專(zhuān)利名稱(chēng)：二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種二氧化碳激光加工系統(tǒng)光路中的鏡片溫度檢測(cè)裝 置，特別是涉及一種大功率二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào) 警裝置。
技術(shù)背景
激光是二十世紀(jì)自然科學(xué)的重大實(shí)用新型之一。自從1960年世界上第一 臺(tái)激光器誕生以來(lái)，在近五十年里，激光科學(xué)技術(shù)以其獨(dú)有的特性和強(qiáng)大的 生命力在國(guó)防、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、曰常生活等幾乎所有領(lǐng)域得到了 迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
激光器的研制一方面朝著多種類(lèi)激光器方向發(fā)展，例如從最初紅寶石激 光器(Rugby Laser)、氦-氖激光器(He-Ne Laser)發(fā)展到現(xiàn)在的半導(dǎo)體激光器 (Diode Laser) 、 二氧化碳激光器(二氧化碳Laser)、氬離子激光器(Argon Ion Laser)、釹鋁石榴石激光器(Nd: YAG Laser)、染料激光器(Dye Laser)、準(zhǔn) 分子激光器(Tunalbe Laser)等等；另一方面朝著大功率方向發(fā)展，例如二氧 化碳激光器從最初輸出幾十瓦功率的玻璃管、封離管結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的可輸 出幾百瓦以至于幾千瓦功率的橫向、縱向流動(dòng)式結(jié)構(gòu)，而目前正在研究的快 速軸流式結(jié)構(gòu)的二氧化碳激光器輸出功率可達(dá)上萬(wàn)瓦。
隨著大功率二氧化碳激光器的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用，激光光路中鏡片的性
能、工作狀況以及使用壽命的問(wèn)題越來(lái)越顯得突出并急待解決。二氧化碳激光器激光光路中的鏡片按組成材料分主要分為純銅鏡、鉬鏡、硅鏡、銅基鍍
金、銀、鎳、鉻、鉬鏡、鍺(Ge)晶體鏡、硒化鋅(ZnSe)晶體鏡、砷化鎵(GaAs) 晶體鏡等；按應(yīng)用功能分主要分為諧振腔中的后反射鏡、輸出鏡，光路中的 各級(jí)反射鏡、聚焦透鏡、反射聚焦鏡等。所有這些鏡片均需要水冷卻。
影響鏡片工作狀況及使用壽命的主要原因是鏡片的污染。鏡片受到污染 后，表面的透過(guò)率或者反射率明顯降低，而鏡片的吸收率則明顯升高，這將 影響到激光器的輸出功率和穩(wěn)定性。輕者導(dǎo)致激光輸出功率降低，重者導(dǎo)致 鏡片受熱嚴(yán)重變形直至燒毀。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述激光器鏡片因受到污染而導(dǎo)致激光輸出功率和穩(wěn)定性降低 甚至導(dǎo)致鏡片燒毀的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種大功率二氧化碳激光器光路 鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警裝置，該裝置包括激光器后反射鏡組件(1)、 激光器諧振腔(2)、激光器輸出鏡組件(3)、第一級(jí)直角反射鏡組件(5)、 反射聚焦鏡組件(6)、第二級(jí)直角反射鏡組件(7)以及它們之間的電連接， 在所述各鏡片組件的冷卻7]c輸入口和輸出口分別連有一對(duì)熱電偶組件(11 )， 每對(duì)熱電偶組件(11)通過(guò)ADAM-4520才莫塊(l17)及ADAM-"18模塊(l8 ) 連接在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(16 )上。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及有益效果為
1. 本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出激光器光路系統(tǒng)中 所有鏡片的工作狀況，并且可及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行鏡片污染指示及報(bào)警。
2. 本實(shí)用新型由于實(shí)時(shí)檢測(cè)各級(jí)鏡片的工作狀態(tài)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理 受到污染的鏡片，改善鏡片工作狀況從而提高其使用壽命。
3. 本實(shí)用新型通過(guò)檢測(cè)激光光路鏡片輸入、輸出冷卻水溫差來(lái)判斷激光光路鏡片吸收率變化情況，間接檢測(cè)鏡片的污染程度。此裝置的工作原理 清晰、技術(shù)簡(jiǎn)化，非常適合在工程實(shí)踐中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
4. 本實(shí)用新型采用熱電偶進(jìn)行水溫檢測(cè)，靈敏度高、技術(shù)成熟、工作 可靠、性能穩(wěn)定，適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)檢測(cè)。
