一种脉冲激光功率采集和控制系统的设计
脉冲激光回波信号采集技术

1 0
1 0 0 o l 0 o o 0
系统持续采集时间 S
1 6 3 . 9
1 . 6 4 0. 1 6 4
预触发技术是利用 回波信号作为采集系统 的外触发信号启 动采 集 系统的工作 。首先设 置触 发条件和采集数据长度 , 包括预触 发电平 、 触 发前/ 后沿 、 预触发采集 的数 据个数 以及触发后 采集的数据个数 。当 回 波信号 电平不满足 触发条件 时 , 采集卡将 采集数据 以循 环存储 的方 式 暂存在存储器 中, 循环存储器 的长度等于设置 的预触发数据长度 ; 当满 足预置电平的回波信号到达触发电路时 , 采集的数据从循环存储器开始依 次缓 存 , 直 到采 集 的数 据 长度 等 于设 置 的数据 总 长度 ( 见 图1 ( b ) ) 。 预触发采集 方式对 于较高信噪 比的脉 冲激光 回波 , 可 以最大 限度地 减 少采集存储 的数据量 , 且无需 目标距离 的先验知识 , 因此 尤其适 合高速 运动和机动 目标 回波 的采集 。但 是 , 由于预 触发是利用 回波信号作 为 触发源 , 当 回波信 号信 噪 比较低 时 , 会带来较 大的虚警率 , 同时会 降低 探测概率。 将距离波 门技术 和预触 发技 术结合 , 可 以降低虚惊率 , 但 是不会 增 加探测概率 , 通 常当 回波信噪 比小 于 6 d B 时, 基于距离波 门的回波信号 采集是保证探测概率 、 降低虚警率的唯一方式 。
C o m p u s c o p e B A S E 一 8 是一 款具 有多 种触 发 方式 的高 速数 据 采集 卡, 具有 5 0 0 M S / s 的最 大采样率 , A D C 分 辨率 8 b i t , 板上 内存 8 M B , 采用 P C I 总线接 口, 提供 C / C # 、 MAT L AB和 L a b V I EW软件开发工具箱 。系统 以最大采样率 5 0 0 M S / s 采集数 据时 , 8 M B 板上存储器可连续采集 1 6 m s , 实际应 用中需要采集系统持续采集 的时 间通常远 大于 1 6 m s 。表 1 给出 了不同激光器重频条件下采用距离波 门技术和预触发技术 的系统持续 采集时间。可见 , 采用距离波 门或预触发模式时 , 系统连续采集 时间主 要 取决于激光 器的重频 和板上存储器大 小 , 当采集 卡的板上存储器存 满后 , 需要 通过软件将采集数据 经P C I 总线送至计算机 内存 。 为了实现对 回波信 号的持续采集 和存储 , 在 软件开发 中, 将8 M B 存 储 空间分成等容量的两个独立空间 , 当其 中一个空 间存满数据后 , 启动 数据传输程 序将采 集数据通 过 P C I 总线送 计算机 内存 , 由于采集卡在 工作模 式设置后处于 自 主运行状态 , 因此在数据传输 的同时 , 数据采集
一种微弱激光脉冲功率计的设计分析

中国电子科技 集 团公 司 第二 十七研 究所 , 州 40 1 郑 50 5
摘
要: 介绍了在一定条件下 , 利用激光能量与放大器输出的激光波形 宽度之间的一一对应关系来实现微
弱脉冲激光功率 的测量方法 , 了脉宽测量法的测量 原理及对系统进行标定 的方 法; 描述 分析了对数据进行
3 脉 宽测 量 法
2 传统测量 与国内现状
本文中, 在一 定测 量条 件下 , 对微 弱 激光 脉 冲 传统使 用 能量计 来测 量激 光脉 冲的能 量或 平 均功率 , 宽 带 示 波 器 来 显 示 和 记 录脉 冲 波 形 。 用 对 于重频 的情 况还 需 频 率 计 来测 量 脉 冲重 复 率 。
LU Mi I a o—p i D A i Z A G P HU J jn E u jn e, U N L, H N o, i u ,R N H a— u n—
