一種脈沖激光功率采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章根據(jù)脈沖激光功率的特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖激光功率的采集和控制。具體為以峰值保持電路為主的小信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖光功率的采集，以PID為主的軟件設(shè)計(jì)又完成了光功率的穩(wěn)恒輸出。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能成功地用在激光打標(biāo)機(jī)功率控制系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：脈沖激光；光功率；比例積分微分算法

0 引言
近幾年來(lái)光纖激光器在激光打標(biāo)和激光加工方面取得了迅速的發(fā)展，而用于激光打標(biāo)和加工方面的激光器一般采用峰值功率較高的脈沖光纖激光器。激光功率是激光器最主要的參量，激光輸出功率嚴(yán)重的影響著激光加工的質(zhì)量。在激光加工過(guò)程中，如何能實(shí)時(shí)監(jiān)控激光功率的變化，提高激光功率的穩(wěn)定性和控制精度，對(duì)產(chǎn)品的精密加工有著極其重要的作用。此類(lèi)型激光器其功率值在不同的加工設(shè)計(jì)中其平均功率是變化的，這就給光功率的實(shí)時(shí)采集和控制帶來(lái)的麻煩。本文通過(guò)對(duì)脈沖光信號(hào)的研究，設(shè)計(jì)出了基于峰值保持電路的小信號(hào)處理電路，和基于PID算法的單片機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了光纖激光器中脈沖激光的采集和光功率穩(wěn)恒的問(wèn)題。

系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖1所示，PIN管對(duì)激光器中的脈沖光進(jìn)行采集，把脈沖式的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖式的電信號(hào)。采集到的脈沖光信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)放大，將小信號(hào)放大到能夠進(jìn)行處理的信號(hào)。然后經(jīng)峰值保持電路采集峰值電壓(此峰值電壓與光信號(hào)的功率成線性關(guān)系)。在經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換電路將峰值電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行處理。在單片機(jī)中主要運(yùn)用了PID算法對(duì)功率進(jìn)行控制，將調(diào)節(jié)后的值送給LD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。最終使功率穩(wěn)定地輸出。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 光電轉(zhuǎn)換部分
本論文的光電采集部分主要用了PIN光電二極管，PIN管能很好地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。PIN二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)則具有阻抗作用。PIN光電二極管具有以下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快；線性好、頻帶寬、信號(hào)失真??；噪聲低，器件本身對(duì)信號(hào)影響??；體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、工作電壓低。其采集到的脈沖峰值電壓與光功率成線性關(guān)系。所以可以通過(guò)采集峰值電壓的信號(hào)來(lái)對(duì)光功率進(jìn)行采集處理。
2．2 小信號(hào)處理電路
小信號(hào)處理電路主要包括小信號(hào)放大電路和峰值保持電路。
2．2．1 小信號(hào)放大部分
本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大電路對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，一般光電探測(cè)器輸出的電壓幅值為幾百微伏到幾百毫伏的級(jí)別，應(yīng)適當(dāng)選擇放大倍數(shù)將信號(hào)放大到可處理的幅度。這里選用Texas Instruments的低功耗、高精度運(yùn)算放大器opa234。

放大部分的電路原理圖如圖2所示，經(jīng)過(guò)精密運(yùn)放opa234的兩級(jí)放大，把光探測(cè)器采集到的微弱電信號(hào)放大為伏級(jí)別的電壓。
2．2．2 峰值保持部分
峰值保持電路用于處理信息與峰值有一定關(guān)系的信號(hào)，能跟隨輸入信號(hào)變化，并能將最大值記錄下來(lái)，在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)中往往用此電路將某些物理量，如溫度、壓力、功率等最大值保留下來(lái)進(jìn)行分析、處理。
如圖3，峰值保持電路主要由電壓跟隨器、半波整流電路、積分電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)組成，完成了信號(hào)峰值的采樣和保持。峰值保持電路的原理圖如圖3所示。

前級(jí)運(yùn)放構(gòu)成半波整流信號(hào)，后級(jí)運(yùn)放為電壓跟隨，使電壓增益為1。保持電容主要用于記憶輸入信號(hào)的大小，控制開(kāi)關(guān)則用于控制采樣保持的時(shí)間。當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，積分電容C1充電至U1輸出端，由于二極管D2的單向?qū)щ娦?，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，積分電容C1保持峰值電壓，直到下次復(fù)位信號(hào)的到來(lái)。