李 曼，龐 博，金 雁

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

0 引言

傳統(tǒng)的大功率固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高的特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防軍事領(lǐng)域[1]。大功率固體激光器的泵浦源由泵浦燈、晶體和激光腔組成[2]，由于泵浦燈發(fā)射的光譜只有一小部分被晶體棒所吸收并轉(zhuǎn)換成激光能量[3]，大部分注入電功率轉(zhuǎn)換成熱能，聚集在激光腔內(nèi)，大量的熱導(dǎo)致激光晶體產(chǎn)生熱透鏡[4]，使激光光束質(zhì)量變差，影響激光器的性能，過大的熱應(yīng)力導(dǎo)致激光晶體炸裂[5]。發(fā)熱導(dǎo)致晶體產(chǎn)生的熱應(yīng)力、熱透鏡效應(yīng)，統(tǒng)稱為激光晶體的熱效應(yīng)[6]。激光器的峰值功率越高，熱效應(yīng)越嚴(yán)重[7]。因此，如何消除多余廢熱，解決冷卻問題是研制大功率固體激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一[8]。

對于峰值功率較高的大功率固體激光器，通常采用的冷卻方式有：循環(huán)風(fēng)冷散熱、循環(huán)液冷散熱和制冷循環(huán)系統(tǒng)[9]。制冷循環(huán)系統(tǒng)能對冷卻液溫度控制和調(diào)節(jié)，可將有限空間內(nèi)大熱量及時散失掉[10]，其優(yōu)點是噪音小、冷卻效果好，此冷卻方式在大功率固體激光器中得到了廣泛應(yīng)用[11]。本文為制冷循環(huán)系統(tǒng)冷卻液提供一套高效的溫度控制系統(tǒng)。冷卻液采用去離子水和乙二醇的混合液，具有高導(dǎo)熱率、溫度分布均勻、高穩(wěn)定性等特點[12]。冷卻液在壓力的作用下分別流經(jīng)泵浦燈和激光晶體的側(cè)面，可有效消散熱量，提高光束質(zhì)量和激光器性能[13]。

1 工作原理

冷卻系統(tǒng)由2個環(huán)路組成：一是制冷機外部環(huán)路，制冷劑是氟利昂；二是內(nèi)部環(huán)路，制冷劑是水和乙二醇的混合液。內(nèi)部環(huán)路與激光器相連，構(gòu)成水冷系統(tǒng)。外部環(huán)路是整個系統(tǒng)的冷卻設(shè)備，吸收內(nèi)部環(huán)路的熱量，全部熱量均由它帶走。內(nèi)部環(huán)路由熱交換器、水泵、水箱、PT100、水流開關(guān)、液位開關(guān)、電磁閥、泵浦源和溫度控制單元組成。溫度控制單元由溫度采集、控制、溫度顯示、保護電路、鍵盤、水流指示燈和液位指示燈組成，負(fù)責(zé)對泵浦源冷卻。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通過鍵盤設(shè)置激光器工作溫度，水泵將內(nèi)部水箱的水抽出流經(jīng)泵浦源，水溫升高，經(jīng)穩(wěn)定性和線性度較好的鉑電阻PT100和XTR105自帶傳感器激勵源和內(nèi)置線性化電路的變送器把電阻值轉(zhuǎn)換成電流再轉(zhuǎn)換成電壓值，送入溫度控制單元進行數(shù)據(jù)處理，獲得當(dāng)前冷卻液的溫度，通過設(shè)置溫度與實際溫度的比較，控制電磁閥通斷，從而使外部環(huán)路的冷卻液流經(jīng)熱交換器將內(nèi)部環(huán)路的冷卻液的溫度帶走，如此循環(huán)不斷地帶走激光器產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)溫度控制。同時溫度控系統(tǒng)將采集到的溫度通過數(shù)碼管進行實時顯示，通過保護電路對水流、液位的狀態(tài)進行檢測，如果工作正常，輸出相應(yīng)的狀態(tài)信號，如其中有一路故障，則輸出故障信號，對激光器進行保護。

1.1 溫度采集及控制

鉑電阻PT100具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點[14]，故內(nèi)部環(huán)路冷卻液的測溫元件采用鉑電阻PT100。同時鉑電阻溫度特性是非線性的，這一特性會影響測溫精度[15]，因此本設(shè)計中采用XTR105溫度變送器，有效地克服了這一難題。