f h t s a c n t ue o i a El cr n c e h o o y Gr u e27 h Re e r h I si t f T t n e to is T c n lg o p
Ke r s: le pe k —v l e p we fls r Pu s —wi t a u e n ;n e p lt n y wo d Pus a au o ro a e ; le d me s r me t I t r oa i h o
电压 成正 比 的原 理 , 过 激 光 脉 冲峰 值 电压 的测 通
1 概 述
随着 现代 光 电子技 术 的飞 速 发展 , 由于 激 光 具有方 向性 好 、 能量高 , 干性 好及 脉 冲宽度 窄等 相
激光脉冲能量测试装置的设计及实验研究

1 测试 装 置 及 原 理
实 验 时采 用 圆 柱 形 吸 收 装 置 , 结 构 见 图 1 其 。在
圆柱形 腔体外缠绕 K型热电偶丝 ( 可测 0 1 0  ̄ ~ 0 3 C的 介质温 度 ) 同时 在腔 体 内椎 体构 件 缠绕 加 热 电阻 。 ,
外 部 隔热 材 料 采 用 石 棉 , 收 装 置 材 料 4 吸 5钢 顶 部 加 装 石 墨 锥 体 。测 试 装 置 电路 包 含 两 部 分 , 部 分 为 等 一
能 量 的 测 试 显 得 尤 为 重 要 。 设 计 了 一 种 激 光 脉 冲 能 量 的 测 试 装 置 , 用 该 装 置 对 KJ 1 A G一 利 G一 Y
40 A 激 光 焊 机 脉 冲 能 量 进 行 测 量 ; 通 过 建 立 数 学 模 型 从 理 论 上 分 析 了 测 量 过 程 中 的 热 损 失 , 0 并 得 出 了 测 试 装 置 吸 收 激 光 能 量 后 热 电 偶 电 阻 随 时 间 变 化 的 曲 线 , 过 计 算 修 正 后 , 到 单 脉 冲 激 光 能 经 得 量 与 脉 冲 电 流 、 宽 之 间 的 相 互 关 系 。 通 过 实 验 得 出 , 种 测 试 装 置 及 方 法 对 于 脉 冲 激 光 能 量 测 试 脉 该 是 可 行 的 , 时 降 低 了 测 试 难 度 , 约 了测 试 成 本 。 同 节
度 ] 。但是 , 现有 的测试 装置 为 了保 证测试 精度 , 吸 收装 置 以及测温 元件 大量 采用钯 、 铑等稀 有金 属 , 测 试成 本居 高不下 。同时 由于测试装 置结 构上 固有 的
局 限性 , 得 测 量 装 置 热 损 失 计 算 过 程 非 常 复 杂 。 使 笔 者 根据 电加 热 与脉 冲激 光 加热 等 效原 理 , 针 对 KG1 J 一YAG 4 0 激 光 焊 机 , 计 了 一 种 激 光 脉 一0 A 设 冲 能 量 测 试 装 置 ( 图 1 示 ) 简 化 了 热 损 失 计 算 如 所 ,
光纤激光器的控制系统

光纤激光器的控制系统随着激光器在切割、焊接、表面处理等广泛应用。
文中设计了应用于激光打标的功率控制系统,采用数字电位器方式使激光器的性能得到大幅提高,硬件电路设计结构简单、系统响应速度快,不需要额外器件,成本低廉、功能齐全、实用性强。
1、系统总体设计1.1、控制系统设计控制系统主要由单片机MC9S12XDP512、开关电源PC0-6131、数字电位器DS1867、数字温度传感器DS18B20、LCD1602显示器、键盘和报警装置等组成。
系统进行读写操作时,光纤激光器输出功率由单片机进行控制调节,提供所需要的激光功率,功率设定时,由单片机MC9S12XDP512对数字电位器DS1867输出电阻进行控制,以改变开关电源控制端的输入电压,使开关电源的输出电流改变,得到光纤激光器输出功率所需要的驱动电流,从而实现激光输出功率的变化。
