一種脈沖激光功率采集和控制系統的設計

摘要：文章根據脈沖激光功率的特點(diǎn)，通過(guò)系統硬件和軟件的設計，實(shí)現了對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采集電路的設計實(shí)現了脈沖光功率的采集，以PID為主的軟件設計又完成了光功率的穩恒輸出。此系統的設計能成功地用在激光打標機功率控制系統中。
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和激光加工方面取得了迅速的發(fā)展，而用于激光打標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，激光輸出功率嚴重的影響著(zhù)激光加工的質(zhì)量。在激光加工過(guò)程中，如何能實(shí)時(shí)監控激光功率的變化，提高激光功率的穩定性和控制精度，對產(chǎn)品的精密加工有著(zhù)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計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)對脈沖光信號的研究，設計出了基于峰值保持電路的小信號處理電路，和基于PID算法的單片機控制系統。通過(guò)硬件電路和軟件系統的設計解決了光纖激光器中脈沖激光的采集和光功率穩恒的問(wèn)題。

系統的硬件電路框圖如圖1所示，PIN管對激光器中的脈沖光進(jìn)行采集，把脈沖式的光信號轉換成脈沖式的電信號。采集到的脈沖光信號經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，本設計采用了兩級放大，將小信號放大到能夠進(jìn)行處理的信號。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的功率成線(xiàn)性關(guān)系)。在經(jīng)過(guò)A／D轉換電路將峰值電壓信號轉換成數字信號在單片機中進(jìn)行處理。在單片機中主要運用了PID算法對功率進(jìn)行控制，將調節后的值送給LD驅動(dòng)電路進(jìn)行功率調節。最終使功率穩定地輸出。

2 系統的硬件電路設計
2．1 光電轉換部分
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轉換成電信號。PIN二極管對低頻信號具有整流作用，而對高頻信號則具有阻抗作用。PIN光電二極管具有以下優(yōu)點(diǎn)：響應速度快；線(xiàn)性好、頻帶寬、信號失真??；噪聲低，器件本身對信號影響??；體積小、壽命長(cháng)、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(xiàn)性關(guān)系。所以可以通過(guò)采集峰值電壓的信號來(lái)對光功率進(jìn)行采集處理。
2．2 小信號處理電路
小信號處理電路主要包括小信號放大電路和峰值保持電路。
2．2．1 小信號放大部分
本設計采用兩級放大電路對微弱電信號進(jìn)行放大，一般光電探測器輸出的電壓幅值為幾百微伏到幾百毫伏的級別，應適當選擇放大倍數將信號放大到可處理的幅度。這里選用Texas Instruments的低功耗、高精度運算放大器opa234。

放大部分的電路原理圖如圖2所示，經(jīng)過(guò)精密運放opa234的兩級放大，把光探測器采集到的微弱電信號放大為伏級別的電壓。
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，能跟隨輸入信號變化，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、積分電容和復位開(kāi)關(guān)組成，完成了信號峰值的采樣和保持。峰值保持電路的原理圖如圖3所示。

前級運放構成半波整流信號，后級運放為電壓跟隨，使電壓增益為1。保持電容主要用于記憶輸入信號的大小，控制開(kāi)關(guān)則用于控制采樣保持的時(shí)間。當輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，二極管D2導通，積分電容C1充電至U1輸出端，由于二極管D2的單向導電性，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，積分電容C1保持峰值電壓，直到下次復位信號的到來(lái)。