XTR105是美國BB(BURR-BROWN)公司生產(chǎn)的自帶傳感器激勵源和內(nèi)置線性化電路的變送器芯片，直接與鉑電阻相連構(gòu)成溫度傳感器/變送器電路。溫度采集原理圖如圖2所示。

圖2 溫度采集原理

XTR105用2個匹配的0.8 mA電流源對PT100進行激勵，R3為調(diào)零電阻。通過調(diào)零電阻，可測出PT100和R3之間的電位差。R3值為PT100的下限溫度值。RCM向XTR105提供一個共模電壓，RCM兩端并聯(lián)電容C1，可減小噪聲。電阻RG可根據(jù)設(shè)計的測溫范圍而設(shè)定，它決定著放大器的放大倍數(shù)。整個裝置的電壓、電流傳遞函數(shù)為：

(1)

式中，VLIN-1為pin2和pin13兩端的輸入電壓；RG為pin3和pin4兩端電阻。由式(1)可知，系統(tǒng)可實現(xiàn)4～20 mA的電流變送。

系統(tǒng)實現(xiàn)溫度采集范圍為0～40 ℃，PT100對應(yīng)的阻值為100～115 Ω。鉑電阻PT100的阻值隨溫度變化量經(jīng)XTR105轉(zhuǎn)換成電流的變化量，變化的電流值通過采樣電阻R29將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值，經(jīng)過放大電路對電壓信號進行放大[16]，將放大的電壓信號送入內(nèi)部集成8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換通道的PIC16F877 單片機進行數(shù)據(jù)處理，將電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度值，完成溫度采集?？刂茊卧x用單片機PIC16F877A作為核心部件能夠讓電路設(shè)計更為簡潔，提高電路的安全性和可靠性[17]。

控制單元通過單片機PIC16F877對數(shù)據(jù)處理，將采集的溫度值與設(shè)置溫度進行比較，來控制電磁閥通斷，從而實現(xiàn)對冷卻液溫度的控制。由于單片機的I/O接口的驅(qū)動電流為25 mA[18]，不能直接驅(qū)動電磁閥，光電耦合器在本電路中實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動MOS管Q1，Q1驅(qū)動電磁閥的通斷。同時完成了信號的傳遞，又實現(xiàn)了信號電路與接收電路之間的隔離，割斷了噪聲的傳遞[19]。電磁閥控制原理圖如圖3所示。

圖3 電磁閥控制原理

電磁閥狀態(tài)變化示意圖如圖4所示。當(dāng)采集的溫度高于設(shè)置溫度(T)+2 ℃時，單片機I/O輸出高電平，電磁閥打開，外部環(huán)路水箱冷卻液流入熱交換器；當(dāng)采集的溫度低于設(shè)置溫度(T)時，單片機I/O輸出低電平，電磁閥斷開，外部環(huán)路水箱冷卻液斷開。同時可避免電磁閥的頻繁通斷，有效地保護電磁閥的壽命。

1.2 溫度顯示電路

溫度顯示原理圖如圖5所示。采用單片機的SPI串行接口與LED驅(qū)動器芯片MC14489的SPI串行接口直接連接，MC14489通過SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCK(串行時鐘輸出)管腳與PIC連接，用軟件的方法實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。接收到數(shù)據(jù)后，進行譯碼、掃描輸出和驅(qū)動顯示數(shù)碼管顯示。

MC14489是MOTOROLA公司產(chǎn)的串行接口LED譯碼/驅(qū)動芯片，芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)接收/譯碼/掃描輸出/驅(qū)動顯示所需的全部電路，具有接口簡單，經(jīng)濟實用的特點。不需要外接驅(qū)動三極管就可直接驅(qū)動5位LED數(shù)碼管[20]。在本設(shè)計中驅(qū)動4位，顯示分辨率為0.1 ℃。

