阅读说明：本技术 一种激光功率自恢复控制系统 (Laser power self-recovery control system ) 是由 柯西军 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光功率自恢复控制系统。它包括激光器本体,所述激光器本体内设有激光功率检测模块,用于在激光器本体启动时检测发出的激光功率,并输出至控制模块；控制模块,用于将接收的激光功率与设定值进行比较,若激光功率小于等于设定值,则控制激光器本体中的安装倍频晶体的执行部件移动,从而调整倍频晶体的位置,使激光避开倍频晶体上损坏的点。本发明在激光器内设置激光功率检测模块,每次激光器启动时检测激光功率是否衰减,如果检测到激光功率衰减超过了一个固定值时,则通过驱动电机转动使倍频晶体的位置平移,从而使激光避开倍频晶体损坏的表面,通过这种方法来提高激光器的使用寿命,方法简单,成本低,易实现。(The invention discloses a laser power self-recovery control system. The laser power detection module is arranged in the laser body and used for detecting the laser power emitted when the laser body is started and outputting the laser power to the control module; and the control module is used for comparing the received laser power with a set value, and controlling an execution component for installing the frequency doubling crystal in the laser body to move if the laser power is less than or equal to the set value, so that the position of the frequency doubling crystal is adjusted, and the laser is enabled to avoid a damaged point on the frequency doubling crystal. The laser power detection module is arranged in the laser, whether the laser power is attenuated or not is detected when the laser is started every time, and if the laser power attenuation is detected to exceed a fixed value, the position of the frequency doubling crystal is translated through the rotation of the driving motor, so that the laser avoids the damaged surface of the frequency doubling crystal.)

一种激光功率自恢复控制系统

技术领域

本发明属于激光控制技术领域，具体是一种激光功率自恢复控制系统，涉及一种用于工业固体激光器内部的控制器，主要适用于激光打码、切割、划片机器等。

背景技术

目前，固体激光器具有体积小，使用方便，输出功率大的特点，主要用于食品，药品的包装上，汽车零部件的表面进行标记生产日期和识别码等。通常，有色金属和非有色金属材料对远红外波长的激光具有良好的吸收；贵金属对近红外波长的激光具有良好的吸收，而且对材料表面的热影响较小。现在运用在食品和药品包装上标记的主流激光器输出的波长为355nm，它是由激光腔内放大产生的1064nm的光源第一倍频和第二倍频所产生的。因为激光在腔内振荡、调制、以高能量密度的激光入射到倍频晶体的表面，使入射面单位面积的热量大大提高，使得倍频过程中倍频晶体容易损坏，形成晶体坏点，从而降低倍频的效率及激光输出功率，缩短了激光器的整体使用寿命。目前市场上提供的倍频晶体均无法克服这种高热损伤，因此如何改善，优化激光器设计成为提高激光器的主要手段。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种激光功率自恢复控制系统，来提高激光器的使用寿命。

本发明采用的技术方案是：一种激光功率自恢复控制系统，包括激光器本体，所述激光器本体内设有

激光功率检测模块，用于在激光器本体启动时检测发出的激光功率，并输出至控制模块；

控制模块，用于将接收的激光功率与设定值进行比较，若激光功率小于等于设定值，则控制激光器本体中的安装倍频晶体的执行部件移动，从而调整倍频晶体的位置，使激光避开倍频晶体上损坏的点。

进一步地，所述激光功率检测模块包括塞贝克传感器和温度调整模块，

所述塞贝克传感器的陶瓷片A面经受激光照射后在其内部半导体的两端产生电动势；

所述温度调整模块与控制模块配合采用温度闭环控制使塞贝克传感器的陶瓷片B面温度为常量；

所述控制模块确定B面温度为常量后采集所述电动势，根据标定的激光功率-电动势对照表确定激光功率。

进一步地，所述温度调整模块包括温度传感器和TEC制冷片，

所述温度传感器用于检测塞贝克传感器的陶瓷片B面的温度并输出至控制模块；

所述控制模块用于根据接收的温度及设定值确定驱动电流并输出至TEC制冷片；

所述TEC制冷片用于根据驱动电流对塞贝克传感器的B面进行加热或制冷。

进一步地，所述温度传感器为Pt100铂电阻，所述控制模块包括线性处理电路，线性处理电路对Pt100铂电阻的阻值进行线性化处理，根据处理后的信号通过标定的温度-阻值对照表确定温度。

