一種高功率光纖激光器回光探測及其保護電路的制作方法
本發明涉及光纖激光加工技術，具體來說是一種高功率光纖激光器回光探測及其保護電路。
背景技術：
隨著光纖激光器生產技術的日趨成熟，大功率光纖激光器已廣泛應用于各種工業金屬加工領域，光纖激光加工成本非常低廉，遠遠低于其他切割工藝。激光切割是通過高能量密度激光束瞬間熔化或汽化材料，同時利用輔助氣流吹除材料形成切縫的過程，具有效率高、質量好的特點。但是，在現今的工業市場當中，高反射材料銅、鋁、金的加工份額占據著非常高的比例，對于這些材料的切割難度一直是激光切割的關鍵問題，制約了激光切割的發展。如何解決這些難題，仍然是激光切割行業今后發展過程中的必須通過的關卡。同時由于此類材料的高反射率和自身物理特性，對光纖激光切割機的激光器重要組成器件損傷比較嚴重，大大降低了激光器的使用壽命。
技術實現要素：
鑒于現有技術存在的問題，本發明的目的是設計一種激光器回光探測及其保護電路，其抗干擾強，靈敏度高，能有效避免誤報和漏報現象，極大地減小損失，保障產品性能，獲得更多盈利增長，具有實用工業價值。
為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種高功率光纖激光器回光探測及其保護電路，其特征在于：包括用于將采集到的激光器回光信號轉換為電流信號的回光探測器PD、用于將回光功率電流信號轉換為穩定的電壓信號的I-U轉換電路、回光電壓比較電路、激光器回光控制保護處理電路以及時序控制程序；其中，回光探測器PD與I-U轉換電路連接，I-U轉換電路與回光電壓比較電路連接，回光電壓比較電路與激光器回光控制保護處理電路連接，激光器回光控制保護處理電路連接光纖激光器。
本發明所述時序控制程序執行以下操作：
一、設置回光報警參考電壓VREF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；
二、配置B路DAC輸入DATA=（01010011010）B；
三、采樣回光信號V7；
四、判斷采樣回光信號V7是否大于回光報警參考電壓VREF；
五、判斷采樣回光信號V7若大于回光報警參考電壓VREF，則控制芯片內部AD轉換為數字信號，PD＿CMP=0X0001，控制信號turn off置1，關閉出光信號，停止激光器切割；
六、判斷采樣回光信號V7若未大于回光報警參考電壓VREF，則控制芯片內部AD轉換為數字信號，PD＿CMP=0X0000，程序返回步驟三繼續操作。
本發明所產生的有益效果是：針對大功率光纖激光器切割超高反射性材料時，為了避免回光過大損害激光器泵源、合束器等重要器件的問題，本設計實現了實時探測回光功率大小，并與可適應各種材料切割得到的預設值比較后，產生的回光功率報警與否信號由單片機處理，完成智能化控制。本發明電路設計抗干擾強，靈敏度高，極大地減小損失，具有實用工業價值。
附圖說明
圖1為本發明電路連接原理框圖；
圖2為圖1中I-U轉換電路原理圖；
圖3為圖1中回光電壓比較電路原理圖；
圖4圖1中回光功率報警參考電壓控制電路原理圖；
圖5為圖1中截為上部分的激光器回光控制保護處理電路原理圖；
圖6為圖1中截為下部分的激光器回光控制保護處理電路原理圖；
圖7為本發明時序控制程序流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明：
如圖1所示，本發明的工作原理為：InGaAs PIN光電探測器PD將不同的激光器回光信號轉換為電流信號，經運算放大器POA4340組成I-U轉換電路采樣不同的回光功率電壓，轉換為穩定的電壓幅值信號，然后輸出給LM2901組成的回光電壓比較電路與預設保護電壓比較，最后將比較信號上傳主控芯片STM32F407ZG，由其內部ADC模塊處理后，轉換為數字信號，完成回光信號的實時采集和報警保護處理，實現激光器回光過大保護功能。
如圖2所示，本發明的I-U轉換電路包括POA4340兩級運算放大器，即前級運算放大器U4A、后級電壓跟隨器U4B，前級運算放大器U4A的3腳與電容C1的一端、電阻R1的一端、回光探測器PD的N端連接，回光探測器PD的P端接地，電阻R1的另一端與電容C1的另一端連接，然后又與前級運算放大器U4A的1腳連接，前級運算放大器U4A的1腳又通過電阻R2連接到后級電壓跟隨器U4B的5腳，前級運算放大器U4A的8腳接電源5V，2腳和4腳分別接地，后級電壓跟隨器U4B的6腳和7腳連接，并通過電阻R3輸出回光率電壓信號S-H。
