专利名称：大功率激光光束光斑质量诊断仪的系统控制装置的制作方法
技术领域：
一种对大功率激光的光束光斑尺寸、功率密度分布、功率稳定性进行直接测量的智能检测仪器，主要用于激光加工领域，并可广泛用于大功率激光器制造领域、大功率激光光学元件制造领域等对大功率激光光束参数进行定量测试的场合。
对大功率激光的非聚焦光束、聚焦光斑(功率在几百瓦到上万瓦的光束、功率密度高达107W/cm2的聚焦激光光斑)进行直接测量的有效方法是采用空心探针法。目前，国内还未有采用此方法的诊断仪产品，国外仅有一家公司有采用此方法的诊断仪产品。但此诊断仪由于其所采用的微控制器需要有复杂的外围芯片，控制系统复杂，且必须采用专用的昂贵的开发系统，诊断仪控制系统的制作成本和开发成本高。
本实用新型的目的是要提供一种能对大功率激光光束光斑的功率密度分布、光斑形状与尺寸等参数进行直接检测，控制系统简单，制作成本和开发成本相对低的诊断仪系统控制装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的
图1为本实用新型大功率激光光束光斑诊断仪系统控制装置的结构框图(图中直线表示一根或多根控制线，带箭头的线表示数据线和数据的流向)，它包括光电转换及予放电路1，可编程放大电路2，A/D转换电路3，触发传感器4，步进电机驱动器5，恒高速转动电机驱动器6，RS232接口及PC机7，控制电路8，所述的控制电路8采用一可分别控制可编程放大电路、A/D转换电路、步进电机、恒高速转动电机及RS232接口的单片机系统，单片机系统由一高速、多外部中断源微控制器、数据锁存器、外部程序存储器和数据存储器构成，其连接为单片机的常规连接，其输出端分别接入可编程放大电路2，A/D转换电路3，步进电机驱动器5，恒高速转动电机驱动器6，RS232接口7，其输入与触发传感器4及RS232接口及PC机7相连；A/D转换电路3的输入端与可编程放大电路2的输出端相连，可编程放大电路2的输入端与光电转换及予放电路1的输出端相连，其信号来自光电转换及予放电路1，A/D转换电路3的输出与控制电路8的数据口相连；所述的可编程放大电路2由数模转换器D/A和两放大器构成，其具体连接为数模转换器D/A的数据口和控制线与控制电路8的数据口和控制线相连；所述的A/D转换电路3采用一适合于光束光斑数据采集速率的模数转换器A/D和触发脉冲成形电路构成，其具体连接为模数转换器A/D的数据口和控制线与控制电路8的数据口和控制线相连，转换触发信号线与触发脉冲成形电路的输出端相连，触发脉冲成形电路的输入端与控制电路8的P1口相连。
本实用新型上述的光电转换及予放电路主要由一热释电探测器D及一高输入阻抗的J型场效应管放大器(JFET)放大器U1构成，它输出被测激光的信号，其中，探测器D采用电压放大，其反馈电阻R1和输入电阻R2、R3之间采用三角形连接，反馈电容C1连接于放大器U1的输入与输出之间，可兼得高输入阻抗和大的闭环增益，反馈电容的适当值可减小输出的噪声；所述的可编程放大电路主要由8位DAC芯片U2、放大器U3及U4构成，其输入与光电转换及予放电路的输出相连，8位DAC芯片U2的变换输出与放大器U3的输入相连，放大器U3的输出与外部模拟信号输入共同输入放大器U4，构成一电压和电路；所述的A/D转换电路主要由一8位高速ADC芯片U6和D触发器U5构成，其输入与可编程放大电路的输出相连，8位高速ADC芯片U6的触发信号与D触发器U5的输出相连，其输出与单片机相连，D触发器U5的输入与单片机的P1口相连，可将可编程放大电路2的输出信号转换，采集，存储。
