CN219798537U - 一种激光能量计的信号采集处理电路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光能量计的信号采集处理电路系统，包括热电偶采集单元电路、RTD采集单元电路、光电二极管采集电路、复杂可编程逻辑器件、通信电路和隔离电源及π型滤波电路，热电偶采集单元电路的信号输入端通过热电偶接插件电连接若干热电偶，RTD采集单元电路的信号输入端通过RTD接插件电连接若干电阻温度检测器，光电二极管采集电路的信号输入端通过光电二极管接插件电连接若干光电二极管，三者的信号输出端分别电连接复杂可编程逻辑器件的信号输入端，复杂可编程逻辑器件的信号输出端通过通信电路电连接上位机。本实用新型不仅满足了不同类型激光能量计的能量测量工作，而且显著提高了热电偶测量的精度和帧频等技术指标。

Description

一种激光能量计的信号采集处理电路系统

技术领域

本实用新型涉及能量测量技术领域，尤其涉及一种激光能量计的信号采集处理电路系统。

背景技术

在激光能量测量系统中，常用的采集传感器包括热电式传感器、光电式传感器，热电式传感器用来测量能量，光电式传感器可以用来测得ET曲线及激光波形曲线，对于高功率激光能量计而言，能量测量方式相比于利用铂电阻丝缠绕吸收池，更精确的是分区域布点测量后积分，测量点处的传感器需要保证精确度高以及响应时间迅速。裸露型热电偶响应时间可以达到要求，虽然测量绝对温度值的精确度不如铂电阻，但由于其在测温范围的线性度曲线是稳定可重复的，通过修正线性曲线测量的温度差精确度是完全满足要求的，能量计算时需要的是温度差而非绝对温度，因此测量传感器常选用热电偶，而大型强激光能量计的吸收池体积庞大，所需的测量传感器数量需要成百上千个。而对于系统中受温度变化影响的参数修正需要铂电阻RTD的测量，同时也作为热电偶的冷端补偿。因此采集处理电路系统最好是可以针对不同应用场景，使用不同类型或同时使用多种类型传感器测量，且通道数量足够多。考虑到通用性及便于操作等因素，最好输出信号有包括网口的多种通信类型。

市面上常见的采集器产品多为采集单一类型输入信号，以热电偶采集器为例，如NI9213：为16差分通道的热电偶输入模块，其使用时还需配合NI的USB模块，那么当需要成百上千个热电偶采集时，占用的体积空间非常大，而且产品精度不高，通过其使用说明和产品规范可知：有高分辨率和高速两种定时模式，帧频分别为1Hz和75Hz，未涉及热电偶本身精度误差值曲线可见，以K型热电偶为例：即使在高分辨率1Hz模式下，误差值最小也达到1℃左右，转换成全范围内精度百分比为1％左右，而高速模式下，误差值有2.5℃～5℃，转换成全范围内精度百分比为2.5％。可见市面上的热电偶采集产品通常都存在着精度不高、帧频不快等特性，可能满足于一些工业测温情景。其原因是常规的热电偶采集电路要么采用放大、滤波、多开、ADC等来搭成需要的采集电路，要么采用热电传感器采集专用芯片来组成电路。这两种均不适合于高功率激光能量计的能量测量工作：一种因为集成度不够而很难实现通道极多；而集成度符合的专用ADC，有效帧频很难达到100Hz，且内部集成的可编程增益放大器，放大倍数又仅为2ⁿ倍最大值为128，因此不能做到最大化ADC输入范围，因此精度和帧频很难满足于激光功率计的能量测量和标定工作。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种激光能量计的信号采集处理电路系统，可解决在高功率激光能量计等能量测量领域需要不同类型传感器同时采样且每种传感器通道数量繁多、热电偶采集精度及帧频要求较常规产品高等问题，在满足不同类型、不同测量范围的激光能量测量的情况下，具有通用、便捷、节省空间及成本等优点，且能有效提高热电偶测量的精度和帧频等技术指标。本实用新型可用于温度、能量测量系统，特别适用于高功率激光的能量测量与标定系统。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种激光能量计的信号采集处理电路系统，包括热电偶采集单元电路、RTD采集单元电路、光电二极管采集电路、复杂可编程逻辑器件、通信电路和隔离电源及π型滤波电路，所述热电偶采集单元电路的信号输入端通过热电偶接插件电连接若干热电偶，所述RTD采集单元电路的信号输入端通过RTD接插件电连接若干电阻温度检测器，所述光电二极管采集电路的信号输入端通过光电二极管接插件电连接若干光电二极管，所述热电偶采集单元电路、所述RTD采集单元电路和所述光电二极管采集电路的信号输出端分别电连接所述复杂可编程逻辑器件的信号输入端，所述复杂可编程逻辑器件的信号输出端通过所述通信电路电连接上位机，所述隔离电源及π型滤波电路通过所述通信电路电连接所述复杂可编程逻辑器件。