进一步地，所述线性处理电路包括第一连接器、电阻Rlin1、电阻 Rlin2、电阻Rcm、电阻Rz、开关管Q1和放大器U1，所述第一连接器的输入端连接Pt100铂电阻两端，第一连接器的第一输出端连接电阻Rlin1一端和放大器U1的IR_2引脚，第一连接器的第二输出端连接电阻Rz一端和开关管的基极，第一连接器的第三输出端连接开关管的发射极和电阻Rcm一端，所述电阻Rlin1另一端连接电阻Rlin2 一端和放大器U1的VLIN引脚，所述电阻Rlin2另一端连接放大器 U1的IR_1引脚和电阻Rz另一端，所述电阻Rcm另一端连接放大器 U1的IRET引脚。

进一步地，所述控制模块包括

误差计算模块，用于根据接收的温度及设定值计算温度误差并输出至PID模块；

PID模块，用于根据温度误差进行PID运算确定PI输出量并输出至PWM模块；

PWM模块，用于根据接收的PI输出量产生PWM信号输出至驱动模块；

驱动模块，用于根据PWM信号产生驱动TEC制冷片加热或制冷的驱动电流。

进一步地，所述驱动模块包括第一驱动电路、第二驱动电路和第二连接器，所述第一驱动电路和第二驱动电路的输入端分别连接 PWM模块的两个输出端，第一驱动电路和第二驱动电路的输出端分别连接第二连接器的两个接线端，第二连接器的另两个接线端分别连接TEC制冷片的两端。

进一步地，所述第一驱动电路包括第一驱动芯片、MOS管K1和 MOS管K2，所述第一驱动芯片的输入端连接PWM模块的输出端，第一驱动芯片的高端控制引脚和低端控制引脚分别连接MOS管K1 和MOS管K2的栅极，第一驱动芯片的VS引脚连接MOS管K1的源极和MOS管K2的漏极，第一驱动芯片的VS引脚经电感L1连接第二连接器的接线端，MOS管K1的漏极连接电源，MOS管K1的源极接地。

更进一步地，所述第二驱动电路包括第二驱动芯片、MOS管K3 和MOS管K4，所述第二驱动芯片的输入端连接PWM模块的输出端，第二驱动芯片的高端控制引脚和低端控制引脚分别连接MOS管K3 和MOS管K4的栅极，第二驱动芯片的VS引脚连接MOS管K3的源极和MOS管K4的漏极，第二驱动芯片的VS引脚经电感L2连接第二连接器的接线端，MOS管K3的漏极连接电源，MOS管K1的源极接地。

本发明在激光器内设置激光功率检测模块，每次激光器启动时检测激光功率是否衰减，如果检测到激光功率衰减超过了一个固定值时，则通过驱动电机转动使倍频晶体的位置平移或转动，从而使激光避开倍频晶体损坏的表面，使激光功率回到正常的范围，通过这种方式提高激光器的使用寿命，方法简单，成本低，易实现。

附图说明

图1为本发明激光功率检测模块的示意图。

图2为本发明激光器内驱动倍频晶体移动的执行部件的示意图。

图3为本发明线性处理电路的原理图。

图4为本发明PWM模块输出的PWM波形示意图。

图5为本发明驱动模块的输入电平示意图。

图6为本发明驱动模块的一种电流流向示意图。

图7为本发明驱动模块的另一种电流流向示意图。

图中：1-塞贝克传感器；2-温度传感器；3-TEC制冷片；4-倍频晶体；5-驱动电机；6-激光。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

如图1-7所示，本发明提供一种激光功率自恢复控制系统，包括激光器本体，所述激光器本体内设有

激光功率检测模块，用于在激光器本体启动时通过驱动部件移动至激光光路上，来检测发出的激光功率，并输出至控制模块；驱动部件可以是电机或其他执行机构。

控制模块，用于将接收的激光功率与设定值进行比较，若激光功率小于等于设定值，则控制激光器本体中的安装倍频晶体的执行部件 (即驱动电机5)动作，从而调整倍频晶体4的位置，使激光6避开倍频晶体上损坏的点。倍频晶体通过底座安装在电移平台，由驱动电机驱动电移平台，从而带动倍频晶体移动。

