本發(fā)明涉及光纖激光加工技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)是一種高功率光纖激光器回光探測(cè)及其保護(hù)電路。

背景技術(shù)：

隨著光纖激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，大功率光纖激光器已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)金屬加工領(lǐng)域，光纖激光加工成本非常低廉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他切割工藝。激光切割是通過(guò)高能量密度激光束瞬間熔化或汽化材料，同時(shí)利用輔助氣流吹除材料形成切縫的過(guò)程，具有效率高、質(zhì)量好的特點(diǎn)。但是，在現(xiàn)今的工業(yè)市場(chǎng)當(dāng)中，高反射材料銅、鋁、金的加工份額占據(jù)著非常高的比例，對(duì)于這些材料的切割難度一直是激光切割的關(guān)鍵問(wèn)題，制約了激光切割的發(fā)展。如何解決這些難題，仍然是激光切割行業(yè)今后發(fā)展過(guò)程中的必須通過(guò)的關(guān)卡。同時(shí)由于此類材料的高反射率和自身物理特性，對(duì)光纖激光切割機(jī)的激光器重要組成器件損傷比較嚴(yán)重，大大降低了激光器的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種激光器回光探測(cè)及其保護(hù)電路，其抗干擾強(qiáng)，靈敏度高，能有效避免誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象，極大地減小損失，保障產(chǎn)品性能，獲得更多盈利增長(zhǎng)，具有實(shí)用工業(yè)價(jià)值。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種高功率光纖激光器回光探測(cè)及其保護(hù)電路，其特征在于：包括用于將采集到的激光器回光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的回光探測(cè)器PD、用于將回光功率電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓信號(hào)的I-U轉(zhuǎn)換電路、回光電壓比較電路、激光器回光控制保護(hù)處理電路以及時(shí)序控制程序；其中，回光探測(cè)器PD與I-U轉(zhuǎn)換電路連接，I-U轉(zhuǎn)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(hù)處理電路連接，激光器回光控制保護(hù)處理電路連接光纖激光器。

本發(fā)明所述時(shí)序控制程序執(zhí)行以下操作：

一、設(shè)置回光報(bào)警參考電壓V_REF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；

二、配置B路DAC輸入DATA=（01010011010）_B；

三、采樣回光信號(hào)V7；

四、判斷采樣回光信號(hào)V7是否大于回光報(bào)警參考電壓V_REF；

五、判斷采樣回光信號(hào)V7若大于回光報(bào)警參考電壓V_REF，則控制芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PD＿CMP=0X0001，控制信號(hào)turn off置1，關(guān)閉出光信號(hào)，停止激光器切割；

六、判斷采樣回光信號(hào)V7若未大于回光報(bào)警參考電壓V_REF，則控制芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PD＿CMP=0X0000，程序返回步驟三繼續(xù)操作。

本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是：針對(duì)大功率光纖激光器切割超高反射性材料時(shí)，為了避免回光過(guò)大損害激光器泵源、合束器等重要器件的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)探測(cè)回光功率大小，并與可適應(yīng)各種材料切割得到的預(yù)設(shè)值比較后，產(chǎn)生的回光功率報(bào)警與否信號(hào)由單片機(jī)處理，完成智能化控制。本發(fā)明電路設(shè)計(jì)抗干擾強(qiáng)，靈敏度高，極大地減小損失，具有實(shí)用工業(yè)價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電路連接原理框圖；

圖2為圖1中I-U轉(zhuǎn)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(bào)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(hù)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(hù)處理電路原理圖；

圖7為本發(fā)明時(shí)序控制程序流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明的工作原理為：InGaAs PIN光電探測(cè)器PD將不同的激光器回光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器POA4340組成I-U轉(zhuǎn)換電路采樣不同的回光功率電壓，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓幅值信號(hào)，然后輸出給LM2901組成的回光電壓比較電路與預(yù)設(shè)保護(hù)電壓比較，最后將比較信號(hào)上傳主控芯片STM32F407ZG，由其內(nèi)部ADC模塊處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，完成回光信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和報(bào)警保護(hù)處理，實(shí)現(xiàn)激光器回光過(guò)大保護(hù)功能。