同时利用数字温度传感器对光纤激光器工作环境温度进行采集,利用单片机实现对温度数据的处理,当温度超出规定的40℃时,单片机会控制发光二级管进行温度报警,并利用LCD显示装置显示信息,用户可实时了解激光器的工作情况。
1.2、控制原理激光器为电流型驱动器件,驱动电流是输出光功率的前提,通过改变激光器电源电流的大小来改变激光器的输出功率。
系统控制激光器的输出功率的基本方法是:由单片机控制数字电位器DS1867的输出电阻,使开关电源控制端的电压改变,从而控制了开关电源的输出电流,改变光纤激光器功率的输出。
数字电位器DS1867的输出电阻由式(1)计算R=D×RWL+RW (1)其中,RW为滑臂电阻,即为内部电位器电子开关电阻,通常RW≤100 Ω,典型值为40 Ω;RWL为数字电位器DS1867内部电子阵列中每个电阻单元的阻值;D为输入的数字量。
根据光纤激光器功率控制的要求,即用户对光纤激光器的输出功率性能的要求,设计出用户要求的10等级功率输出产品,不同的功率等级输出对激光打标的对象有不同的要求。
激光设备电气控制系统介绍讲解课件

通过采集和分析设备运行数据,快速定位故障原因,提高维修效率。
03
02
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03
远程技术支持
通过网络与远程技术支持中心连接,获取专业人员的故障诊断和处理建议。
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故障自诊断
系统具备自诊断功能,能自动检测和识别故障部位,为快速维修提供便利。
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故障处理预案
针对不同故障类型,制定相应的处理预案,缩短故障处理时间。
新型激光材料如稀土掺杂光纤、非线性晶体等具有优异的光学性能,能够实现激光波长的转换和调控。新型激光器件如光子晶体激光器、微纳激光器等具有小型化、集成化的特点,适用于各种便携式和嵌入式应用场景。
总结词
详细描述
06
CHAPTER
激光设备电气控制系统的维护与保养
电源故障
传感器故障
电路故障
软件故障
01
VS
高功率激光技术是未来发展的重要方向,将广泛应用于工业、医疗等领域。
详细描述
随着激光技术的不断突破,高功率激光器的输出功率不断提高,能够满足各种高难度加工和医疗需求。高功率激光技术将推动激光设备在切割、焊接、熔覆等领域的更广泛应用,同时为医疗领域提供更高效、安全的治疗手段。
总结词
新型激光材料与器件的发展将为激光设备带来更高的性能和更广泛的应用领域。
环保
05
CHAPTER
激光设备电气控制系统的未来发展趋势
总结词
随着人工智能和物联网技术的快速发展,激光设备电气控制系统将更加智能化,实现自动化和自主化控制。
详细描述
通过集成AI算法和传感器技术,激光设备能够实时感知自身状态和环境变化,自动调整参数和运行模式,提高生产效率和设备寿命。同时,智能化的控制系统能够减少人工干预,降低操作难度,提升设备使用的便捷性。
课程设计脉冲激光测距仪

外设接口设计
设计必要的外设接口,如按键、显示屏、通信接口等,以便于用户操作和数据显示。
软件编程
编写控制程序,实现测距仪的初始化、参数设置、数据采集、数据处理和结果显示等功能。
微控制器选择
根据测距需求和预算,选择合适的微控制器,如STM32、Arduino等。
04
CHAPTER
脉冲激光测距仪软件设计
脉冲接收
控制与显示系统
发射光学系统
将激光脉冲聚焦并导向目标,包括准直透镜和发射镜等。
光电探测器
将接收到的光信号转换为电信号,通常采用雪崩光电二极管或PIN光电二极管等。
信号处理电路
