專利名稱：一種大功率激光在線數字測試儀器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及焊接工程應用技術領域的一種大功率激光在線數字測試儀器，具 體是一種針對激光焊或激光-電弧復合焊接工藝時可以實時在線的顯示、記錄，應用于焊 接加工的激光功率數字測試儀器。
背景技術：
隨著激光器成本的降低以及激光焊、激光_電弧復合焊的焊接效果具有優于傳統 熱源焊接的特點，經過國內外學者以及工程技術人員的研究和努力，激光器在焊接領域的 應用日益廣泛。從工藝角度來看，激光輸出功率的大小以及其穩定性是確保高精度加工的 關鍵。而且目前市場上存在的測量大功率激光器的功率時必須停止加工，而且在離線測量 過程中，還需要激光器輸出的激光直接對準測量器的探頭，這種檢測方法不僅影響了加工 的連續性，對激光測量儀器的探頭提出了很高的要求，譬如需要大流量的水冷環境，無法實 時在線的檢測功率在加工過程中變化過程。因此，采取有效的手段在激光器運行的過程中 獲得其功率穩定性的信息是十分重要的。通過文獻檢索，目前國內外尚未發現如上描述的大功率激光在線數字測試儀器。 在專利號為95207658. 6的實用新型中，公開了一種對激光器的輸出功率進行在線測量的 激光功率檢測儀，應用采樣器對輸出的激光進行熱電轉換，這種轉換方式的響應速度不高， 具有一定的滯后性，也會影響激光的連續加工過程；在專利號為200710053133. 5的發明專 利中，公開了一種應用采樣片的功率檢測儀裝置，為了提高響應速度，采用了光電二極管進 行信號轉換，但沒有實現實時在線；在專利號為200810246843. 4的發明專利中，公開了一 種半導體激光器激光功率實時在線檢測裝置，通過對激光器輸出的光束作用在工件的反射 光進行檢測。由于在焊接制造環境下，激光作用于工件的反射光在成分和傳播方向上十分 復雜，難以用來定量檢測，而且上述專利都不具有在線數字記錄并顯示激光加工過程中的 穩定性評估功能。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種大功率激光在線數字測試儀器，該儀器不僅可 以實現焊接過程中激光功率實時在線的檢測，而且還可以在計算機上保存、記錄、數字顯示 整個加工過程中激光功率穩定性信息。為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案設計一種大功率激光在線 數字測試儀器，包括放置在大功率激光器輸出光路中的光學采樣裝置、將采樣裝置中的光 信息轉換為電信號數據并將數據傳輸到上位機的下位機、以及對數據進行處理和顯示的上 位機；所述采樣裝置為將大功率激光器的輸出光分為工作光和采集光的分束裝置；所述下 位機包括采集采樣裝置中光信息的數據采集系統和傳輸數據到上位機的數據通信系統；所 述上位機包含數據處理、顯示系統。本方案中的采樣裝置采用如下器件擴束鏡、寬帶全反鏡、濾光片、凸透鏡、雜散光收集裝置。其中，擴束鏡為凸透鏡與凹透鏡組成的透鏡組，將大功率激光器輸出的窄光束擴 束；寬帶全反射鏡由兩塊平行放置的全反射鏡組成，且第一塊全反鏡透射功率Y1與反射功 率 y 之間的關系式為=Y = AieXp (I1A1)+A2exp(-yi/t2)+y。，其中(A1, t^A^t^Yo 由試驗數 據擬合得到)，經第一塊全反鏡透射后的功率Y1的0. 22 %由第二塊全反鏡透射，兩塊寬帶 全反鏡與大功率激光器輸出光路的光軸成45°放置；凸透鏡將寬帶全反射鏡中第一塊全 反鏡反射出來的激光經過凸透鏡聚焦，使之成為工作光；雜散光收集裝置為涂黑毛糙面尖 端裝置，并置于第二塊全反鏡的反射光路中；濾光片置于分束鏡透射光的光路中。所述濾光 片為中性密度濾光片，透射率為10%。本方案中的下位機中的數據采集系統還包括電流信號采集電路，用來采集進入下 位機的電流信號；電壓信號采集電路，用來采集下位機中用于數據采集系統的轉換電壓信 號；溫度信號采集電路，用來采集下位機芯片工作溫度信號。數據采集系統由光電二極管 VTB5051H和C805IF系列的單片機構成，光電二極管VTB505IH反向接到電路中并與電阻 R25串聯，電阻R25兩端的電壓信號通過運算放大器TL082D構成電壓跟隨器經串聯的電阻 Rl和電阻R8分壓，接入到單片機的模擬輸入ΑΙΝΟ. 0管腳；所述數據通信系統由單片機和 由ΜΑΧ232芯片構成的串口通信電路構成，兩者的電源電壓信號采用5V-5V的DC-DC模塊進 行隔離，單片機的RXD和TXD兩個引腳信號經過光耦隔離器件后連接到串口通信電路中的 ΜΑΧ232芯片上。本實用新型的積極效果本實用新型實現了在不影響激光焊接加工過程中的大功 率激光的在線實時檢測，并且消除了焊接加工過程中產生的雜散光對檢測的影響；還實現 了在計算機上保存、記錄、數字顯示整個加工過程中激光功率穩定性的信息。
