專利名稱：大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀的系統(tǒng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種對大功率激光的光束光斑尺寸、功率密度分布、功率穩(wěn)定性進行直接測量的智能檢測儀器，主要用于激光加工領(lǐng)域，并可廣泛用于大功率激光器制造領(lǐng)域、大功率激光光學(xué)元件制造領(lǐng)域等對大功率激光光束參數(shù)進行定量測試的場合。
對大功率激光的非聚焦光束、聚焦光斑(功率在幾百瓦到上萬瓦的光束、功率密度高達107W/cm2的聚焦激光光斑)進行直接測量的有效方法是采用空心探針法。目前，國內(nèi)還未有采用此方法的診斷儀產(chǎn)品，國外僅有一家公司有采用此方法的診斷儀產(chǎn)品。但此診斷儀由于其所采用的微控制器需要有復(fù)雜的外圍芯片，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且必須采用專用的昂貴的開發(fā)系統(tǒng)，診斷儀控制系統(tǒng)的制作成本和開發(fā)成本高。
本實用新型的目的是要提供一種能對大功率激光光束光斑的功率密度分布、光斑形狀與尺寸等參數(shù)進行直接檢測，控制系統(tǒng)簡單，制作成本和開發(fā)成本相對低的診斷儀系統(tǒng)控制裝置。
本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的


圖1為本實用新型大功率激光光束光斑診斷儀系統(tǒng)控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖(圖中直線表示一根或多根控制線，帶箭頭的線表示數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)的流向)，它包括光電轉(zhuǎn)換及予放電路1，可編程放大電路2，A/D轉(zhuǎn)換電路3，觸發(fā)傳感器4，步進電機驅(qū)動器5，恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器6，RS232接口及PC機7，控制電路8，所述的控制電路8采用一可分別控制可編程放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、步進電機、恒高速轉(zhuǎn)動電機及RS232接口的單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)由一高速、多外部中斷源微控制器、數(shù)據(jù)鎖存器、外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成，其連接為單片機的常規(guī)連接，其輸出端分別接入可編程放大電路2，A/D轉(zhuǎn)換電路3，步進電機驅(qū)動器5，恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器6，RS232接口7，其輸入與觸發(fā)傳感器4及RS232接口及PC機7相連；A/D轉(zhuǎn)換電路3的輸入端與可編程放大電路2的輸出端相連，可編程放大電路2的輸入端與光電轉(zhuǎn)換及予放電路1的輸出端相連，其信號來自光電轉(zhuǎn)換及予放電路1，A/D轉(zhuǎn)換電路3的輸出與控制電路8的數(shù)據(jù)口相連；所述的可編程放大電路2由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和兩放大器構(gòu)成，其具體連接為數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的數(shù)據(jù)口和控制線與控制電路8的數(shù)據(jù)口和控制線相連；所述的A/D轉(zhuǎn)換電路3采用一適合于光束光斑數(shù)據(jù)采集速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和觸發(fā)脈沖成形電路構(gòu)成，其具體連接為模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的數(shù)據(jù)口和控制線與控制電路8的數(shù)據(jù)口和控制線相連，轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號線與觸發(fā)脈沖成形電路的輸出端相連，觸發(fā)脈沖成形電路的輸入端與控制電路8的P1口相連。