进一步地，所述热电偶采集单元电路包括集成模数转换器、基准电压源、仪表放大器和拨码开关，所述集成模数转换器的信号输入端通过所述热电偶接插件电连接若干热电偶，所述集成模数转换器的信号输出端电连接所述仪表放大器，所述仪表放大器通过所述拨码开关选择连接不同阻值的电阻对信号进行相应放大，放大后的信号通过所述集成模数转换器发送至所述复杂可编程逻辑器件；所述基准电压源的电源输出端电连接所述集成模数转换器的参考电压输入端。

进一步地，所述RTD采集单元电路包括RTD数字转换器，所述RTD数字转换器的信号输入端通过RTD接插件电连接若干电阻温度检测器，所述RTD采集单元电路的信号输出端电连接所述复杂可编程逻辑器件的信号输入端。

进一步地，所述光电二极管采集电路包括逐次逼近式模拟数字转换器和轨到轨运算放大器，所述逐次逼近式模拟数字转换器的信号输入端通过光电二极管接插件电连接若干光电二极管，所述逐次逼近式模拟数字转换器的信号输出端电连接所述轨到轨运算放大器的信号输入端，所述轨到轨运算放大器的信号输出端电连接所述复杂可编程逻辑器件的信号输入端。

进一步地，所述复杂可编程逻辑器件通过SPI总线分别连接所述热电偶采集单元电路、所述RTD采集单元电路和所述光电二极管采集电路，接收到多种输出编码值后利用多种通信接口传输给所述上位机，所述上位机根据所述多种输出编码值分别计算出所述热电偶的电压值、所述电阻温度检测器的电阻值和所述光电二极管的电流值。

进一步地，所述RTD采集单元电路设置有多路，其中一路RTD采集单元电路作为所述热电偶的冷端补偿电路。

进一步地，当热电偶的热端非绝缘且相互接触或与导电结构体接触时，则通过差分法连接所述热电偶和所述热电偶接插件。

进一步地，所述热电偶采集单元电路包括多个16路单端/8路差分热电偶采集单元电路。

进一步地，所述RTD采集单元电路和光电二极管采集电路均设置为多通道形式。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过将三种类型多片ADC采集电路集成在一块PCB上，辅以隔离电源及π型滤波电路以及多种通信接口，使用上位机对传出的三种ADC Code值进行计算得出测量值。本实用新型不仅满足了不同类型激光能量计的能量测量工作，而且显著提高了热电偶测量的精度和帧频等技术指标，在实际应用中不仅通用性强、便捷、节省成本及空间，实测技术指标也较其他常规产品有着量级提升。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的电路示意图。