本技术方案的工作原理是将被测激光不同光束光斑直径、功率的状况为依据，将测量装置控制部分设计成专用的控制程序固化在控制电路8中，被测激光不同光束光斑直径、功率的状况是通过测量装置的予测量获得。可编程放大电路2主要由一数模转换器D/A和两放大器构成被测激光信号的增益放大；A/D转换电路3采用一适合于光束光斑数据采集速率的模数转换器A/D和触发脉冲成形电路构成被测激光信号的数模转换，由控制电路8中的微控制器采集，存储于外部数据存储器，并通过RS232接口传送给PC机；模数转换器A/D的工作脉冲由触发传感器4中的转动触发传感器的信号经控制电路8中的微控制器延时通过触发脉冲成形电路产生，用以控制在设定转动弧线段上测量激光，同时，控制电路8中的微控制器通过检测触发传感器4中的转动触发传感器的信号控制高速转动电机驱动器，使高速转动电机转速恒定；控制电路8中的微控制器通过检测触发传感器4中的平动触发传感器的信号控制步进电机驱动器5，用以控制平动台的零点复位，并通过控制设定步数，用以控制平动台的起始测量位置和每步的步长。这样，在测量时，首先由PC机发出开始测量命令，测量仪在控制电路8的控制下进行予测量，获得被测激光光束光斑直径、功率的参数，用这些参数设定数模转换器D/A的增益、模数转换器A/D的初始和间隔延时、步进电机的起始测量位置和每步的步长。接着，测量仪在控制电路8的控制下按平动台零点复位，平动台移动到起始测量位置，触发传感器4中的转动触发传感器的信号产生并初始延时至测量转动弧线段初始点，经模数转换、采集并存储，模数转换器A/D间隔延时，如此测量转动弧线上的设定采集点数，平动台移动一设定步长，再重复上述测量，依此循环，测量设定的弧线数，平动台回到起点，将测量数据传送给PC机，一次测量完成。通过改变测量的参数，可对不同功率密度分布、光斑形状与尺寸等参数进行直接检测。
此诊断仪采用高速、外部附加中断源的单片CPU，由于单片CPU是高度集成的微控制器，不需要外接并行接口芯片、UART芯片、地址分配器等复杂的外围芯片，控制系统结构简单，制作成本低；且由于单片CPU与80C32兼容，可采用标准的8051指令集，不必采用专用的昂贵的开发系统，只需将原有的51系列开发机在速度、指令集上稍加改动便可用于此单片机系统的开发，系统的开发成本低。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
图1本实用新型整体框图；图2本实用新型光电转换及予放电路原理图；图3本实用新型可编程放大电路原理图；图4本实用新型A/D转换电路原理图；图5本实用新型单片机控制系统原理图。
实施例本实施例选择大功率CO2激光为实施对象。
如图2所示，本实施例光电转换及予放电路1中光电转换器D为一热释电探测器，可在常温下检测波长为10.6μm的CO2激光和波长为1.06μm的YAG激光，探测器随探针一起移动，当探针扫过激光，探测器将光信号转换为电信号，U1为高输入阻抗的JFET放大器，将探测器的电流信号转换为电压信号并放大，输出被测激光的信号，采用此电路在保证测量所需的响应时间和信噪的条件下，输出增益高。
如图3所示，本实施例的可编程放大电路2由序列相连的8位DAC芯片U2、放大器U3及U4构成。其中，8位DAC芯片U2的数据口通过数据总线与单片机控制系统8相连，其片选、写控制端口CS、WR分别与单片机控制系统8中单片机的P1.1、P3.6口相连。其工作原理如下单片机控制系统8根据予测量的参数经处理后给出的数据、控制信号给D/A变换器U2，经U3、U4处理后输出经放大(或缩小)的电压信号，使得在几百瓦到上万瓦内的被测激光功率，其输出信号的幅度得到可控调整，保证测量的精度。
如图4所示，本实施例的A/D转换电路3由序列相连的D触发器U5和8位高速ADC芯片U6构成。8位ADC芯片U6的数据口DB0～DB7通过数据总线与单片机控制系统8中的对应数据口相连，其模拟信号输入端与可编程放大电路2的输出相连，CS端与单片CPU的P1.6口相连，WR与U5的输出2Q(12PIN)相连、RD端接单片CPU的对应端口RD。D触发器U5的输入端2A(9PIN)与单片机控制系统8中的P1.0口相连，输出2Q(12PIN)与8位ADC芯片U6的WR相连。D触发器U5产生A/D转换的触发成形脉冲，高速A/D转换器U6与U5配合，在控制电路8中的单片机系统的控制下，将可编程放大电路2的输出信号转换，采集，存储。