上述方案中，激光功率检测模块包括塞贝克传感器1和温度调整模块，所述塞贝克传感器1的陶瓷片A面经受激光照射后在其内部半导体的两端产生电动势；所述温度调整模块与控制模块配合采用温度闭环控制使塞贝克传感器的陶瓷片B面温度为常量；所述控制模块确定B面温度为常量后采集所述电动势，根据标定的激光功率-电动势对照表确定激光功率。本发明激光功率检测模块并不限于塞贝克传感器 1和温度调整模块，也可以是其他形式的激光功率检测设备。

本发明使用一块4mm x 4mm x 1.5mm的塞贝克传感器作为检测激光功率元件。根据塞贝克效应，由公式1可知，当半导体材固定时，半导体两端的温差越大电压也越大。当激光照射在传感器的陶瓷片A 面上转换为热，再由陶瓷片A面的热与陶瓷片B面的温度产生温差，使内部的半导体产生电流，分别将半导体的两端用导线引出，导线的两端用电压表测量有电压。

V＝(Sa–Sb)(T2–T1)； 公式1

V:半导体两端的电动势；

Sa:半导A面的材料系数；

Sb:半导B面的材料系数；

T1:陶瓷片A面的温度；

T2:陶瓷片B面的温度；

当半导体材料固定时，(Sa–Sb)的差值也是一个固定值，这时利用TEC制冷片给陶瓷片A面进行恒温，从公式1可知当T1大于 T2时，电动势是个负值，所以当给陶瓷片A面设置多少温度应该是没有激光照射陶瓷片B面的温度，也就是陶瓷片B面的环境温度，这时由公式1可知电动势的大小只随T1，也就是陶瓷片A面的温度上升而上升。

V＝Sx(T2–25.0℃) 公式2

表1为激光照射在陶瓷片A面，导体所产生的电动势的大小。

激光功率(W)	电动势(mV)
		0.1	4
0.2	8
		0.3	12
…	…
		3.0	126
4.0	164
		5.0	203

表1

通过闭环调节控制器上的12bit模数转换功能采集塞贝克传感器上的电压信号，再把量化好的数字信号转换成对应的激光功率数量值，见表2，把量化的信号经过转换后得到的数值与实际的激光功率数值非常接近。

激光功率(W)	电动势(mV)	转换后的数值
			0.1	4	98
0.2	8	196
			0.3	12	294
…	…	…
			3.0	126	3096
4.0	164	4030
			5.0	203	4988

表2

上述方案中，温度调整模块包括温度传感器2和TEC制冷片3，所述温度传感器2用于检测塞贝克传感器1的陶瓷片B面的温度并输出至控制模块；所述控制模块用于根据接收的温度及设定值确定驱动电流并输出至TEC制冷片3；所述TEC制冷片3用于根据驱动电流对塞贝克传感器的B面进行加热或制冷。

温度传感器为Pt100铂电阻，所述控制模块包括线性处理电路，线性处理电路对Pt100铂电阻的阻值进行线性化处理，根据处理后的信号通过标定的温度-阻值对照表确定温度。

线性处理电路包括第一连接器P1、电阻Rlin1、电阻Rlin2、电阻 Rcm、电阻Rz、开关管Q1和放大器U1，所述第一连接器P1的输入端连接Pt100铂电阻两端，第一连接器P1的第一输出端连接电阻Rlin1 一端和放大器U1的IR_2引脚，第一连接器的第二输出端连接电阻Rz一端和开关管的基极，第一连接器的第三输出端连接开关管的发射极和电阻Rcm一端，所述电阻Rlin1另一端连接电阻Rlin2一端和放大器U1的VLIN引脚，所述电阻Rlin2另一端连接放大器U1的IR_1 引脚和电阻Rz另一端，所述电阻Rcm另一端连接放大器U1的IRET 引脚。

