电源，以及与所述光电二极管脚串联后接地的第一采样电阻。
在一个实施例中，所述光强采集单元还包括电压放大单元，用于将所述第一采样电阻采样到的电压进行放大后输出给所述微控制器以反映所述光强度，所述电压放大单元的放大倍数为30～50倍。
在一个实施例中，所述电压跟随器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端连接所述直流转换电路的输出端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端。
在一个实施例中，所述电压比例变换器包括第二运算放大器、第一分压电阻及第二分压电阻，所述电压跟随器的输出端串联所述第一分压电阻和第二分压电阻后接地，所述第二运算放大器的同相输入端接于所述第一分压电阻和第二分压电阻之间，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述第二运算放大器的输出端。
在一个实施例中，所述压控电流源包括第三运算放大器、PNP三极管以及第二采样电阻，所述第三运算放大器的同相输入端连接所述电压比例变换器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接所述PNP三极管的基极，所述PNP三极管的发射极串联所述第二采样电阻后接地，所述第三运算放大器的反相输入端接于所述PNP三极管的发射极和所述第二采样电阻之间，所述PNP三极管的集电极作为所述压控电流源的输出端输出所述驱动电流。
还有必要提供一种激光轮廓测量装置。
一种激光轮廓测量装置，包括激光器、激光功率控制系统、图像传感器及三维轮廓建立模块，所述激光器用于发射激光，所述激光功率控制系统用于控制所述激光器的发射功率，所述图像传感器用于检测激光光斑在被测物体表面的位置，所述三维轮廓建立模块用于根据所述图像传感器检测到的图像信息建立所述被测物体的三维轮廓；所述激光功率控制系统是前述的激光功率控制系统。
上述激光功率控制系统和激光轮廓测量装置，通过采集单元采集被测物体反射回的光强度，可以稳定激光轮廓测量装置的测量质量。且使用PWM信号控制激光器的电流输出，无需使用模数转换器，节约了软件和硬件开发成本，器件容易采购和管理。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是一实施例中激光功率控制系统的结构框图；
图2是另一实施例中激光功率控制系统的结构框图；
图3是一实施例中激光功率控制系统的电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1是一实施例中激光功率控制系统的结构框图，包括微控制器(MCU)10、直流转换电路20、压控电流源30及光强采集单元40。
微控制器10用于输出脉冲宽度调制(PWM)信号，作为激光器LD的激光功率大小的调节信号。直流转换电路20的输入端连接微控制器10的输出端，用于将微控制器10的输出端输出的脉冲宽度调制信号转换为直流信号。压控电流源30输出大小随该直流信号的电压大小变化的电流作为激光器的驱动电流。光强采集单元40用于采集激光器发射的激光被被测物体反射后反馈到光强采集单元40的光强度，并将该光强度反馈回微控制器10。微控制器10根据光强度调节输出的脉冲宽度调制信号的占空比，以将光强度稳定在目标值。
上述激光功率控制系统，通过采集单元采集被测物体反射回的光强度，可以稳定激光轮廓测量装置的测量质量。且使用PWM信号控制激光器的电流输出，无需使用模数转换器，节约了软件和硬件开发成本，器件容易采购和管理。
在另一个实施例中，激光功率控制系统还包括设微控制器10和直流转换电路20间的光耦隔离电路12，参见图2。光耦隔离电路12包括设于微控制器10一侧的发光器和设于直流转换电路20一侧的受光器，用于进行“电—光—电”信号的转换，实现电路的隔离。
在图2所示实施例中，激光功率控制系统还包括电压跟随器22和电压比例变换器24。电压跟随器22的输入端连接直流转换电路20的输出端。电压比例变换器24的输入端连接电压跟随器22的输出端，将输入端输入的电压按比例分压后送入压控电流源30。