本實用新型上述的光電轉(zhuǎn)換及予放電路主要由一熱釋電探測器D及一高輸入阻抗的J型場效應(yīng)管放大器(JFET)放大器U1構(gòu)成，它輸出被測激光的信號，其中，探測器D采用電壓放大，其反饋電阻R1和輸入電阻R2、R3之間采用三角形連接，反饋電容C1連接于放大器U1的輸入與輸出之間，可兼得高輸入阻抗和大的閉環(huán)增益，反饋電容的適當(dāng)值可減小輸出的噪聲；所述的可編程放大電路主要由8位DAC芯片U2、放大器U3及U4構(gòu)成，其輸入與光電轉(zhuǎn)換及予放電路的輸出相連，8位DAC芯片U2的變換輸出與放大器U3的輸入相連，放大器U3的輸出與外部模擬信號輸入共同輸入放大器U4，構(gòu)成一電壓和電路；所述的A/D轉(zhuǎn)換電路主要由一8位高速ADC芯片U6和D觸發(fā)器U5構(gòu)成，其輸入與可編程放大電路的輸出相連，8位高速ADC芯片U6的觸發(fā)信號與D觸發(fā)器U5的輸出相連，其輸出與單片機相連，D觸發(fā)器U5的輸入與單片機的P1口相連，可將可編程放大電路2的輸出信號轉(zhuǎn)換，采集，存儲。
本技術(shù)方案的工作原理是將被測激光不同光束光斑直徑、功率的狀況為依據(jù)，將測量裝置控制部分設(shè)計成專用的控制程序固化在控制電路8中，被測激光不同光束光斑直徑、功率的狀況是通過測量裝置的予測量獲得?？删幊谭糯箅娐?主要由一數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和兩放大器構(gòu)成被測激光信號的增益放大；A/D轉(zhuǎn)換電路3采用一適合于光束光斑數(shù)據(jù)采集速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D和觸發(fā)脈沖成形電路構(gòu)成被測激光信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，由控制電路8中的微控制器采集，存儲于外部數(shù)據(jù)存儲器，并通過RS232接口傳送給PC機；模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的工作脈沖由觸發(fā)傳感器4中的轉(zhuǎn)動觸發(fā)傳感器的信號經(jīng)控制電路8中的微控制器延時通過觸發(fā)脈沖成形電路產(chǎn)生，用以控制在設(shè)定轉(zhuǎn)動弧線段上測量激光，同時，控制電路8中的微控制器通過檢測觸發(fā)傳感器4中的轉(zhuǎn)動觸發(fā)傳感器的信號控制高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器，使高速轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)速恒定；控制電路8中的微控制器通過檢測觸發(fā)傳感器4中的平動觸發(fā)傳感器的信號控制步進電機驅(qū)動器5，用以控制平動臺的零點復(fù)位，并通過控制設(shè)定步數(shù)，用以控制平動臺的起始測量位置和每步的步長。這樣，在測量時，首先由PC機發(fā)出開始測量命令，測量儀在控制電路8的控制下進行予測量，獲得被測激光光束光斑直徑、功率的參數(shù)，用這些參數(shù)設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的增益、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的初始和間隔延時、步進電機的起始測量位置和每步的步長。接著，測量儀在控制電路8的控制下按平動臺零點復(fù)位，平動臺移動到起始測量位置，觸發(fā)傳感器4中的轉(zhuǎn)動觸發(fā)傳感器的信號產(chǎn)生并初始延時至測量轉(zhuǎn)動弧線段初始點，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集并存儲，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D間隔延時，如此測量轉(zhuǎn)動弧線上的設(shè)定采集點數(shù)，平動臺移動一設(shè)定步長，再重復(fù)上述測量，依此循環(huán)，測量設(shè)定的弧線數(shù)，平動臺回到起點，將測量數(shù)據(jù)傳送給PC機，一次測量完成。通過改變測量的參數(shù)，可對不同功率密度分布、光斑形狀與尺寸等參數(shù)進行直接檢測。