如图5所示，本实施例控制系统8由适于诊断仪的高速、外部附加中断源的8位单片CPU U7及采用常规方式与之相连的地址锁存器U8、内含程序存储器U9、数据存储器U10及常设的晶振电路、复位电路等组成。其中，单片CPU的P0口(P00～P07)分别与地址锁存器的数据口D0～D7、EPROM、RAM的数据口D0～D7通过数据总线相连，地址锁存器的地址口Q0～Q7与EPROM、RAM的低位地址口A0～A7相连，由地址锁存器将单片机的P0口从分时复用的地址/数据总线中分离出来，单片CPU的P2口(P20～P27)分别与EPROM、RAM的高位地址口A8～A14相连，单片CPU的时钟采用内部方式产生，采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路作为外接定时电路，复位电路由RC电路组成。另外，单片CPU的数据口、控制口分别通过数据总线、控制总线与采样电路中8位ADC芯片、DAC芯片的对应端口相连，单片CPU的P1.0口通过一D触发器U5与8位ADC芯片U6的WR相连，控制ADC芯片的变换；P1.1与DAC芯片的CS端口相连；P1.2、P1.3、P1.4分别与步进电机驱动器5和恒高速转动电机驱动器6相连；P1.5、P1.7、P3.2、P3.3分别与触发传感器4中的四个触发传感器相连；P1.5与8位ADC芯片U6的WR相连，控制ADC芯片的状态。其中，U7为适于诊断仪的高速、外部附加中断源的单片CPU，且与80C32兼容，采用标准的8051指令集，只需将原有的51系列开发机稍加改动便可用于此单片机系统的开发，从而降低了开发成本。另外如图所示，本实施例所述的RS232接口及PC机7中，U11为一串行通讯芯片，其一端与单片机系统CPU的RXD、TXD连接，另一端PC机的串行口按常规连接，实现PC机与单片机系统的数据传送及PC机对单片机系统的控制。
本实施例所述的触发传感器4由四个触发传感器组成，分别为用于长、短探针转动的触发传感器，用于平动初始零点、最大移动距离的触发传感器，这四个触发传感器分别与U7中单片机CPU的四个外部附加中断源连接；所述的步进电机驱动器5分别与单片机系统CPU的P0口和定时中断T0连接，并与触发传感器4中用于控制步进电机的平动方向和平动长度；所述的恒高速转动电机驱动器6分别与单片机系统CPU的P0口和定时中断T1连接，根据转动触发传感器的信号，控制高速转动电机驱动器，使其转速恒定。
本实施例大功率激光光束光斑质量诊断仪的系统控制装置，结合单片机内部的控制程序及PC机程序，具体工作过程如下测量开始前，单片机首先上电作初始化准备，进行自检，并将自检结果传送给PC机，当PC机接收到正确的自检参数，系统初始化完成，可进行测量，否则使连接错误指示灯亮，并结束程序，等待接收正确测量参数后再次运行。
确认系统当前正常后，系统处于待测状态，当接系统收到PC机开始测量的命令，开始进行予测量，为下一步确定测量参数提供依据。具体过程为诊断仪以最大测量窗口对待测激光进行测量，并得到初始化参数，将测量的数据传送给PC机，判断其光束/光斑大小和位置，PC机再将数据处理后传送给测量系统，据此确定测量的参数，这些参数包括测量窗口的大小、增益、横向和纵向的平移量、测量次数，控制系统将这些参数转换为可编程放大电路的参数、步进电机初始步数和采集移动步数、转动探针触发传感器的初始延时和采集间隔延时数，并确定所需的子程序。之后进入测量过程，此过程按照平动复位；平动到初始测量点；触发初始延时、测量、采集间隔延时、再测量、再采集间隔延时，如此循环到测量完弧线上的设定点；再平动采集移动步数；再测量完弧线上的设定点；平动复位；并将测量数据传送给PC机，供PC机处理。测量过程中由一个发光二极管显示其状态，在测量完成后发出工作结束信号，自动停机。