5. 本實(shí)用新型采用ADAM-4018和ADAM-4520工業(yè)應(yīng)用級(jí)商業(yè)才莫塊進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理，可靠性高、性能穩(wěn)定。
6. 本實(shí)用新型采用串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù) 傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。
7. 本實(shí)用新型采用操作方便、界面友好、性能穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行 數(shù)據(jù)的計(jì)算和視圖報(bào)警提示及聲音報(bào)警提示，方便用戶(hù)操作、便于系統(tǒng)的集 成與控制。


圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1中的笫一級(jí)直角反射鏡組件結(jié)構(gòu)示意圖3為圖1中信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)示意圖4為圖1中熱電偶組件結(jié)構(gòu)示意圖5本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參看圖1-圖5， 二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警裝置， 該裝置包括激光器后反射鏡組件1、激光器諧振腔2、激光器輸出鏡組件3、 第一級(jí)直角反射鏡組件5、反射聚焦鏡組件6、第二級(jí)直角反射鏡組件7以及 它們之間的電連接，在所述各鏡片組件的冷卻水輸入口和輸出口分別連有一 對(duì)熱電偶組件11,每對(duì)熱電偶組件11通過(guò)ADAM-4520 4莫塊17及ADAM-4018模塊18連接在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)16上。
所述各鏡片組件包括激光器后反射鏡組件l、激光器輸出鏡組件3、第一 級(jí)直角反射鏡組件5、第二級(jí)直角反射鏡組件7和反射聚焦鏡組件6。
所述熱電偶組件11的組成結(jié)構(gòu)主要為通過(guò)三通體21和置于其相應(yīng)的兩 端口的冷卻水輸入口快插管接頭20和冷卻水輸出口快插管接頭24與管路連 接，熱電偶19的頂端從三通體21的另一端口伸入水腔中，通過(guò)密封橡膠團(tuán) 22、調(diào)節(jié)螺母23密封固定。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
參看圖5，本實(shí)用新型的大功率二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差 超限報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括激光器后反射鏡組件l、激光器諧振腔2、激光器 輸出鏡組件3、第一級(jí)直角反射鏡組件5、反射聚焦鏡組件6、第二級(jí)直角反 射鏡組件7以及它們之間的電連接。激光束4在激光器諧振腔2中的激光器 后反射鏡組件1和激光器輸出鏡組件3之間經(jīng)過(guò)受激輻射放大后，由激光器 輸出鏡組件3輸出，經(jīng)過(guò)第一級(jí)直角反射鏡組件5、第二級(jí)直角反射鏡組件7 反射后，經(jīng)過(guò)反射聚焦鏡組件6聚焦在加工表面上。激光器后反射鏡組件l、 激光器輸出鏡組件3、第一級(jí)直角反射鏡組件5、第二級(jí)直角反射鏡組件7和 反射聚焦鏡組件6的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)ADAM-4520模塊17及ADAM-4018模塊18 傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)16上。由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)16處理并實(shí)現(xiàn)激光器光路
鏡片溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和溫差超P艮報(bào)警。
參看圖2，以第一級(jí)直角反射鏡組件5為例，其主要結(jié)構(gòu)包括冷卻水輸出 口 9、冷卻7jc輸入口 10、熱電偶組件11、鏡體冷卻水腔12和鏡面14。入射 激光束15照射到鏡面14上之后， 一方面反射形成反射激光束13，另一方面 部分激光能量被鏡面14吸收，加熱冷卻水腔12中的冷卻水。冷卻水由冷卻水輸入口 10流入，經(jīng)過(guò)冷卻水輸入口 10處的熱電偶組件11時(shí)采集到冷卻水 輸入口 IO處的水溫；經(jīng)過(guò)鏡體冷卻水腔12后^L鏡面14吸收的能量加熱，從 冷卻水輸出口 9流出；冷卻水輸出口 9處的熱電偶組件11采集到冷卻7JOiT出 口 9處的水溫。