如圖2所示，本發(fā)明的I-U轉(zhuǎn)換電路包括POA4340兩級(jí)運(yùn)算放大器，即前級(jí)運(yùn)算放大器U4A、后級(jí)電壓跟隨器U4B，前級(jí)運(yùn)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(cè)器PD的N端連接，回光探測(cè)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(jí)運(yùn)算放大器U4A的1腳連接，前級(jí)運(yùn)算放大器U4A的1腳又通過(guò)電阻R2連接到后級(jí)電壓跟隨器U4B的5腳，前級(jí)運(yùn)算放大器U4A的8腳接電源5V，2腳和4腳分別接地，后級(jí)電壓跟隨器U4B的6腳和7腳連接，并通過(guò)電阻R3輸出回光率電壓信號(hào)S-H。

本發(fā)明選用的InGaAs PIN光電探測(cè)器具有高響應(yīng)速度，高量子效率和低暗電流的高性能光電探測(cè)器PD，其吸收譜為1000~1600nm，響應(yīng)度 R為0.90A/W，即光電探測(cè)器PD產(chǎn)生的光電流I_p與入射光功率P_r比，則根據(jù)響應(yīng)度公式可知當(dāng)前回光功率大小P_r=I_p/R，此處利用PD探測(cè)器的反向工作原理。光電探測(cè)器PD探測(cè)到的激光器回光電流，經(jīng)I-U轉(zhuǎn)換電路前級(jí)運(yùn)算放大網(wǎng)絡(luò)中電阻R1流入前級(jí)運(yùn)算放大器U4A的3端口，此時(shí)的回光電流信號(hào)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(shí)間不同，因此可得到不同采樣電壓幅值信號(hào)V1。采樣電壓幅值信號(hào)V1再經(jīng)后級(jí)電壓跟隨器U4B輸出穩(wěn)定的電壓幅值信號(hào)V7，即V7=V1。

如圖3所示，本發(fā)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(zhuǎn)換電路的電阻R3輸出的回光率電壓信號(hào)S-H，同時(shí)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(shí)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(guò)電阻R32輸出比較后信號(hào)PD_CMP。

本發(fā)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(guò)電阻R12與輸出端相連，同相輸入端由單片機(jī)信號(hào)U10DACB控制，即參考電壓V_REF。根據(jù)電路原理可知，回光輸入電壓信號(hào)即V7，若V7<V_REF，則輸出V_out為低電平L（0V），即回光功率信號(hào)正常，當(dāng)單片機(jī)接收到輸出端低電平，由其內(nèi)部ADC模塊處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)0，則出光正常，激光器正常進(jìn)行切割；反之，當(dāng)V7>V_REF，則此時(shí)的輸出V_out為高電平H（3.3V），即回光功率信號(hào)過(guò)大，超過(guò)激光器內(nèi)部器件所能承受的極限范圍。

如圖4所示，本發(fā)明的回光報(bào)警參考電壓控制電路包括四路8bit TLV5620I數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器U10的2腳和5腳及可調(diào)電位器RT3的滑動(dòng)端連接，可調(diào)電位器RT3的一端連接可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓二極管Q11的1腳、電容C200的一端、電阻R245的一端，可調(diào)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(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓二極管Q11的2腳，可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓二極管Q11的3腳接地；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10的3腳、4腳連接后接可調(diào)電位器RT4的一端、電容C196的一端；可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)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(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓二極管Q16的3腳、可調(diào)電位器RT4的另一端、電容C196的另一端連接后接地；數(shù)模轉(zhuǎn)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(fā)明的回光功率報(bào)警參考電壓控制電路將上位機(jī)設(shè)置的回光比較參考數(shù)字量串行輸入轉(zhuǎn)換器TLV5620I，通過(guò)高精度調(diào)節(jié)器TL431及可調(diào)電位器RT4提供2.5倍基準(zhǔn)電壓REF，轉(zhuǎn)換成與對(duì)應(yīng)數(shù)字量CODE成正比的模擬電壓輸出，即V_O(U10DACB)=REF*(CODE)/256*(1+RNG)，

其中RNG為控制回光功率報(bào)警模擬電壓的輸出范圍，是基準(zhǔn)電壓的0或1倍；CODE為8bit數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)0～255。