此診斷儀采用高速、外部附加中斷源的單片CPU，由于單片CPU是高度集成的微控制器，不需要外接并行接口芯片、UART芯片、地址分配器等復(fù)雜的外圍芯片，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低；且由于單片CPU與80C32兼容，可采用標(biāo)準(zhǔn)的8051指令集，不必采用專用的昂貴的開發(fā)系統(tǒng)，只需將原有的51系列開發(fā)機在速度、指令集上稍加改動便可用于此單片機系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)的開發(fā)成本低。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1本實用新型整體框圖；圖2本實用新型光電轉(zhuǎn)換及予放電路原理圖；圖3本實用新型可編程放大電路原理圖；圖4本實用新型A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖5本實用新型單片機控制系統(tǒng)原理圖。
實施例本實施例選擇大功率CO2激光為實施對象。
如圖2所示，本實施例光電轉(zhuǎn)換及予放電路1中光電轉(zhuǎn)換器D為一熱釋電探測器，可在常溫下檢測波長為10.6μm的CO2激光和波長為1.06μm的YAG激光，探測器隨探針一起移動，當(dāng)探針掃過激光，探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，U1為高輸入阻抗的JFET放大器，將探測器的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大，輸出被測激光的信號，采用此電路在保證測量所需的響應(yīng)時間和信噪的條件下，輸出增益高。
如圖3所示，本實施例的可編程放大電路2由序列相連的8位DAC芯片U2、放大器U3及U4構(gòu)成。其中，8位DAC芯片U2的數(shù)據(jù)口通過數(shù)據(jù)總線與單片機控制系統(tǒng)8相連，其片選、寫控制端口CS、WR分別與單片機控制系統(tǒng)8中單片機的P1.1、P3.6口相連。其工作原理如下單片機控制系統(tǒng)8根據(jù)予測量的參數(shù)經(jīng)處理后給出的數(shù)據(jù)、控制信號給D/A變換器U2，經(jīng)U3、U4處理后輸出經(jīng)放大(或縮小)的電壓信號，使得在幾百瓦到上萬瓦內(nèi)的被測激光功率，其輸出信號的幅度得到可控調(diào)整，保證測量的精度。
如圖4所示，本實施例的A/D轉(zhuǎn)換電路3由序列相連的D觸發(fā)器U5和8位高速ADC芯片U6構(gòu)成。8位ADC芯片U6的數(shù)據(jù)口DB0～DB7通過數(shù)據(jù)總線與單片機控制系統(tǒng)8中的對應(yīng)數(shù)據(jù)口相連，其模擬信號輸入端與可編程放大電路2的輸出相連，CS端與單片CPU的P1.6口相連，WR與U5的輸出2Q(12PIN)相連、RD端接單片CPU的對應(yīng)端口RD。D觸發(fā)器U5的輸入端2A(9PIN)與單片機控制系統(tǒng)8中的P1.0口相連，輸出2Q(12PIN)與8位ADC芯片U6的WR相連。D觸發(fā)器U5產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)成形脈沖，高速A/D轉(zhuǎn)換器U6與U5配合，在控制電路8中的單片機系統(tǒng)的控制下，將可編程放大電路2的輸出信號轉(zhuǎn)換，采集，存儲。
如圖5所示，本實施例控制系統(tǒng)8由適于診斷儀的高速、外部附加中斷源的8位單片CPU U7及采用常規(guī)方式與之相連的地址鎖存器U8、內(nèi)含程序存儲器U9、數(shù)據(jù)存儲器U10及常設(shè)的晶振電路、復(fù)位電路等組成。其中，單片CPU的P0口(P00～P07)分別與地址鎖存器的數(shù)據(jù)口D0～D7、EPROM、RAM的數(shù)據(jù)口D0～D7通過數(shù)據(jù)總線相連，地址鎖存器的地址口Q0～Q7與EPROM、RAM的低位地址口A0～A7相連，由地址鎖存器將單片機的P0口從分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線中分離出來，單片CPU的P2口(P20～P27)分別與EPROM、RAM的高位地址口A8～A14相連，單片CPU的時鐘采用內(nèi)部方式產(chǎn)生，采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路作為外接定時電路，復(fù)位電路由RC電路組成。另外，單片CPU的數(shù)據(jù)口、控制口分別通過數(shù)據(jù)總線、控制總線與采樣電路中8位ADC芯片、DAC芯片的對應(yīng)端口相連，單片CPU的P1.0口通過一D觸發(fā)器U5與8位ADC芯片U6的WR相連，控制ADC芯片的變換；P1.1與DAC芯片的CS端口相連；P1.2、P1.3、P1.4分別與步進電機驅(qū)動器5和恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器6相連；P1.5、P1.7、P3.2、P3.3分別與觸發(fā)傳感器4中的四個觸發(fā)傳感器相連；P1.5與8位ADC芯片U6的WR相連，控制ADC芯片的狀態(tài)。