王振 （武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430071）

激光作為工業(yè)加工光源被廣泛應(yīng)用于金屬切割、焊接和標(biāo)刻等領(lǐng)域，在加工過(guò)程中光源的穩(wěn)定性對(duì)加工效果的影響至關(guān)重要，因而激光功率的檢測(cè)必不可少。同時(shí)，為了滿足激光功率的實(shí)時(shí)調(diào)整，檢測(cè)精度和檢測(cè)響應(yīng)速度則是衡量激光功率探測(cè)器的重要指標(biāo)之一［1，2］。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所使用激光功率探測(cè)儀均主要是檢測(cè)連續(xù)輸出功率，其檢測(cè)精度較高、成本貴，但是響應(yīng)速度慢，不能作為實(shí)時(shí)穩(wěn)定激光輸出的反饋檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行使用［3－4］。為了解決上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于光電二極管S－PD850和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的激光功率探測(cè)器，其利用光電探頭的高響應(yīng)度和DSP處理的高速性實(shí)現(xiàn)激光功率的實(shí)時(shí)采樣與校正。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究中使用的激光器波長(zhǎng)1064nm，平均功率最大2000W，檢測(cè)數(shù)據(jù)為其輸出的平均功率大小，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用光敏二極管作為激光功率檢測(cè)的前置探測(cè)器，其輸出經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制送入AD采樣模塊中進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果送入DSP中計(jì)算校正獲得的功率信號(hào)即可作為數(shù)字信號(hào)反饋，也可作為0～5V的模擬信號(hào)反饋給激光器進(jìn)行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。

光敏二極管的光探頭采用S－PD850，其原因是S－PD850的響應(yīng)速度快（實(shí)測(cè)可達(dá)到10kHz以上），同時(shí)感光光譜包含1064nm。具體光譜響應(yīng)曲線圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要指AD采樣模塊前端，AD采樣模塊前端的主要任務(wù)是濾除暗電流產(chǎn)生的誤差和濾波。AD采樣模塊前端的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是光敏二極管的信號(hào)調(diào)制，其原理圖如圖3所示，其中EC3、EC5使用鉭電容，因而具有較好的濾除電源紋波的效果。采用頻帶較寬的運(yùn)算放大器可減少信號(hào)失真，利用R10和C9構(gòu)成一階濾波電路濾除雜波，同時(shí)將PR2用于設(shè)定補(bǔ)償電流以彌補(bǔ)光電二極管暗電流所產(chǎn)生的誤差。

圖4所示為探測(cè)激光脈動(dòng)輸出下的電壓波形，脈動(dòng)頻率為10kHz，其穩(wěn)定性、響應(yīng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

AD采樣模塊前端使用分辨率為10位的TLV1572，其采樣速率為1.25MSPS，且能與DSP直接連接。AD采樣模塊前端實(shí)物圖如圖5所示。

圖2 S－PD850光譜響應(yīng)曲線圖

圖3 光敏二極管前端設(shè)計(jì)原理圖

圖4 探測(cè)激光脈動(dòng)輸出下的電壓波形圖

圖5 AD采樣模塊前端實(shí)物圖

3 補(bǔ)償軟件設(shè)計(jì)

AD采樣模塊后端的主要任務(wù)是進(jìn)行AD采樣數(shù)據(jù)讀取和校正。因?yàn)榧す饨?jīng)過(guò)一路衰減后送入光電二極管，且路徑長(zhǎng)短以及入射光電二極管的角度均會(huì)引入誤差，為此通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)定得到的補(bǔ)償表來(lái)修正誤差。所以為了滿足光電二極管的響應(yīng)速度和補(bǔ)償計(jì)算速度，該試驗(yàn)采用DSP處理器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理。采樣補(bǔ)償流程圖如圖6所示。在讀取AD采樣數(shù)據(jù)后首先進(jìn)行中值濾波，然后將濾波值對(duì)照補(bǔ)償表區(qū)間進(jìn)行補(bǔ)償，并最終輸出補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。圖7所示為軟件總流程圖，在起始階段啟動(dòng)采樣周期定時(shí)器進(jìn)行采樣，然后通過(guò)判斷采樣標(biāo)識(shí)，再讀取補(bǔ)償后功率值并進(jìn)行相關(guān)處理輸出。

4 仿真試驗(yàn)

因?yàn)楸粶y(cè)激光器的輸出總功率為2000W，所以不能直接將光敏二極管對(duì)準(zhǔn)激光器的輸出光路，而是需要在檢測(cè)端前放置衰減片和透射率為1%的反射鏡（見(jiàn)圖1），這樣激光器輸出光束經(jīng)過(guò)該反射鏡，會(huì)透射與功率成比例光束，該光束再經(jīng)過(guò)衰減片后使光功率滿足光敏二極管的最大接收功率后才投射在其上進(jìn)行功率探測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)功率與未校正功率和校正功率數(shù)據(jù)對(duì)比表如表1所示。由表1可知，校正功率與標(biāo)準(zhǔn)功率誤差小于±1%，而未校正功率與標(biāo)準(zhǔn)功率誤差在－1%～5%，且該誤差隨激光器的輸出功率變化而變化。

圖6 采樣補(bǔ)償流程圖

圖7 軟件總流程圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)功率與未校正功率和校正功率數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

S－PD850具有較高檢測(cè)精度和響應(yīng)速度，可以快速準(zhǔn)確測(cè)量激光輸出功率。通過(guò)給出的前端硬件檢測(cè)電路和軟件處理流程，可補(bǔ)償因探測(cè)點(diǎn)位置變動(dòng)和光路衰減單元的變化引起的測(cè)量誤差。仿真試驗(yàn)時(shí)采用高速DSP處理器運(yùn)算補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)校正后的檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)值之間誤差小于±1%，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方法具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］張興奎 .激光功率檢測(cè)技術(shù)研究 ［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

［2］祝敏，陸耀東，滿春陽(yáng)，等 .大功率高速半導(dǎo)體激光峰值功率測(cè)試技術(shù)研究 ［J］.光電子·激光，2006，17（11）：1343～1345.

［3］王振 .激光脈沖峰值功率實(shí)時(shí)檢測(cè)的研究 ［J］.應(yīng)用激光，2011，31（5）：409～413.

［4］嵇曉強(qiáng)，戴明，張秋鄂 .基于AD7705的在線激光功率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（6）：165～167.