本發(fā)明的回光電壓信號(hào)采樣值（見(jiàn)下表），對(duì)不同的切割材料需要針對(duì)其性能做不同的工藝調(diào)試和應(yīng)用組合，通過(guò)多次的工藝實(shí)驗(yàn)，得到最優(yōu)的驗(yàn)證結(jié)果。此參考電壓值V_REF即經(jīng)過(guò)實(shí)際切割得到，所用的光源為1080nm波長(zhǎng)，輸出功率為1000W的光纖激光器，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可知報(bào)警時(shí)回光功率P_alarm與正?；毓夤β手g的關(guān)系，即P_alarm=(V_ref1/V_S-H)*P，V_ref1為回光報(bào)警閾值電壓。若PD探測(cè)回光功率P轉(zhuǎn)換的輸入電壓值V_S-H設(shè)為0.8V，則得到的V_ref1再乘以報(bào)警承受因子0.8即為所得報(bào)警電壓值1.5V，因此，本發(fā)明比較器由主控芯片下發(fā)的回光功率報(bào)警參考電壓V_REF最終優(yōu)化值為1.5V。

如圖5、6所示，激光器回光控制保護(hù)處理電路包括STM32F407ZG主控芯片U20、進(jìn)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(guò)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(shí)又連接電容C331的一端，2腳連接主控芯片U20的23腳，同時(shí)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(bào)警參考電壓控制電路中數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10的8腳，54腳連接回光功率報(bào)警參考電壓控制電路中數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10的6腳，53腳連接回光功率報(bào)警參考電壓控制電路中數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10的7腳。

本發(fā)明的主控芯片STM32F407ZG及其外圍控制電路，使用JTAG端口進(jìn)行程序下載，JTMS、JTCK、JTDO、JTDI分別是JTAG模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出接口線，與PC端對(duì)應(yīng)仿真器接口相連，只要用JTAG指令將數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)配置到串行移位寄存器BSC激活，就能通過(guò)邊界掃描接口線將對(duì)應(yīng)的引腳信息下載給主控芯片的Flash，實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的操作。外部使用25MHz晶振，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量保持走線最短，避免電磁干擾及寄生電容，同時(shí)晶振并聯(lián)兩個(gè)22pf電容接地，提高信號(hào)強(qiáng)度、減少信號(hào)噪聲，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘振蕩電路。

如圖7所示，本發(fā)明的時(shí)序控制程序執(zhí)行以下操作：

一、設(shè)置回光報(bào)警參考電壓V_REF= REF*（CODE）/256*（1+RNG）；

二、配置B路DAC輸入DATA=（01010011010）_B；

三、采樣回光信號(hào)V7；

四、判斷采樣回光信號(hào)V7是否大于回光報(bào)警參考電壓V_REF；

五、判斷采樣回光信號(hào)V7若大于回光報(bào)警參考電壓V_REF，則控制芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PD＿CMP=0X0001，控制信號(hào)turn off置1，關(guān)閉出光信號(hào)，停止激光器切割；

六、判斷采樣回光信號(hào)V7若未大于回光報(bào)警參考電壓V_REF，則控制芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PD＿CMP=0X0000，程序返回步驟三繼續(xù)操作。

本發(fā)明的主控芯片STM32F407ZG配置好回光功率比較信號(hào)(01010011010)_B，串行輸入給DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路TLV5620I，其中二進(jìn)制信號(hào)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(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)；后8位為數(shù)據(jù)位，對(duì)應(yīng)輸出的回光功率參考電壓模擬量V_REF為1.5V。將采樣保持后回光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)V7，經(jīng)回光電壓比較電路與V_REF進(jìn)行比較后得到所需報(bào)警信號(hào)，輸出給主控芯片STM32F407ZG內(nèi)部ADC模塊處理，啟動(dòng)其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換。若主控芯片STM32F407ZG接收到輸出端PD_CMP為低電平，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)0X0000，則激光器正常切割；若接收到輸出端PD_CMP為高電平，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)0X0001，則下發(fā)一個(gè)控制信號(hào)turn off，關(guān)閉出光信號(hào)，停止激光器切割，完成回光信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和報(bào)警保護(hù)處理，實(shí)現(xiàn)激光器回光過(guò)大保護(hù)功能。