图2是本实用新型实施例1的电路实施实例结构示意图。

附图标记：

1-热电偶采集单元电路，2-RTD采集单元电路，3-光电二极管采集电路，4-复杂可编程逻辑器件，5-通信电路，6-隔离电源及π型滤波电路；11-集成模数转换器，12-基准电压源，13-仪表放大器，14-拨码开关；100-热电偶，200-电阻温度检测器，300-光电二极管，400-数据转换PCB板，500-上位机；001-热电偶接插件，002-RTD接插件，003-光电二极管接插件，004-RJ45网口，005-电源及其他串口通信接插件。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本实用新型的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种激光能量计的信号采集处理电路系统，包括热电偶采集单元电路1、RTD(电阻温度检测器)采集单元电路2、光电二极管采集电路3、复杂可编程逻辑器件(CPLD)4、通信电路5和隔离电源及π型滤波电路6，热电偶采集单元电路1的信号输入端通过热电偶接插件001电连接若干热电偶100，RTD采集单元电路2的信号输入端通过RTD接插件002电连接若干电阻温度检测器200，光电二极管采集电路3的信号输入端通过光电二极管接插件003电连接若干光电二极管300，热电偶采集单元电路1、RTD采集单元电路2和光电二极管采集电路3的信号输出端分别电连接复杂可编程逻辑器件4的信号输入端，复杂可编程逻辑器件4的信号输出端通过通信电路5电连接上位机500，隔离电源及π型滤波电路6通过通信电路5电连接复杂可编程逻辑器件4。

优选地，热电偶采集单元电路1包括多个16路单端/8路差分热电偶采集单元电路，RTD采集单元电路2和光电二极管采集电路3均设置有多个。如图2所示，4个16路单端/8路差分(即64路单端/32路差分)热电偶采集单元电路1、7个1路RTD采集单元电路2、1个4路光电二极管采集电路3、复杂可编程逻辑器件4、通信电路5和隔离电源及π型滤波电路6集成于采集处理板上，采集处理板通过RJ45网口004连接上位机500，通过电源及其他串口通信接插件005连接上位机500和数据转换PCB板400。

优选地，每个16路单端/8路差分热电偶采集单元电路包括集成模数转换器11、基准电压源12、仪表放大器13和拨码开关14，集成模数转换器11的信号输入端通过热电偶接插件001电连接若干热电偶100，集成模数转换器11的信号输出端电连接仪表放大器13，仪表放大器13通过拨码开关14选择连接不同阻值的电阻对信号进行相应放大，放大后的信号通过集成模数转换器11发送至复杂可编程逻辑器件4；基准电压源12的电源输出端电连接集成模数转换器11的参考电压输入端。

更为优选地，当热电偶100的热端非绝缘且相互接触或与导电结构体接触时，则通过差分法连接热电偶100和热电偶接插件001。若选用单端接法，则会造成接地回路的问题，测量值不是正确的，且可能损坏电路。

优选地，RTD采集单元电路2包括RTD数字转换器，RTD数字转换器的信号输入端通过RTD接插件002电连接若干电阻温度检测器200，RTD采集单元电路2的信号输出端电连接复杂可编程逻辑器件4的信号输入端。

更为优选地，将一路RTD采集单元电路2作为热电偶100的冷端补偿电路，使电阻温度检测器200与热电偶100冷端结点处于同一等温体中。为了精确度更高，可使用四线制接法连接该电阻温度检测器200。

优选地，光电二极管采集电路3包括逐次逼近式模拟数字转换器和轨到轨运算放大器，逐次逼近式模拟数字转换器的信号输入端通过光电二极管接插件003电连接若干光电二极管300，逐次逼近式模拟数字转换器的信号输出端电连接轨到轨运算放大器的信号输入端，轨到轨运算放大器的信号输出端电连接复杂可编程逻辑器件4的信号输入端。

当热电偶100发生热电效应，引线两端产生电势差后，经采集处理板上接插件、迹线、进入集成模数转换器11的多路复用开关，然后通过仪表放大器13，最后再回到集成模数转换器11。仪表放大器13的增益由外部电阻值决定，根据几种常用的分梯次的测温范围，确定放大倍数后，选用了多种不同阻值的高精度低温漂电阻，并用多位拨码开关14将其分别串联，这样就可以通过拨动拨码开关14来选择不同的电阻值，在不同的测温范围条件下使用，确保精度更高。集成模数转换器11由基准电压源12提供2.048V的参考电压，并由集成模数转换器11内部的数字滤波器分为固定和可编程一阶正弦两部分滤波除噪。而且通过复杂可编程逻辑器件4来配置各种寄存器指令，如CONFIG0寄存器中Bit5:MUXMOD＝0默认，设集成模数转换器11为自动扫描模式，其扫描速率为23.7kSPS/Channel，因此采集帧频100Hz可以轻松实现。