參看圖3，圖1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8通過(guò)計(jì)算機(jī)溫度檢測(cè)及溫差超P艮報(bào)警模 塊、ADAM-4520模塊17、 ADAM-4018模塊18。熱電偶11采集到的水溫信號(hào)經(jīng) 過(guò)ADAM-4018模塊18進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)ADAM-4520模塊17進(jìn)行 RS-323/RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)串口通信線(xiàn)纜傳入計(jì)算機(jī)16的溫度檢測(cè) 及溫差超限報(bào)警模塊中，數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)16的溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警模塊中 進(jìn)行計(jì)算和處理，將各個(gè)鏡片組件上的水溫信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。
參看圖4，圖2中熱電偶組件11的組成結(jié)構(gòu)主要包括冷卻水輸入口快插 管接頭20、三通體21、熱電偶19、密封橡膠團(tuán)22、調(diào)節(jié)螺母23和冷卻水輸 出口快插管接頭24。冷卻水從冷卻水輸入口快插管接頭20流入，在三通體 21的水腔中沖刷熱電偶19的頂端，再?gòu)睦鋮s水輸出口快插管接頭24流出。 熱電偶19將冷卻水的溫度轉(zhuǎn)變成電勢(shì)信號(hào)傳輸出去。密封橡膠圈22經(jīng)過(guò)調(diào) 節(jié)螺母23預(yù)緊后可以與熱電偶19緊密相連， 一方面可以起到迅速密封作用， 另一方面可以對(duì)熱電偶19頂端在三通體21中的伸入量進(jìn)^f亍^:量調(diào)節(jié)。
圖3中計(jì)算機(jī)16的溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警界面包括溫度采集控制區(qū)、 溫度數(shù)值顯示區(qū)、溫度超限視圖報(bào)警區(qū)和溫度曲線(xiàn)視圖顯示區(qū)。溫度數(shù)據(jù)的 記錄、保存、顯示設(shè)置以及串口的啟動(dòng)、關(guān)閉等控制功能均集中排布在溫度 采集控制區(qū)內(nèi)。溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示、熱電偶的選擇集中排布在溫度數(shù) 值顯示區(qū)內(nèi)。溫度超限視圖報(bào)警區(qū)采用不同顏色的視圖標(biāo)識(shí)溫度狀況。溫度曲線(xiàn)視圖顯示區(qū)可直觀地、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示各個(gè)熱電偶的溫度狀況以及各個(gè) 鏡片組件的溫差狀況。
工作原理
安裝在各光路鏡片組件的輸出和輸入冷卻水上的熱電偶組件11，通過(guò) ADAM-4520模塊17、 ADAM-4018模塊18與計(jì)算機(jī)16電連接；將熱電偶組件 11采集的水溫信號(hào)經(jīng)過(guò)ADAM-4018模塊18進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng) 過(guò)ADAM-4520模塊17進(jìn)行RS-323/RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)串口通信線(xiàn)纜 傳入計(jì)算機(jī)16的溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警模塊中，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的溫差值來(lái) 判斷激光光路鏡片吸收率變化情況，間接檢測(cè)鏡片的污染程度，實(shí)現(xiàn)激光器 光路鏡片溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和溫差超P艮報(bào)警。
實(shí)施例
(1) 溫差區(qū)間的標(biāo)定；
標(biāo)定溫差區(qū)間是為了確定輸入、輸出冷卻水溫差的上限，即溫差超過(guò)多 少值時(shí)報(bào)警。溫差區(qū)間的標(biāo)定與鏡片污染容忍程度、激光輸出功率、冷卻水 流量等因素相關(guān)，需要通過(guò)試驗(yàn)分析來(lái)確定。
(2) 鏡片污染信號(hào)提取，采用熱電偶從鏡片冷卻水的入/出口，采集到 的溫度差變化情況中提取鏡片污染信號(hào)；
由于鏡片受到污染后對(duì)激光的吸收率顯著增加，因而造成鏡片組件溫度 升高，進(jìn)而使輸出的冷卻水溫度升高。設(shè)輸入的冷卻水溫度為T(mén)入，輸出的冷 卻水溫度為T(mén) *，則輸入與輸出的冷卻水溫差A(yù)T-T rT八。設(shè)鏡片吸收激光 的熱量為Q，由于冷卻水的比熱容。=4. 2xl03(J/Kg "C)為恒值，單位時(shí)間 內(nèi)流過(guò)冷卻腔的冷卻水質(zhì)量m(Kg)也為恒值，則根據(jù)物理熱量公式Q-c 'm △ T可知，鏡片吸收激光的熱量與輸入、輸出冷卻水溫差成正比(假設(shè)鏡片吸收激光的熱量全部被冷卻水吸收)。溫差越大，鏡片吸收熱量越多，說(shuō)明鏡片污 染程度越重。根據(jù)這一原理，鏡片污染程度信號(hào)可以采用熱電偶從鏡片冷卻 水的溫度差變化情況中提取。