其中，U7為適于診斷儀的高速、外部附加中斷源的單片CPU，且與80C32兼容，采用標(biāo)準(zhǔn)的8051指令集，只需將原有的51系列開發(fā)機稍加改動便可用于此單片機系統(tǒng)的開發(fā)，從而降低了開發(fā)成本。另外如圖所示，本實施例所述的RS232接口及PC機7中，U11為一串行通訊芯片，其一端與單片機系統(tǒng)CPU的RXD、TXD連接，另一端PC機的串行口按常規(guī)連接，實現(xiàn)PC機與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送及PC機對單片機系統(tǒng)的控制。
本實施例所述的觸發(fā)傳感器4由四個觸發(fā)傳感器組成，分別為用于長、短探針轉(zhuǎn)動的觸發(fā)傳感器，用于平動初始零點、最大移動距離的觸發(fā)傳感器，這四個觸發(fā)傳感器分別與U7中單片機CPU的四個外部附加中斷源連接；所述的步進電機驅(qū)動器5分別與單片機系統(tǒng)CPU的P0口和定時中斷T0連接，并與觸發(fā)傳感器4中用于控制步進電機的平動方向和平動長度；所述的恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器6分別與單片機系統(tǒng)CPU的P0口和定時中斷T1連接，根據(jù)轉(zhuǎn)動觸發(fā)傳感器的信號，控制高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器，使其轉(zhuǎn)速恒定。
本實施例大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀的系統(tǒng)控制裝置，結(jié)合單片機內(nèi)部的控制程序及PC機程序，具體工作過程如下測量開始前，單片機首先上電作初始化準(zhǔn)備，進行自檢，并將自檢結(jié)果傳送給PC機，當(dāng)PC機接收到正確的自檢參數(shù)，系統(tǒng)初始化完成，可進行測量，否則使連接錯誤指示燈亮，并結(jié)束程序，等待接收正確測量參數(shù)后再次運行。
確認(rèn)系統(tǒng)當(dāng)前正常后，系統(tǒng)處于待測狀態(tài)，當(dāng)接系統(tǒng)收到PC機開始測量的命令，開始進行予測量，為下一步確定測量參數(shù)提供依據(jù)。具體過程為診斷儀以最大測量窗口對待測激光進行測量，并得到初始化參數(shù)，將測量的數(shù)據(jù)傳送給PC機，判斷其光束/光斑大小和位置，PC機再將數(shù)據(jù)處理后傳送給測量系統(tǒng)，據(jù)此確定測量的參數(shù)，這些參數(shù)包括測量窗口的大小、增益、橫向和縱向的平移量、測量次數(shù)，控制系統(tǒng)將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為可編程放大電路的參數(shù)、步進電機初始步數(shù)和采集移動步數(shù)、轉(zhuǎn)動探針觸發(fā)傳感器的初始延時和采集間隔延時數(shù)，并確定所需的子程序。之后進入測量過程，此過程按照平動復(fù)位；平動到初始測量點；觸發(fā)初始延時、測量、采集間隔延時、再測量、再采集間隔延時，如此循環(huán)到測量完弧線上的設(shè)定點；再平動采集移動步數(shù)；再測量完弧線上的設(shè)定點；平動復(fù)位；并將測量數(shù)據(jù)傳送給PC機，供PC機處理。測量過程中由一個發(fā)光二極管顯示其狀態(tài)，在測量完成后發(fā)出工作結(jié)束信號，自動停機。
經(jīng)使用表明，本實用新型達到了預(yù)期的目的。
權(quán)利要求1.一種大功率激光光束光斑診斷儀的系統(tǒng)控制裝置，其特征在于它包括有光電轉(zhuǎn)換及予放電路(1)，可編程放大電路(2)，A/D轉(zhuǎn)換電路(3)，觸發(fā)傳感器(4)，步進電機驅(qū)動器(5)，恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器(6)，RS232接口及PC機(7)，以及控制電路(8)，所述的控制電路(8)采用一可分別控制可編程放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、步進電機、恒高速轉(zhuǎn)動電機及RS232接口的單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)由一高速、多外部中斷源微控制器、數(shù)據(jù)鎖存器、外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成，其連接為單片機的常規(guī)連接，其輸出端分別接入可編程