复杂可编程逻辑器件4通过SPI总线分别连接热电偶采集单元电路1、RTD采集单元电路2和光电二极管采集电路3，接收到三种模数转换器的输出编码值后，利用多种通信接口传输给上位机500。由于在大型高能激光功率计的能量测量中，一块包含4个16路单端/8路差分热电偶采集单元电路1、7个1路RTD采集单元电路2、1个4路光电二极管采集电路3的采集处理板中三种传感器的数量是远远不够的，这时可以利用一块多路RS422转以太网的数据转换PCB板400来轻松实现使用多块采集处理板增加采集传感器通道数量，同时不增加与上位机(500)的通信接口数量，软硬件操作极为便捷。

当上位机500接收到三种模数转换器的输出编码值后，分别计算出热电偶100的电压值、电阻温度检测器200的电阻值和光电二极管300的电流值，而两种热电式传感器还需要利用分度对照表或公式解算出温度值，这里不再赘述。需要注意的是，为了提高热电偶测温的准确度，不能直接用热电偶的温度值加上冷端补偿的温度值，而是将冷端补偿的温度值转换成使用类型热电偶的电压值，加上热电偶测得的电压值，得到总的电压值后再利用分度表或公式算出实际温度值。具体能量值计算在此不赘述。

在实际项目中，本实施例的信号采集处理电路系统不仅通用性强、便捷、节省成本及空间，实测技术指标更是可达：热电偶采集部分精度可优于全范围±0.05％，帧频100Hz。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

本实施例提供了一种激光能量计的信号采集处理电路系统，具体设计/实现步骤如下：

S1：根据多种不同类型的高功率激光能量计能量测量实况可知，常用的传感器为热电偶(TC)、温度检测器(RTD)、光电二极管(OPT)三种类型。优选地，每块采集板上每种传感器的数量最优解为64单端通道/32差分通道的TC，7通道的RTD，4通道的OPT。现根据不同通道数确定不同的模拟信号输入采集方案进行电路设计。

S2：考虑到热电偶数量极多，为了节约空间及成本选用时分多路的采集方案，并且考虑到降噪需求，本实施例选用多路复用开关和滤波等集成在一起的Δ-ΣADC芯片ADS1258；为了同时满足采集帧频高及精确度高，选择一种合适压值的参考电压以及增益可调的放大器来保证不超出量程范围且可以最大化ADC输入范围；选用增益为1-1000可调的差分输入单端输出仪表放大器AD8422来进行放大；选用2.048V的超低噪声、高精度、综合性能最好的基准电压源ADR4520作为参考电压源。

采集的热电偶电压值V_TC可通过ADS1258输出的编码值以及AD8422利用外部电阻来决定的增益值和ADR4520基准电压源的2.048V电压值来计算，如公式1所示：

V_TC＝(ADC Code×V_REF)I(Gain×Code_full) (公式1)

式中：ADC Code为ADS1258输出的数据编码值；V_REF为基准电压2.048V；Gain为仪表放大器选择的放大倍数即增益；Code_full：ADS1258为不发生过载进行了缩放，输出数据编码以 为满量程电压值，如取16位编码时，/>

S3：热电偶需要进行冷端补偿，由于PCB上还需集成几路RTD采集，因此，选择其中1路作为冷端补偿，选用MAX31865专用RTD至数字转换芯片来进行Pt100或Pt1000的测量，其将RTD电阻与基准电阻之比转换为数字输出，在没有电流泄漏的情况下，基准电阻是测量中最重要的影响因素，选择高精度低温漂的精密电阻，阻值根据RTD为Pt100还是Pt1000以及要测量的温度范围按照电阻-温度曲线来确定。