本發明選用的InGaAs PIN光電探測器具有高響應速度，高量子效率和低暗電流的高性能光電探測器PD，其吸收譜為1000~1600nm，響應度 R為0.90A/W，即光電探測器PD產生的光電流Ip與入射光功率Pr比，則根據響應度公式可知當前回光功率大小Pr=Ip/R，此處利用PD探測器的反向工作原理。光電探測器PD探測到的激光器回光電流，經I-U轉換電路前級運算放大網絡中電阻R1流入前級運算放大器U4A的3端口，此時的回光電流信號給電容C1充電，使輸出逐漸等于輸入，而不同的激光器回光功率電流大小，電容C1充放電時間不同，因此可得到不同采樣電壓幅值信號V1。采樣電壓幅值信號V1再經后級電壓跟隨器U4B輸出穩定的電壓幅值信號V7，即V7=V1。
如圖3所示，本發明的回光電壓比較電路包括LM2901比較器U5B，比較器U5B的7腳連接由I-U轉換電路的電阻R3輸出的回光率電壓信號S-H，同時連接電容C2的一端、電容C2的一端、電阻R12的一端，電容C2的另一端接地，電阻R12的另一端連接電阻R22的一端，同時又連接比較器U5B的1腳，電阻R22的另一端接電源3.3V，比較器U5B的1腳通過電阻R32輸出比較后信號PD_CMP。
本發明的回光電壓比較電路是比較器LM2901組成的遲滯反饋電壓比較電路，反相端通過電阻R12與輸出端相連，同相輸入端由單片機信號U10DACB控制，即參考電壓VREF。根據電路原理可知，回光輸入電壓信號即V7，若V7<VREF，則輸出Vout為低電平L（0V），即回光功率信號正常，當單片機接收到輸出端低電平，由其內部ADC模塊處理后，轉換為數字信號0，則出光正常，激光器正常進行切割；反之，當V7>VREF，則此時的輸出Vout為高電平H（3.3V），即回光功率信號過大，超過激光器內部器件所能承受的極限范圍。
如圖4所示，本發明的回光報警參考電壓控制電路包括四路8bit TLV5620I數模轉換器U10，其1腳與電容C165的一端連接后接地，電容C165的另一端與數模轉換器U10的2腳和5腳及可調電位器RT3的滑動端連接，可調電位器RT3的一端連接可調并聯穩壓二極管Q11的1腳、電容C200的一端、電阻R245的一端，可調電位器RT3的另一端與電容C200的另一端連接后接地，電阻R245的另一端接電源5V_2，電阻R245的一端又連接可調并聯穩壓二極管Q11的2腳，可調并聯穩壓二極管Q11的3腳接地；數模轉換器U10的3腳、4腳連接后接可調電位器RT4的一端、電容C196的一端；可調并聯穩壓二極管Q16的1腳和2腳、電容C195的一端、電阻R47的一端，電阻R47的另一端接電源5V_2，電容C195的另一端、可調并聯穩壓二極管Q16的3腳、可調電位器RT4的另一端、電容C196的另一端連接后接地；數模轉換器U10的11腳連接回光電壓比較電路中比較器U5B 的6腳。
本發明的回光功率報警參考電壓控制電路將上位機設置的回光比較參考數字量串行輸入轉換器TLV5620I，通過高精度調節器TL431及可調電位器RT4提供2.5倍基準電壓REF，轉換成與對應數字量CODE成正比的模擬電壓輸出，即VO(U10DACB)=REF*(CODE)/256*(1+RNG)，
其中RNG為控制回光功率報警模擬電壓的輸出范圍，是基準電壓的0或1倍；CODE為8bit數據，對應0～255。
本發明的回光電壓信號采樣值（見下表），對不同的切割材料需要針對其性能做不同的工藝調試和應用組合，通過多次的工藝實驗，得到最優的驗證結果。此參考電壓值VREF即經過實際切割得到，所用的光源為1080nm波長，輸出功率為1000W的光纖激光器，根據測試結果，可知報警時回光功率Palarm與正常回光功率之間的關系，即Palarm=(Vref1/VS-H)*P，Vref1為回光報警閾值電壓。若PD探測回光功率P轉換的輸入電壓值VS-H設為0.8V，則得到的Vref1再乘以報警承受因子0.8即為所得報警電壓值1.5V，因此，本發明比較器由主控芯片下發的回光功率報警參考電壓VREF最終優化值為1.5V。