对电信号进行放大、滤波和数字化处理,以便后续的距离计算和显示。
产生短促、高强度的激光脉冲,通常采用半导体激光器或固体激光器。
实现基本测距功能
要求学生所设计的脉冲激光测距仪应达到一定的性能指标,如测量范围、测量精度、分辨率等。
性能指标要求
要求学生完成实验报告,包括设计原理、制作过程、实验结果分析和结论等,并进行答辩,展示设计成果和实验效果。
完成实验报告和答辩
02
CHAPTER
脉冲激光测距仪基本原理
通过测量激光脉冲从发射到接收的时间差来计算距离。
激光器
接收光学系统
接收反射回来的激光脉冲,并将其聚焦到光电探测器上,包括接收镜和聚焦透镜等。
控制测距仪的工作状态,显示测量结果,通常采用微处理器和液晶显示屏等实现。
03
CHAPTER
脉冲激光测距仪硬件设计
根据测距需求和预算,选择合适的激光器,如固体激光器、半导体激光器等。
激光器选择
设计合适的驱动电路,以提供稳定的电流和电压,确保激光器正常工作。
高能量激光器系统的设计与实现原理

高能量激光器系统的设计与实现原理激光技术作为一种高度聚焦、高能量密度的光束,已经在众多领域得到广泛应用,如材料加工、医学、通信等。
而高能量激光器系统的设计与实现原理则是实现高能量激光输出的关键。
本文将从激光器系统的基本构成、工作原理以及实现原理等方面进行论述。
一、激光器系统的基本构成高能量激光器系统主要由激光器源、泵浦系统、光学系统、冷却系统和控制系统等组成。
1. 激光器源:激光器源是激光器系统中最核心的部分,它能够产生激光光束。
常见的激光器源包括固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。
不同类型的激光器源具有不同的特点和应用领域,如固体激光器适用于高功率激光器系统,而半导体激光器则适用于小型激光器系统。
2. 泵浦系统:泵浦系统是激光器源的能量供给系统,它能够向激光材料提供能量,使其产生激射。
常见的泵浦方式有光泵浦、电泵浦和化学泵浦等。
其中,光泵浦是最常用的泵浦方式,它通过激光二极管或闪光灯等光源对激光材料进行能量输入。
3. 光学系统:光学系统是将激光光束进行整形、调制和聚焦的关键部分。
它由准直镜、透镜、反射镜等光学元件组成,能够对激光光束进行控制和调整,以满足不同应用的需求。
4. 冷却系统:冷却系统主要用于控制激光器源和泵浦系统的温度,以保证其正常工作。
高功率激光器系统通常需要较强的冷却能力,以防止激光器源过热而导致性能下降或损坏。
5. 控制系统:控制系统是整个激光器系统的大脑,它能够对激光器源、泵浦系统和光学系统等进行控制和监测。
通过控制系统,用户可以实现对激光输出功率、脉冲频率和波长等参数的调节和监控。
二、激光器系统的工作原理激光器系统的工作原理可以简单分为三个步骤:泵浦、放大和激射。
1. 泵浦:泵浦是指通过能量输入使激光材料处于激发态的过程。
在泵浦过程中,泵浦光源的能量被传递给激光材料,激发材料中的电子从基态跃迁到激发态,形成一个能级反转。
2. 放大:放大是指利用激发态的能级反转来放大激光光束的过程。
一种大功率超短脉冲激光器的设计

收稿 日期 :2 o 一 l2 o 7 l一8
基金 项 目 : 国 家 自然 科 学 基 金 (0 6 o 1 6 6 6 o )资 助
作者 简 介 :徐 金 龙 (9 7 ) 男 ,汉 族 ,助 教 ,硕 士 ,主 要 从 事 信 息 工 程 、 光 电子 信 息 方 面 的研 究 。 17 一 ,
—■■ 十— —_—卜— 一 十
囝 1 激 光 器 的 结 构 框 图
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求, 于是后来 出现了半导体激光二极管 (D) L 泵浦激光器