控制模块包括

误差计算模块，用于根据接收的温度及设定值计算温度误差并输出至PID模块；

PID模块，用于根据温度误差进行PID运算确定PI输出量并输出至PWM模块；

PWM模块，用于根据接收的PI输出量产生PWM信号输出至驱动模块；

驱动模块，用于根据PWM信号产生驱动TEC制冷片加热或制冷的驱动电流。

上述方案中，驱动模块包括第一驱动电路、第二驱动电路和第二连接器，所述第一驱动电路和第二驱动电路的输入端分别连接PWM 模块的两个输出端，第一驱动电路和第二驱动电路的输出端分别连接第二连接器的两个接线端，第二连接器的另两个接线端分别连接TEC 制冷片的两端。

第一驱动电路包括第一驱动芯片、MOS管K1和MOS管K2，所述第一驱动芯片U2的输入端连接PWM模块的输出端，第一驱动芯片的高端控制引脚和低端控制引脚分别连接MOS管K1和MOS管 K2的栅极，第一驱动芯片U2的VS引脚连接MOS管K1的源极和 MOS管K2的漏极，第一驱动芯片的VS引脚经电感L1连接第二连接器的接线端，MOS管K1的漏极连接电源，MOS管K1的源极接地。

第二驱动电路包括第二驱动芯片U3、MOS管K3和MOS管K4，所述第二驱动芯片的输入端连接PWM模块的输出端，第二驱动芯片的高端控制引脚和低端控制引脚分别连接MOS管K3和MOS管K4 的栅极，第二驱动芯片的VS引脚连接MOS管K3的源极和MOS管K4的漏极，第二驱动芯片的VS引脚经电感L2连接第二连接器的接线端，MOS管K3的漏极连接电源，MOS管K1的源极接地。

本发明温度调整模块与控制模块配合采用温度闭环控制使塞贝克传感器的陶瓷片B面温度为常量的原理如下：

采用的Pt100铂电阻作为温度传感器件，一般情况下环境温度在 0℃-40℃之间，所以对应的铂电阻值为100.0Ω-115.54Ω之前。因为 Pt100在此区间有较大的非线性存在，所以必须对采集的电阻值进行线性化处理，图3为Pt100的线性处理电路，Pt100铂电阻由P1接入，经过电阻Rlin1、电阻Rlin2和开关管Q1对信号进行线性化处理，再过放大器XTR105进行放大1000倍，最后以电流的形式输出给控制模块内的ARM单片机。

由TI提供的DataSheet可以得到调理信号输出公式：

RTD(Tmin)＝0℃＝100Ω；RTD(Tmid)＝50℃＝119.4Ω；

RTD(Tmax)＝100℃＝138.51Ω

Rz＝Rmin＝100Ω

Rg＝2(Rmax–Rz)(Rmid–Rz)/(Rmax–Rz)

＝2x(38.51x 19.4)/19.11

＝78.18

Rlin＝1000Ω

Rlin1＝Rlin(Rmax-Rmid)/2(2Rmid-Rmax-Rz)

＝(1000x 38.51)/(2x(238.8-38.51))

＝47.7

Rlin2＝(Rlin+Rg)(Rmax-Rmid)/2(2Rmid-Rmax-Rz)

＝1078.18x 19.11/400.58

＝982.93

Rcm_min＝1.25v/2x 800uA＝781.3R；

以计算值的±0.1％精度的电阻如表3所示。

表3

分别把0℃到100℃对应的电阻值代入公式2得到的电动势如表4 所示：

温度(℃)	Rrtd(Ω)	Io(mA)	Vo(mV)
				0	100.00	4.00	1000
10	103.90	5.72	1430
				20	107.79	7.33	1832
30	111.67	8.9	2225
				40	115.54	10.55	2637
50	119.40	12.1	3025
				60	123.24	13.73	3432
70	127.08	15.31	3827
				80	130.90	16.94	4235
90	135.71	18.66	4665
				100	138.51	20.2	5025