通过ADC输出的编码值和基准电阻可求出RTD的阻值，通过查找分度特性对照表或公式可知测得的温度值，R_RTD可由下式计算得出：

R_RTD＝(ADC Code ×R_REF)/2¹⁵ (公式2)

式中：ADC Code为RTD数据寄存器的15位ADC结果；R_REF为基准电阻的阻值。

S4：根据光电二极管输出电流范围以及ADC基准电压确定放大器反馈电阻值，再根据带宽确定电容值，4通道、10M增益带宽积、1pA低输入偏置电流等特性使得AD8608特别适合4通道OPT采集电路放大器部分设计；由满量程电压(ADC的基准电压)除以放大器的总均方根噪声，并转化为有效分辨率值再减去2.7bit，即得到无噪声码分辨率，可确定ADC的分辨率位数。选用AD8608运放和AD7682/7689SAR型ADC来实现OPT测量。

光电二极管的输出电流值可通过ADC基准电压值和输出的编码值以及放大器反馈电阻值、电容值来计算，如公式3所示：I_photo＝(ADC Code×V_REF×(1+C_F×R_F))/(Code_full×R_F) (公式3)

式中：ADC Code为AD7682/7689输出的数据编码值；V_REF为ADC基准电压值；R_F为放大器反馈电阻值；C_F为放大器反馈电容值；Code_full为AD7682/7689编码满量程值Code_full＝2¹⁶＝65536。

S5：对于微弱模拟输入信号，而且应用环境可能比较复杂时，选用隔离电源及π型滤波电路，可以减少PCB板外的一些电气干扰，以及减少DC-DC造成的电源纹波与噪声对微小信号测量造成的干扰，这样做，测量值更准确。隔离电源选择宽压输入范围，通用性更好。

S6：三种ADC均通过SPI接口与CPLD互联，CPLD解算出三种ADC的Code值，利用以太网或RS422或RS232或RS485等接口将Code值传给上位机，上位机根据公式3计算出光电二极管的电流值；根据公式2计算出RTD测得的电阻值，再通过Pt100或Pt1000分度特性对照表可知测得的温度值；根据公式1计算出热电偶测得的电压值V_TC，再通过公式2计算出的作为冷端补偿的RTD电阻值R_RTD，通过对照表得知其温度值T_RTD后，将温度值T_RTD转换成使用类型热电偶对应的电压值V_RTD，将V_TC与V_RTD相加后，利用分度表插值或公式计算出热电偶的实际温度值，这样得到的温度值更为准确。

综上所述，本实施例将不同类型多通道微弱模拟信号采集处理集成在一块PCB上，既满足了针对不同应用场景的通用性又节省了成本及空间，针对激光能量计使用的最具代表性的三种传感器信号：热电偶、铂电阻RTD、光电二极管，分别选用三种ADC来采样：

(1)MAX31865专用的RTD至数字转换芯片来搭建RTD采集部分；

(2)AD7682/7689+AD8608：16位、4/8通道、250kSPS、SAR型ADC+低输入偏置电流和低输入电流噪声、精密CMOS、轨到轨运算放大器来搭建OPT采集部分；

(3)热电偶的采集选用了ADS1258+AD8422+ADR4520：16单端/8差分通道、23.7kSPS/Channel采样率、低噪、24位、Δ-ΣADC+增益为1-1000可调的差分输入单端输出精密仪表放大器+超低噪声、低漂移、高精度2.048V基准电压源来搭建TC采集部分。AD8422由外部一个高精度低温漂电阻来决定增益值，这样可以针对不同测温范围，更改电阻值来使得始终保持在不超出量程范围情况下最大化ADC输入范围，精度得以保证；而ADS1258的23.7kSPS/Channel采样率使得最终帧频100Hz轻松实现。