( 写 为 D L或 L P S )是 让 L 的输 出作 为 泵 浦 源 。 缩 P D SL , D 为 了获 得 更 大 功 率 的泵 浦 光 源 可 以把 多 个 L D组 成 阵 列 ,等 间距 环 绕在 激 光 工作 物 质 的 周 围进 行 侧 面 泵浦 。
L A侧 面泵 浦 ,为 了获 得脉 宽更 窄的 超短 脉 冲 采 用 了半 导体 可饱 和 吸 收镜 ( E A D S S M)锁 模 技 术 。 关 键 词 :大功 率 ;超短 脉 冲 ;激 光 器 ;设 计 中 图分 类 号 :T 2 2 N 4 文献 标 识 码 :A
引 言
普 通 的激 光 器产 生 的激 光 的 功率 是 很 低 的 , 远 不 远 能满 足我 们 的需 求 , 利用 激 光 本 身 的优 点 那 就 得 提 高 要 它 的功 率 , 以扩 大它 的应 用 领 域 。 高 能量 的超 短 激 光 脉 冲 在 激光 加 工 、 达 、 光测 距 、 光 通 信 、 光 核 聚 变 雷 激 激 激 等方 面 具有 广 泛 的应 用 。目前 获得 超 短 脉 冲 的主要 方 法
既然 传 统 的 方 法 产 生 的超 短 脉 冲 不 能 满 足 目前 科
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一种脉冲激光功率采集和控制系统的设计
0 引言
近几年来光纤激光器在激光打标和激光加工方面取得了迅速的发展,而用于激光打标和加工方面的激光器一般采用峰值功率较高的脉冲光纤激光器。
激光功率是激光器最主要的参量,激光输出功率严重的影响着激光加工的质量。
在激光加工过程中,如何能实时监控激光功率的变化,提高激光功率的稳定性和控制精度,对产品的精密加工有着极其重要的作用。
此类型激光器其功率值在不同的加工设计中其平均功率是变化的,这就给光功率的实时采集和控制带来的麻烦。
本文通过对脉冲光信号的研究,设计出了基于峰值保持电路的小信号处理电路,和基于PID算法的单片机控制系统。
通过硬件电路和软件系统的设计解决了光纤激光器中脉冲激光的采集和光功率稳恒的问题。
系统的硬件电路框图如图1所示,PIN管对激光器中的脉冲光进行采集,把脉冲式的光信号转换成脉冲式的电信号。
采集到的脉冲光信号经放大电路进行放大,本设计采用了两级放大,将小信号放大到能够进行处理的信号。
然后经峰值保持电路采集峰值电压(此峰值电压与光信号的功率成线性关系)。
在经过A/D 转换电路将峰值电压信号转换成数字信号在单片机中进行处理。
在单片机中主要运用了PID算法对功率进行控制,将调节后的值送给LD驱动电路进行功率调节。
最终使功率稳定地输出。
2 系统的硬件电路设计
2.1 光电转换部分
本论文的光电采集部分主要用了PIN光电二极管,PIN管能很好地将光信号转换成电信号。
PIN二极管对低频信号具有整流作用,而对高频信号则具有阻抗作用。
PIN光电二极管具有以下优点:响应速度快;线性好、频带宽、信号失真小;噪声低,器件本身对信号影响小;体积小、寿命长、可靠性高、工作电压低。
其采集到的脉冲峰值电压与光功率成线性关系。
所以可以通过采集峰值电压的信号来对光功率进行采集处理。
2.2 小信号处理电路
小信号处理电路主要包括小信号放大电路和峰值保持电路。
2.2.1 小信号放大部分
本设计采用两级放大电路对微弱电信号进行放大,一般光电探测器输出的电压幅值为几百微伏到几百毫伏的级别,应适当选择放大倍数将信号放大到可处理的幅度。
这里选用Texas Instruments的低功耗、高精度运算放大器opa234。
放大部分的电路原理图如图2所示,经过精密运放opa234的两级放大,把光探测器采集到的微弱电信号放大为伏级别的电压。
2.2.2 峰值保持部分
峰值保持电路用于处理信息与峰值有一定关系的信号,能跟随输入信号变化,并能将最大值记录下来,在工业过程自动检测中往往用此电路将某些物理量,如温度、压力、功率等最大值保留下来进行分析、处理。