表4

经过线性处理电路得到的信号为电流信号，ARM单片机集成的模数转换输入的是电压信号，所以必须在ARM单片机之前加一个采样电阻Re，阻值设定为250Ω，1/4W，0805封装的电阻，这样可以得到一个与温度对应的电压信号。

ARM单片机将采集到的温度与设置温度进行比较，产生误差结果，再进行PID运算，PID算法的数学模型为

将PID的数学模型进行离散化，便于ARM单片机执行。Ti和Ti 分别为积分时间常数和微分时间常数，使一个定时器用于设定这两个值的时间为1ms。

u(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

u(k):控制器的输出值；

e(k):控制器的输入值与设定值的误差值；

e(k-1):上一次控制器与设定值的误差值；

e(k-2):上上一次控制器与设定值的误差值；

Kp:比例系数；

Ke:积分系数；

Kd:微分系数。

ARM单片机的主循环不断的有getADC()函数采集模数转换的温度值，将采集到的值与设定值进行比较，用pidCalc(&pid_Ch1)函数生成当前的误差值，将生成的误差值dError代入离散化的PID公式里得到输出量pp->LastOut。

ARM单片机内部集成了PWM调制模块，通过设置相关的寄存器组就可以从指定的IO口输出PWM波形。

PWM调制块的两个关键寄存器有TCNTn，OCnx。由图4可知一个控制输出频率，一个控制占空比。

PWM模块的输出频率可以通过如下公式计算得到：

fclk_I/O:单片机的输入时钟频率；

N:时钟分频系数，一般为1，8，64，256或1024；

TOP:频率输出比较寄存器。

PWM模块的输出占空比可以通过如下公式计算得到：

Duty＝ICFn/OCRn；

把PID运算函数计算得到的输出结果pp->LastOut赋值给ICFny 就可以改变指定的I/O口输出的PWM波形，当误差与设定值越大，输出的PWM占空比越大，反之越小。

输出的PWM信号传递给第一驱动芯片和第二驱动芯片，由驱动芯片输出驱动MOSFET，最后通过第二连接器JP3与外部TEC制冷片连接。以第一驱动芯片为例，当IN输入为高电平时，HO为高电平， LO为低电平，对应的K1导通，K2截止；当IN输入为低电平时， HO为低电平，LO为高电平，对应的K1截止，K2导通。

TEC，Thermoelectric Cooler即半导体制冷片，适用于有制冷需求的小型化器件，其原理是基于珀耳贴效应即热电效应，金属接触点出现一边吸热一边放热的现象，材料的不同，热电效应也不同，一般使用的都为半导体材料制成的TEC。外加电场的作用下，电子流能够将内能从一边带到另一边，也就是电流方向不同会导致TEC冷热面切换。

通过驱动模块驱动TEC制冷片工作，改变MOS管K1和MOS 管K2的导体时间来控制通过TEC制冷片的电流，使TEC制冷的程度改变。如图6、图7所示：

如设置MOS管K1导通，MOS管K2截止，MOS管K3截止， MOS管K4导通时，电流从MOS管K1向电感L1，经第二连接器JP3 流过MOS管K4，此时第二连接器JP3与TEC连接，TEC的陶瓷片A 面产生制冷效果，TEC的陶瓷片B面产生制热的效果；如果设置MOS 管K1截止，MOS管K2导通，MOS管K3导通，MOS管K4截止时，电流从MOS管K3向电感L2，第二连接器JP3流过MOS管K2，TEC 的陶瓷片A面产生制热效果，TEC的陶瓷片B面产生制冷的效果。

所以当检Pt100铂电阻上的温度与设定值产生偏差时，发送给第一驱动芯片和第二驱动芯片上的PWM的占空比也发生变化，变化的大小受偏差的大小变化而变，此时也改变了MOS管K1、MOS管K2、 MOS管K3、MOS管K4这四个MOSFET管的工作状态，控制外部连接的TEC制冷片的注入电流，最终在TEC制冷片上产生的冷或热量。

通过上述的闭环控制使公式1中的T2变为一个常量，输出的V 值只随T1的变化而变。得到采样值后再与设定功率值进行比较，如果误差在±10％以内，控制器不进行调整，进入正常使用模式；如果误差在±10％以外，控制器进入调整模式。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。