如圖5、6所示，激光器回光控制保護處理電路包括STM32F407ZG主控芯片U20、進行程序下載的Header5X2端口JTAG，主控芯片U20的16腳、17腳、30腳、31腳、38腳、39腳、51腳、52腳、61腳、62腳、72腳、83腳、84腳、94腳、95腳、130腳、131腳、144腳接VDD3.3V，主控芯片U20的25腳連接電阻R452的一端、電容C418的一端，電阻R452的另一端接VDD3.3V，電容C418的另一端接地，主控芯片U20的143腳連接電阻R422的一端、電阻R421的一端，電阻R422的另一端接VDD3.3V，電阻R421的另一端接地，主控芯片U20的138腳通過電阻R395接地；端口JTAG的1腳、2腳連接后接VDD3.3V，3腳接主控芯片U20的109腳，4腳接主控芯片U20的105腳，5腳接主控芯片U20的133腳，6腳接主控芯片U20的110腳，7腳接主控芯片U20的134腳，9腳接主控芯片U20的25腳，8腳、10腳連接后接地；晶振Y1的1腳連接主控芯片U20的24腳，同時又連接電容C331的一端，2腳連接主控芯片U20的23腳，同時又連接電容C332的一端，電容C331的另一端、電容C332的另一端連接后接地；主控芯片U20的55腳連接回光功率報警參考電壓控制電路中數模轉換器U10的8腳，54腳連接回光功率報警參考電壓控制電路中數模轉換器U10的6腳，53腳連接回光功率報警參考電壓控制電路中數模轉換器U10的7腳。
本發明的主控芯片STM32F407ZG及其外圍控制電路，使用JTAG端口進行程序下載，JTMS、JTCK、JTDO、JTDI分別是JTAG模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出接口線，與PC端對應仿真器接口相連，只要用JTAG指令將數據、地址及控制信號配置到串行移位寄存器BSC激活，就能通過邊界掃描接口線將對應的引腳信息下載給主控芯片的Flash，實現對Flash的操作。外部使用25MHz晶振，設計時應該盡量保持走線最短，避免電磁干擾及寄生電容，同時晶振并聯兩個22pf電容接地，提高信號強度、減少信號噪聲，提供穩定的時鐘振蕩電路。
如圖7所示，本發明的時序控制程序執行以下操作：
一、設置回光報警參考電壓VREF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；
二、配置B路DAC輸入DATA=（01010011010）B；
三、采樣回光信號V7；
四、判斷采樣回光信號V7是否大于回光報警參考電壓VREF；
五、判斷采樣回光信號V7若大于回光報警參考電壓VREF，則控制芯片內部AD轉換為數字信號，PD＿CMP=0X0001，控制信號turn off置1，關閉出光信號，停止激光器切割；
六、判斷采樣回光信號V7若未大于回光報警參考電壓VREF，則控制芯片內部AD轉換為數字信號，PD＿CMP=0X0000，程序返回步驟三繼續操作。
本發明的主控芯片STM32F407ZG配置好回光功率比較信號(01010011010)B，串行輸入給DAC數模轉換電路TLV5620I，其中二進制信號01010011010的高兩位是四路DAC的B通道選通位，第三位是DAC輸出范圍控制位RNG，即提供1倍基準電壓轉換輸入信號；后8位為數據位，對應輸出的回光功率參考電壓模擬量VREF為1.5V。將采樣保持后回光電流轉換為電壓信號V7，經回光電壓比較電路與VREF進行比較后得到所需報警信號，輸出給主控芯片STM32F407ZG內部ADC模塊處理，啟動其內部AD轉換。若主控芯片STM32F407ZG接收到輸出端PD_CMP為低電平，轉換為數字信號0X0000，則激光器正常切割；若接收到輸出端PD_CMP為高電平，轉換為數字信號0X0001，則下發一個控制信號turn off，關閉出光信號，停止激光器切割，完成回光信號的實時采集和報警保護處理，實現激光器回光過大保護功能。
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