放大電路(2)、A/D轉(zhuǎn)換電路(3)、步進電機驅(qū)動器(5)、恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器(6)及RS232接口(7)，其輸入端分別與觸發(fā)傳感器(4)、RS232接口及PC機(7)相連；A/D轉(zhuǎn)換電路(3)的輸入端與可編程放大電路(2)的輸出端相連，可編程放大電路(2)的輸入端與光電轉(zhuǎn)換及予放電路(1)的輸出端相連，其信號來自光電轉(zhuǎn)換及予放電路(1)，A/D轉(zhuǎn)換電路(3)的輸出與控制電路(8)的數(shù)據(jù)口相連；所述的可編程放大電路(2)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和兩放大器構(gòu)成，其具體連接為數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A的數(shù)據(jù)口和控制線與控制電路(8)的數(shù)據(jù)口和控制線相連；所述的A/D轉(zhuǎn)換電路(3)采用一適合于光束光斑數(shù)據(jù)采集速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D構(gòu)成，其具體連接為模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的數(shù)據(jù)口和控制線與控制電路(8)的數(shù)據(jù)口和控制線相連，轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號線與觸發(fā)脈沖成形電路的輸出端相連，觸發(fā)脈沖成形電路的輸入端與控制電路(8)的P1口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光光束光斑診斷儀的系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換及予放電路(1)主要由一熱釋電探測器D及一高輸入阻抗的J型場效應(yīng)管放大器U1構(gòu)成，它輸出被測激光的信號，其中，探測器D采用電壓放大，其反饋電阻R1和輸入電阻R2、R3之間采用三角形連接，反饋電容C1連接于放大器U1的輸入與輸出之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光光束光斑診斷儀的系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的可編程放大電路(2)主要由8位DAC芯片U2、放大器U3及U4構(gòu)成，其輸入與光電轉(zhuǎn)換及予放電路(1)的輸出相連，8位DAC芯片U2的變換輸出與放大器U3的輸入相連，放大器U3的輸出與外部模擬信號輸入共同輸入放大器U4，構(gòu)成一電壓和電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光光束光斑診斷儀的系統(tǒng)控制裝置，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換電路(3)主要由一8位高速ADC芯片U6和D觸發(fā)器U5構(gòu)成，其輸入與可編程放大電路(2)的輸出相連，8位高速ADC芯片U6的觸發(fā)信號與D觸發(fā)器U5的輸出相連，其輸出與單片機相連，D觸發(fā)器U5的輸入與單片機的P1口相連，可將可編程放大電路(2)的輸出信號轉(zhuǎn)換，采集，存儲。
專利摘要一種大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀的系統(tǒng)控制裝置,包括光電轉(zhuǎn)換及預(yù)放電路1,可編程放大電路2,A/D轉(zhuǎn)換電路3,觸發(fā)傳感器4,步進電機驅(qū)動器5,恒高速轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器6,RS232接口及PC機7,以及控制電路8,控制電路8中采用一高速、外部附加中斷源的單片CPU。由于單片CPU是高度集成的微控制器,不需外接并行接口芯片等復(fù)雜的外圍芯片,且由于其具有良好的兼容性,使得本裝置結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)成本低。
文檔編號G02F1/35GK2384243SQ99214778
公開日2000年6月21日 申請日期1999年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月2日
發(fā)明者左鐵釧, 李強, 雷訇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)