如图3,峰值保持电路主要由电压跟随器、半波整流电路、积分电容和复位开关组成,完成了信号峰值的采样和保持。
峰值保持电路的原理图如图3所示。
前级运放构成半波整流信号,后级运放为电压跟随,使电压增益为1。
保持电容主要用于记忆输入信号的大小,控制开关则用于控制采样保持的时间。
当输入电压大于输出电压时,二极管D2导通,积分电容
C1充电至U1输出端,由于二极管D2的单向导电性,在开关断开时,积分电容C1保持峰值电压,直到下次复位信号的到来。
峰值保持电路的硬件测试图如图4所示。
2.3 单片机系统部分
因为在其他工作中需要的单片机管脚要充足,所以本设计选用了单片机的型号为c8051f020。
该单片机是完全集成混合信号系统级MCU芯片,含64kFlash,100管脚封装,一个12bit的和一个8bitADC,一个12bit的DAC。
并且内含看门狗定时器、时钟振荡器,是真正的片上系统。
主要完成输入峰值电压的A /D转换、积分复位、对输入功率进行PID算法的控制,最终实现功率的稳恒输出。
A/D转换部分:峰值保持的模拟电压信号接到单片机8位A/D转换的输入端,在程序控制下实现A /D转换。
复位:每次A/D转换之前通过复位按钮,使积分电容C上的电压放电,准备下一次峰值保持。
为了保证积分电容的电完全放完,复位电平应维持几十μs的时间。
对输入的8位数字信号通过PID参数的设定,应用PID算法对功率进行调节。
3 系统的软件部分设计
3.1 总体系统设计
系统的软件部分主要包括系统的初始化、启动A/D转换、PID算法控制、LCD显示、D/A转换。
主程序流程图如图5所示。
3.2 PID算法程序设计
3.2.1 PID算法原理
PID算法是过程控制系统中应用最广泛的一种控制方法,数字式PID控制就是将模拟PID控制离散化。
数字式PID系统框图如图6所示。
数字式PID控制是一种采样控制,需根据采样时刻的偏差量计算输出控制量,e(k)=s(k)-r(k)。
然后经过对偏差e(k)进行比例、积分、微分,可到控制量。
3.2.2 PID参数特性
P(比例):比例系数加大,系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小,但如果比例系数偏大的话又会导致振荡次数加多,调节时间加长。
I(积分):积分会使系统的稳定性下降,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
D(微分):微分作用可以改善动态特性,微分系数偏大,超调量较大,调节时间较长,微分系数偏小时,超调量也会变大,调节时间变长。
所以只有微分系数合适时才能使超调量较小,减短调节时间。
3.2.3 增量PID控制算法和程序流程
式中u(k)为第k次采样时刻输出,△u(k)为第k次采样时的输出增量,在计算控制中,通过参数整定,参数都可以求出,所以实际控制中只需要求出e(k),e(k-1),e(k-2)三个有限偏差值就可以求出控制增量。
图7为其流程图。
3.2.4 PID参数的确定
PID控制最困难的部分是比例、积分、微分三个参数的设置与调整。
编程时只是设定大概的数值,然后通过PID参数特性进行反复的现场调试,最终找到相对理想的参数值。
通过PID参数特性可以得到不同效果PID参数调节的情况。
表1和表2分别为调节情况表和测试数据表。
3.3 测试数据分析
通过数据分析可得,功率一般保持在0.2W以内。
稳定性满足要求。
最终实现了功率的稳恒输出。
4 小结
本设计对脉冲激光功率的采集及处理做了较为详细的介绍,主要从软件和硬件两个方面给予了说明。
最终实现了脉冲光功率的稳定输出,为脉冲激光器控制系统的设计做了充分的准备,实验结果。