经使用表明，本实用新型达到了预期的目的。
权利要求1.一种大功率激光光束光斑诊断仪的系统控制装置，其特征在于它包括有光电转换及予放电路(1)，可编程放大电路(2)，A/D转换电路(3)，触发传感器(4)，步进电机驱动器(5)，恒高速转动电机驱动器(6)，RS232接口及PC机(7)，以及控制电路(8)，所述的控制电路(8)采用一可分别控制可编程放大电路、A/D转换电路、步进电机、恒高速转动电机及RS232接口的单片机系统，单片机系统由一高速、多外部中断源微控制器、数据锁存器、外部程序存储器和数据存储器构成，其连接为单片机的常规连接，其输出端分别接入可编程放大电路(2)、A/D转换电路(3)、步进电机驱动器(5)、恒高速转动电机驱动器(6)及RS232接口(7)，其输入端分别与触发传感器(4)、RS232接口及PC机(7)相连；A/D转换电路(3)的输入端与可编程放大电路(2)的输出端相连，可编程放大电路(2)的输入端与光电转换及予放电路(1)的输出端相连，其信号来自光电转换及予放电路(1)，A/D转换电路(3)的输出与控制电路(8)的数据口相连；所述的可编程放大电路(2)由数模转换器D/A和两放大器构成，其具体连接为数模转换器D/A的数据口和控制线与控制电路(8)的数据口和控制线相连；所述的A/D转换电路(3)采用一适合于光束光斑数据采集速率的模数转换器A/D构成，其具体连接为模数转换器A/D的数据口和控制线与控制电路(8)的数据口和控制线相连，转换触发信号线与触发脉冲成形电路的输出端相连，触发脉冲成形电路的输入端与控制电路(8)的P1口相连。
2.根据权利要求1所述的大功率激光光束光斑诊断仪的系统控制装置，其特征在于所述的光电转换及予放电路(1)主要由一热释电探测器D及一高输入阻抗的J型场效应管放大器U1构成，它输出被测激光的信号，其中，探测器D采用电压放大，其反馈电阻R1和输入电阻R2、R3之间采用三角形连接，反馈电容C1连接于放大器U1的输入与输出之间。
3.根据权利要求1所述的大功率激光光束光斑诊断仪的系统控制装置，其特征在于所述的可编程放大电路(2)主要由8位DAC芯片U2、放大器U3及U4构成，其输入与光电转换及予放电路(1)的输出相连，8位DAC芯片U2的变换输出与放大器U3的输入相连，放大器U3的输出与外部模拟信号输入共同输入放大器U4，构成一电压和电路。
4.根据权利要求1所述的大功率激光光束光斑诊断仪的系统控制装置，其特征在于所述的A/D转换电路(3)主要由一8位高速ADC芯片U6和D触发器U5构成，其输入与可编程放大电路(2)的输出相连，8位高速ADC芯片U6的触发信号与D触发器U5的输出相连，其输出与单片机相连，D触发器U5的输入与单片机的P1口相连，可将可编程放大电路(2)的输出信号转换，采集，存储。
专利摘要一种大功率激光光束光斑质量诊断仪的系统控制装置,包括光电转换及预放电路1,可编程放大电路2,A/D转换电路3,触发传感器4,步进电机驱动器5,恒高速转动电机驱动器6,RS232接口及PC机7,以及控制电路8,控制电路8中采用一高速、外部附加中断源的单片CPU。由于单片CPU是高度集成的微控制器,不需外接并行接口芯片等复杂的外围芯片,且由于其具有良好的兼容性,使得本装置结构简单、开发成本低。
文档编号G02F1/35GK2384243SQ99214778
公开日2000年6月21日 申请日期1999年7月2日 优先权日1999年7月2日
发明者左铁钏, 李强, 雷訇 申请人:北京工业大学