参见图3，在该实施例中，直流转换电路20是阻容低通滤波直流转换电路，其包括一个π型滤波器网络。π型滤波器网络包括用于滤除低频信号的低频滤波电容C1，用于滤除高频瞬变信号的高频滤波电容C2，以及接于低频滤波电容C1和高频滤波电容C2之间的电阻R1。低频滤波电容C1的电容量远大于高频滤波电容C2，本说明书中的远大于是指大100倍以上。在一个实施例中，高频滤波电容C2的电容量为0.1微法。低频滤波电容C1和高频滤波电容C2的一端均接地，另一端分别连接电阻R1的一端。
在图3所示实施例中，直流转换电路20还包括末端与电压跟随器22连接的零欧姆电阻R3。在图3所示实施例中，零欧姆电阻R3与电阻R1之间还接有电阻R2，电阻R2连接零欧姆电阻R3的一端连接电阻R4和电容C3后接地。
在图3所示实施例中，电压跟随器22包括第一运算放大器T1。第一运算放大器T1的同相输入端(作为电压跟随器22的输入端)连接零欧姆电阻R3，第一运算放大器T1的反相输入端连接第一运算放大器T1的输出端，作为电压跟随器22的输出端。
电压比例变换器24包括第二运算放大器T2、第一分压电阻R4及第二分压电阻R5。第一运算放大器T1的输出端串联第一分压电阻R4和第二分压电阻R5后接地。第二运算放大器T2的同相输入端接于第一分压电阻R4和第二分压电阻R5之间，第二运算放大器T2的反相输入端连接第二运算放大器T2的输出端，作为电压比例变换器24的输出端。
压控电流源30包括第三运算放大器T3、PNP三极管Q1以及第二采样电阻R8。第三运算放大器T3的同相输入端(作为压控电流源30的输入端)连接电压比例变换器24的输出端。第三运算放大器T3的输出端连接PNP三极管Q1的基极，PNP三极管Q1的发射极串联第二采样电阻R8后接地，第三运算放大器T3的反相输入端接于PNP三极管Q1的发射极和第二采样电阻R8之间。PNP三极管Q1的集电极作为压控电流源30的主电路输入端连接激光器LD的阴极输出引脚。
在图3所示实施例中，第三运算放大器T3的输出端和PNP三极管Q1的基极之间还接有电阻R6，激光器LD阳极和阴极两端还并联接有两个电容，这两个电容的电容值分别为0.1微法和220微法，用于保护激光器。
在图3所示实施例中，光强采集单元40包括与激光器的光电二极管脚PD连接的第一电源，以及与光电二极管脚PD串联后接地的第一采样电阻R9。在一个实施例中，第一电源为+5V的电源。光强采集单元40还包括电压放大单元，用于将第一采样电阻R9采样到的电压进行放大后输出给微控制器10。在一个实施例中，电压放大单元的放大倍数为30～50倍。
在图3所示实施例中，电压放大单元包括第四运算放大器To，电阻Rf1、电阻Rf2及电阻Rf3。第四运算放大器To的同相输入端连接电阻Rf1后连接第一采样电阻R9的一端(第一采样电阻R9的高电位端，即连接光电二极管脚PD的一端)，第四运算放大器To的反相输入端连接电阻Rf2后接地，且电阻Rf2连接第四运算放大器To的反相输入端的一端还连接电阻Rf3后接至第四运算放大器To的输出端。第四运算放大器To的输出端将放大后的光强度信号返回微控制器10的AD(模数)转换器接口。控制器10将光强度信号和预设值进行数字PID计算后，计算出输出的PWM信号占空比，并设置给PWM占空比寄存器，然后输出调整后的PWM信号。
上述激光功率控制系统可以用于FPGA/CPLD可编程逻辑器件的IO后端电路,FPGA/CPLD可通过门电路生成数字PWM信号，因此可以用通用的数字逻辑电路芯片实现激光功率调节。
在一个实施例中，激光器控制系统还包括上位机。上位机使用USB接口向控制器10发送激光器的控制命令，然后由控制器10解析该命令，根据命令数据设置PWM信号的占空比和频率。USB接口协议使用虚拟串口协议，这样就不用单独开发USB设备驱动程序，只要支持虚拟串口的硬件主板都能支持此接口，减少了软件开发工作量。激光器调整命令采用字符串的方式发送：
1、设置激光器光功率设置，aa1xxxxyyyy,其中aa代表数据引导，1代表命令格式，xxxx表示PWM脉冲分频系数，和脉冲频率相关，yyyy代表占空比计数器值。
2、获得激光器光功率，首先发送命令aa5xx,xx代表AD编号，然后返回aaxxxxxx，xxxxxx代表从PD中获得光功率值。
在一个实施例中，激光器的电流调节范围是从5mA到50mA。
本实用新型还提供一种激光轮廓测量装置，包括激光器、上述激光功率控制系统、图像传感器及三维轮廓建立模块。激光器用于发射激光，激光功率控制系统用于控制激光器的发射功率，图像传感器用于检测激光光斑在被测物体表面的位置，三维轮廓建立模块用于根据图像传感器检测到的图像信息建立所述被测物体的三维轮廓。