此外，处理电路使用国产CPLD芯片实现，辅以隔离电源滤波电路以及几种常用通信接口如隔离RS422、RS232、RS485、以太网接口等电路，构成的多通道多种类微弱信号采集电路板，不仅满足了针对各种激光能量计测量的通用性和便捷性，还在热电偶测量精度(±0.05％)及帧频(100Hz)等技术指标上实现了量级提升。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，包括热电偶采集单元电路(1)、RTD采集单元电路(2)、光电二极管采集电路(3)、复杂可编程逻辑器件(4)、通信电路(5)和隔离电源及π型滤波电路(6)，所述热电偶采集单元电路(1)的信号输入端通过热电偶接插件(001)电连接若干热电偶(100)，所述RTD采集单元电路(2)的信号输入端通过RTD接插件(002)电连接若干电阻温度检测器(200)，所述光电二极管采集电路(3)的信号输入端通过光电二极管接插件(003)电连接若干光电二极管(300)，所述热电偶采集单元电路(1)、所述RTD采集单元电路(2)和所述光电二极管采集电路(3)的信号输出端分别电连接所述复杂可编程逻辑器件(4)的信号输入端，所述复杂可编程逻辑器件(4)的信号输出端通过所述通信电路(5)电连接上位机(500)，所述隔离电源及π型滤波电路(6)通过所述通信电路(5)电连接所述复杂可编程逻辑器件(4)。

2.根据权利要求1所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述热电偶采集单元电路(1)包括集成模数转换器(11)、基准电压源(12)、仪表放大器(13)和拨码开关(14)，所述集成模数转换器(11)的信号输入端通过所述热电偶接插件(001)电连接若干热电偶(100)，所述集成模数转换器(11)的信号输出端电连接所述仪表放大器(13)，所述仪表放大器(13)通过所述拨码开关(14)选择连接不同阻值的电阻对信号进行相应放大，放大后的信号通过所述集成模数转换器(11)发送至所述复杂可编程逻辑器件(4)；所述基准电压源(12)的电源输出端电连接所述集成模数转换器(11)的参考电压输入端。

3.根据权利要求1所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述RTD采集单元电路(2)包括RTD数字转换器，所述RTD数字转换器的信号输入端通过RTD接插件(002)电连接若干电阻温度检测器(200)，所述RTD采集单元电路(2)的信号输出端电连接所述复杂可编程逻辑器件(4)的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述光电二极管采集电路(3)包括逐次逼近式模拟数字转换器和轨到轨运算放大器，所述逐次逼近式模拟数字转换器的信号输入端通过光电二极管接插件(003)电连接若干光电二极管(300)，所述逐次逼近式模拟数字转换器的信号输出端电连接所述轨到轨运算放大器的信号输入端，所述轨到轨运算放大器的信号输出端电连接所述复杂可编程逻辑器件(4)的信号输入端。

5.根据权利要求1所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述复杂可编程逻辑器件(4)通过SPI总线分别连接所述热电偶采集单元电路(1)、所述RTD采集单元电路(2)和所述光电二极管采集电路(3)，接收到多种输出编码值后利用多种通信接口传输给所述上位机(500)，所述上位机(500)根据所述多种输出编码值分别计算出所述热电偶(100)的电压值、所述电阻温度检测器(200)的电阻值和所述光电二极管(300)的电流值。

6.根据权利要求5所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述RTD采集单元电路(2)设置有多路，其中一路RTD采集单元电路(2)作为所述热电偶(100)的冷端补偿电路。

7.根据权利要求1-6任一项所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，当热电偶(100)的热端非绝缘且相互接触或与导电结构体接触时，则通过差分法连接所述热电偶(100)和所述热电偶接插件(001)。

8.根据权利要求1-6任一项所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述热电偶采集单元电路(1)包括多个16路单端/8路差分热电偶采集单元电路。

9.根据权利要求1-6任一项所述的激光能量计的信号采集处理电路系统，其特征在于，所述RTD采集单元电路(2)和光电二极管采集电路(3)均设置为多通道形式。