圖1是本實用新型大功率激光在線數字測試儀器結構示意圖圖2是本實用新型光學系統示意圖圖3是本實用新型下位機結構示意圖圖4是本實用新型數據采集電路圖圖5是本實用新型CPU部分的電路圖圖6是本實用新型CPU與串口通信電路之間的隔離電路圖圖7是本實用新型串口通信電路圖圖8是本實用新型電源部分電路圖圖9是本實用新型上位機軟件界面圖圖10是本實用新型具體實施例的上位機軟件界面圖圖中1、采樣裝置，2、下位機，3、上位機，11、擴束鏡，12、寬帶全反鏡，13、中性密度 濾光片，14、凸透鏡，15、雜散光收集裝置，21、CPU, 22、數據采集電路，23、串口通信電路，24、 電流信號采集，25、電壓信號采集，26、溫度信號采集。
具體實施方式
以下結合附圖1至圖10對本實用新型的優選實施例進行詳細說明。本實施例結構示意圖如圖1所示，總體上由三部分組成光學采樣裝置1，下位機2中的數據采集系統和數據通信系統，以及上位機3的數據處理、顯示系統。如圖2所示，在光學系統示意圖中，大功率激光器輸出的激光經過擴束鏡11擴束 均勻化后再經過寬帶全反鏡12，其與大功率激光器輸出光路的光軸成45°放置。寬帶全反 鏡12包含兩塊寬帶全反鏡，其中第一塊寬帶全反鏡反射出來的激光經過凸透鏡14聚焦后 應用與焊接加工，透射出來的激光再經過寬帶全反鏡I2中第二塊寬帶全反鏡，此時反射出 來的微弱的激光進入雜散光收集裝置15，而透射出來的激光經過中性密度濾光片13后進 入下位機2中。如圖3所示，下位機結構主要由六部分組成CPU21、數據采集電路22、串口通信電 路23、電流信號采集24、電壓信號采集25、溫度信號采集26。如圖4所示，在數據采集電路中，光電二極管VTB5051H反接到電路中并與R25串 聯，R25兩端的電壓信號即為根據激光輸出功率不同而產生的電壓變化信號，在室內光線狀 態下，R25兩端的輸出電壓為0。電壓信號通過運算放大器TL082D進行電壓跟隨后串聯Rl 和R8，并把R8兩端的電壓信號接入到CPU的模擬輸入ΑΙΝΟ. 0管腳。通過R8的分壓，使得 進入CPU (21)內的電壓模擬信號大小在0 2. 5V (伏特)范圍內。如圖5所示，CPU為Silicon Laboratories公司的C8051F系列的單片機，型號為 C8051F350。CPU的ΑΙΝΟ. 2、ΑΙΝΟ. 3和ΑΙΝΟ. 4分別連接采集電路板的電壓信號、電流信號 和芯片的溫度信號等模擬輸入量；CPU的P0. 4和P0. 5兩個引腳連接到RS232通信電路的 U6(型號為MAX232)芯片上，用來和上位機通信；CPU的P2. 0/C2D和RES/C2CLK兩個引腳用 來連接仿真器電路C28、C29和Yl晶體為CPU提供時鐘信號；Cl、C2、C3和C12是CPU電源 旁路電容，CPU的電源為3. 3V(伏特)。通過C51語言的程序編寫可以實現數據的采集、A/ D轉換，并把數字信號通過串口發送到上位機3中。如圖6所示，CPU與串口通信電路23之間的隔離電路采用5V-5V的DC-DC模塊 B0505LS-1W對兩邊的電源信號進行隔離，采用光耦隔離器件TLP521-1對下位機2和上位機 3之間相互傳輸的通信信號進行隔離，提高信噪比，增強計算機工作的可靠性。如圖7所示，在串口通信電路中，使用芯片MAX232，通過光耦隔離后的數字信號線 TXD_L連接到芯片的T2IN引腳上，經過芯片處理后由T20UT輸出，經過串口傳送到上位機 3 ；上位機3發送過來的數字信號連接到MAX232芯片上的R2IN引腳上，經過芯片處理后從 R20UT輸出到信號線RXD_L上，光耦隔離后傳送給CPU，從而在硬件上實現了下位機2與上 位機3之間的通信。如圖8所示，外部電源經過整流硅橋Bl和R24過流保護后，再通過穩壓芯片7805 把輸入的直流電壓轉變為5V，然后再經過穩壓芯片AS1117把5V的直流電壓穩在3. 3V供給 CPU的VCC ；另外，5V的直流電壓通過兩個B0515LS-1W的升壓模塊后把電壓提高到30V，再 通過穩壓芯片7824把直流電壓穩在24V用于信號采集的電源電壓。