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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光功率控制系统，其特征在于，包括：
微控制器，用于输出脉冲宽度调制信号，作为激光器的激光功率大小的调节信号；
直流转换电路，用于将所述脉冲宽度调制信号转换为直流信号；
压控电流源，输出大小随所述直流信号的电压大小变化的电流作为所述激光器的驱动电流；
光强采集单元，用于采集所述激光器发射的激光被被测物体反射后反馈到所述光强采集单元的光强度；
所述微控制器根据所述光强度调节输出的脉冲宽度调制信号的占空比，以将所述光强度稳定在目标值。
2.根据权利要求1所述的激光功率控制系统，其特征在于，还包括设于所述微控制器和直流转换电路间的光耦隔离电路。
3.根据权利要求1所述的激光功率控制系统，其特征在于，还包括：
电压跟随器，输入端连接所述直流转换电路的输出端；
电压比例变换器，输入端连接所述电压跟随器的输出端，将输入的电压按比例分压后送入所述压控电流源。
4.根据权利要求1所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述直流转换电路是阻容低通滤波直流转换电路，包括π型滤波器网络，所述π型滤波器网络包括低频滤波电容、高频滤波电容和接于所述低频滤波电容和高频滤波电容之间的电阻，所述低频滤波电容的电容量大于所述高频滤波电容，所述低频滤波电容和高频滤波电容的一端均接地、另一端分别连接所述电阻的一端。
5.根据权利要求1所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述光强采集单元包括与所述激光器的光电二极管脚连接的第一电源，以及与所述光电二极管脚串联后接地的第一采样电阻。
6.根据权利要求5所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述光强采集单元还包括电压放大单元，用于将所述第一采样电阻采样到的电压进行放大后输出给所述微控制器以反映所述光强度，所述电压放大单元的放大倍数为30～50倍。
7.根据权利要求3所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述电压跟随器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端连接所述直流转换电路的输出端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端。
8.根据权利要求3所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述电压比例变换器包括第二运算放大器、第一分压电阻及第二分压电阻，所述电压跟随器的输出端串联所述第一分压电阻和第二分压电阻后接地，所述第二运算放大器的同相输入端接于所述第一分压电阻和第二分压电阻之间，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述第二运算放大器的输出端。
9.根据权利要求3所述的激光功率控制系统，其特征在于，所述压控电流源包括第三运算放大器、PNP三极管以及第二采样电阻，所述第三运算放大器的同相输入端连接所述电压比例变换器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接所述PNP三极管的基极，所述PNP三极管的发射极串联所述第二采样电阻后接地，所述第三运算放大器的反相输入端接于所述PNP三极管的发射极和所述第二采样电阻之间，所述PNP三极管的集电极作为所述压控电流源的输出端输出所述驱动电流。
10.一种激光轮廓测量装置，包括激光器、激光功率控制系统、图像传感器及三维轮廓建立模块，所述激光器用于发射激光，所述激光功率控制系统用于控制所述激光器的发射功率，所述图像传感器用于检测激光光斑在被测物体表面的位置，所述三维轮廓建立模块用于根据所述图像传感器检测到的图像信息建立所述被测物体的三维轮廓；其特征在于，所述激光功率控制系统是根据权利要求1-9中任一项所述的激光功率控制系统。
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