(3)鏡片污染信號(hào)傳輸，采用串口通信方式進(jìn)行鏡片污染信號(hào)的傳輸； 由于激光器設(shè)備龐大、鏡片數(shù)目較多且分布M,因此采用開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、 傳輸距離較遠(yuǎn)的串口通信方式進(jìn)行鏡片污染信號(hào)的傳輸。其技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn) 是采用臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的ADAM-4018模塊進(jìn)行熱電偶信號(hào)的采集及模/數(shù)轉(zhuǎn) 換，采用ADAM-4520才莫塊進(jìn)行RS-323/RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。每個(gè)模塊可 同時(shí)采集8支熱電偶信號(hào)，每塊鏡片需2支熱電偶，根據(jù)鏡片數(shù)目配備模塊 的數(shù)目。
(4 )鏡片污染信號(hào)檢測(cè)及報(bào)警； 本實(shí)用新型技術(shù)指標(biāo)參考
1. 溫度檢測(cè)區(qū)間O'C-IOOX:。冷卻水溫4氐于(TC的凝固與高于IO(TC的 沸騰均設(shè)置極限水溫報(bào)警。
2. 溫度檢測(cè)頻率范圍0. 1秒/次-60秒/次。根據(jù)要求可以在頻率范圍 內(nèi)任意調(diào)節(jié)。
3. 溫度檢測(cè)精度溫度檢測(cè)精度主要取決于所選取的熱電偶的精度性 能。本實(shí)用新型中采用K型、鎧裝、銅-銅鎳熱電偶，溫度檢測(cè)精度高于土0.5 。C。
4. 連續(xù)工作時(shí)間大于24小時(shí)。溫度數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中采用鏈表的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行記錄。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)節(jié)約內(nèi)存，提高連續(xù)工作時(shí)間；方便管 理、便于搜索，容易實(shí)現(xiàn)各種顯示功能。
權(quán)利要求1、二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警裝置，該裝置包括激光器后反射鏡組件(1)、激光器諧振腔(2)、激光器輸出鏡組件(3)、第一級(jí)直角反射鏡組件(5)、反射聚焦鏡組件(6)、第二級(jí)直角反射鏡組件(7)以及它們之間的電連接，其特征在于在所述各鏡片組件的冷卻水輸入口和輸出口分別連有一對(duì)熱電偶組件(11)，每對(duì)熱電偶組件(11)通過(guò)ADAM-4520模塊(17)及ADAM-4018模塊(18)連接在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(16)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限 報(bào)警裝置，其特征在于所述各鏡片組件包括激光器后反射鏡組件(1)、激 光器輸出鏡組件(3)、第一級(jí)直角反射鏡組件(5)、第二級(jí)直角反射鏡組件(7 )和反射聚焦鏡組件(6 )。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限 報(bào)警裝置，其特征在于所述熱電偶組件(11)的組成結(jié)構(gòu)主要為通過(guò)三通 體(21)和置于其相應(yīng)的兩端口的冷卻水輸入口快插管接頭(20)和冷卻水 輸出口快插管接頭(24)與管路連接，熱電偶(19)的頂端從三通體(n) 的另一端口伸入水腔中，通過(guò)密封橡膠團(tuán)(22)、調(diào)節(jié)螺母(23)密封固定。
專(zhuān)利摘要為解決激光器鏡片受污染導(dǎo)致激光輸出功率和穩(wěn)定性降低或?qū)е络R片燒毀等問(wèn)題，而提供了二氧化碳激光器光路鏡片溫度檢測(cè)及溫差超限報(bào)警裝置，它由激光器上各鏡片組件的冷卻水輸入口和輸出口分別連有的一對(duì)熱電偶組件(11)，及通過(guò)ADAM-4520模塊(17)及ADAM-4018模塊(18)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(16)電連接構(gòu)成。通過(guò)串口通信線(xiàn)纜將采集的溫度信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理，并將各個(gè)鏡片組件上的水溫信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，當(dāng)溫差超限時(shí)聲音報(bào)警。效果能實(shí)時(shí)、迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出激光器光路系統(tǒng)中各鏡片的工作狀況，并可及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行鏡片污染報(bào)警。改善了鏡片工作狀況，提高其使用壽命。性能穩(wěn)定，適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)檢測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。操作方便、界面友好、便于系統(tǒng)的集成與控制。
文檔編號(hào)G02B17/08GK201229312SQ20082001189
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者尚曉峰, 維 王 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院