如圖9所示，應用Labview軟件進行通信協議定義以及對接收數據進行算法處理 設計的上位機系統界面，下位機通過串口與上位機連接完成后，按下開啟按鈕，開啟指示燈 變綠，當串口成功連接后，串口連接指示燈變綠，開始正確讀取信號時，讀取信號指示燈變 綠，每成功讀取一遍下位機CPU傳送過來的四個信號后，連續采集信號燈亮一次，時間間隔 是Is鐘。界面上會實時顯示實際應用加工的功率、下位機采集信號電路的電源電壓、下位 機電流以及下位機溫度，并且還會顯示功率隨加工時間的變化情況。[0030] 圖10展示了上述實施例中應用整個裝置的上位機控制系統某一時刻的控制界
權利要求大功率激光在線數字測試儀器，包括放置在大功率激光器輸出光路中的光學采樣裝置(1)、將采樣裝置(1)中的光信息轉換為電信號數據并將數據傳輸到上位機(3)的下位機(2)、以及對數據進行處理和顯示的上位機(3)；其特征在于所述采樣裝置(1)為將大功率激光器的輸出光分為工作光和采集光的分束裝置；所述下位機(2)包括采集采樣裝置(1)中光信息的數據采集系統和傳輸數據到上位機(3)的數據通信系統；所述上位機(3)包含數據顯示系統。
2.如權利要求1所述的大功率激光在線數字測試儀器，其特征在于所述光學采樣裝 置(1)由擴束鏡(11)、寬帶全反鏡(12)、濾光片(13)、凸透鏡(14)、雜散光收集裝置(15) 組成；其中，擴束鏡(11)為凸透鏡與凹透鏡組成的透鏡組，將大功率激光器輸出的窄光束 擴束；寬帶全反射鏡(12)由兩塊平行放置的全反射鏡組成，且第一塊全反鏡透射功率7工與 反射功率 y 之間的關系式為:y = AieXp (I1A1)+A2exp(-yi/t2)+y。，其中(A^t^A^t^Yo 由 試驗數據擬合得到)，經第一塊全反鏡透射后的功率Y1的0. 22%由第二塊全反鏡透射，兩 塊寬帶全反鏡與大功率激光器輸出光路的光軸成45°放置；凸透鏡(14)將寬帶全反射鏡 (12)中第一塊全反鏡反射出來的激光經過凸透鏡(14)聚焦，使之成為工作光；雜散光收集 裝置(15)為涂黑毛糙面尖端裝置，并置于第二塊全反鏡的反射光路中；濾光片(13)置于分 束鏡(12)透射光的光路中。
3.如權利要求1所述的大功率激光在線數字測試儀器，其特征在于所述濾光片(13) 為中性密度濾光片，透射率為10%。
4.如權利要求1所述的大功率激光在線數字測試儀器，其特征在于所述下位機(2) 中的數據采集系統還包括電流信號采集電路(24)，用來采集進入下位機的電流信號；電壓 信號采集電路(25)，用來采集下位機中用于數據采集系統的轉換電壓信號；溫度信號采集 電路(26)，用來采集下位機芯片工作溫度信號。
5.如權利要求1或2所述的大功率激光在線數字測試儀器，其特征在于所述數據采 集系統由光電二極管VTB5051H和C8051F系列的單片機構成，光電二極管VTB5051H反向接 到電路中并與電阻R25串聯，電阻R25兩端的電壓信號通過運算放大器TL082D構成電壓跟 隨器經串聯的電阻Rl和電阻R8分壓，接入到單片機(21)的模擬輸入ΑΙΝΟ. 0管腳；所述數 據通信系統由單片機(21)和由ΜΑΧ232芯片構成的串口通信電路(23)構成，兩者的電源電 壓信號采用5V-5V的DC-DC模塊進行隔離，單片機(21)的RXD和TXD兩個引腳信號經過光 耦隔離器件后連接到串口通信電路(23)中的ΜΑΧ232芯片上。
專利摘要一種大功率激光在線數字測試儀器，應用于焊接加工的激光功率數字測量。本實用新型包括放置在大功率激光器輸出光路中的光學采樣裝置(1)、將采樣裝置(1)中的光信息轉換為電信號數據并將數據傳輸到上位機(3)的下位機(2)、以及對數據進行處理并顯示的上位機(3)；其中，采樣裝置(1)將激光器的輸出光分為工作光和采集光；下位機(2)包括數據采集系統和傳輸數據到上位機(3)的數據通信系統；上位機(3)包含數據處理、顯示系統。本實用新型實現了在不影響激光焊接加工過程中的大功率激光在線實時檢測，并且消除了焊接加工過程中產生的雜散光對檢測的影響；還實現了在計算機上保存、記錄、數字顯示整個加工過程中激光功率穩定性的信息。
文檔編號G01J1/04GK201680906SQ20092027110
公開日2010年12月22日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者宋永倫, 張軍, 楊曉紅, 肖天驕 申請人:北京工業大學