圖5 溫度顯示原理

1.3 保護電路

該系統(tǒng)還具備水流、液位監(jiān)測報警功能，可有效保護大功率激光器關(guān)鍵部件，保護電路原理圖如圖6所示。保護電路通過繼電器K1、K2的兩組開關(guān)量，對水流開關(guān)和液位開關(guān)進行檢測[21]。通過SL1、SL2和SL3、SL4與水流開關(guān)和液位開關(guān)連接，當(dāng)水流和液位正常時，繼電器吸合，同時繼電器的2組開關(guān)也吸合，一組開關(guān)量與單片機的I/O連接，當(dāng)單片機檢測到高電平時，工作正常，同時點亮人機界面的水流和液位指示燈；當(dāng)檢測到低電平時，輸出故障，熄滅水流和液位指示燈，輸出報警故障。另外一組開關(guān)量通過K1，K2串聯(lián)連接輸出CD1，CD2，送到激光器的控制單元進行檢測，正常工作時CD1，CD2時為常閉狀態(tài)，水流開關(guān)和液位開關(guān)只要有一個出現(xiàn)故障，輸出狀態(tài)為常開，此時激光器控制單元停止激光發(fā)射，從而對激光器起到保護作用。

圖6 保護電路原理

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序和溫度采集程序組成。

主程序主要完成的功能為數(shù)據(jù)采集與處理，通過開關(guān)信號控制電磁閥的通斷，以及讀取溫度實現(xiàn)溫度顯示。根據(jù)大功率激光器泵浦源的工作特性，泵浦源的最佳工作溫度為20～22 ℃，通過這種控制方式將內(nèi)部環(huán)路冷卻液的溫度控制在20±2 ℃。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程

由鉑電阻PT100測溫后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到的是直流電壓值，將直流電壓送入單片機PIC的A/D轉(zhuǎn)換器，為了提高數(shù)據(jù)采集的精度，本程序循環(huán)采集100個數(shù)據(jù)，取平均值，計算出溫度值，將當(dāng)前溫度與設(shè)置溫度比較后，實現(xiàn)溫度顯示，通過運用此算法，可提高溫度控制精度。溫度采集流程圖如圖8所示。

圖8 溫度采集流程

3 測試結(jié)果分析

3.1 控制精度測試

在0～40 ℃有效測試范圍內(nèi)，將模擬電阻箱接入溫度控制系統(tǒng)，通過電阻箱模擬9個溫度點，得到對應(yīng)溫度值與測試溫度值的測試結(jié)果如表1所示，溫度測試有效誤差小于±1 ℃，滿足控制精度的要求。

表1 測試結(jié)果記錄表

溫度點/(℃)PT100/Ω測試溫度/(℃)絕對誤差/(℃)0100．000．30．35101．954．80．210103．9010．40．415105．8515．30．320107．7920．40．425109．7324．70．330111．6730．50．535113．6135．30．340115．5440．40．4

3.2 光束質(zhì)量測試

該溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用于某大功率激光器項目中，在激光器的調(diào)試過程中，通過選擇不同的溫度點對光束質(zhì)量進行了驗證，實驗結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明溫度控制在19 ℃左右時，該激光器的光束質(zhì)量最佳。

圖9 不同溫度下的光束質(zhì)量

3.3 穩(wěn)定性測試

該溫度控制系統(tǒng)在某大功率激光器應(yīng)用中，激光器工作溫度為19 ℃時，連續(xù)工作5 h記錄溫度值，測試結(jié)果如圖10所示，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

圖10 溫度穩(wěn)定性測試

4 結(jié)束語

本文介紹了一種以PIC為核心的大功率激光器溫度控制系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)溫度控制精度優(yōu)于±1 ℃，有效測試范圍為0～40 ℃；可有效提高激光器可靠性，并改善了光束質(zhì)量；完善的狀態(tài)報警、保護電路在故障輸出時有效地對激光器進行保護。應(yīng)用在某大功率激光器中，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

[1] GAO P D，ZHANG F Q.Design and Implement tation of High Precision Temperature Control System for Semiconductor Lasers[J].Laser Technology，2014，38(2)：270-273.

[2] 呂百達.固體激光器件[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002：26-27.

[3] 喬彥彬，馮士維，馬驍宇，等.GaAs基半導(dǎo)體激光器熱特性[J].紅外與激光程，2011，40(11)：2134-2137．

[4] 李修乾，洪延姬.高能固體激光器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，15(1)：101-105.

[5] BROWN D C，HOFFMAN H J.Thermal，Stress，and Thermo-optic Effects in High Average Power Double-clad Silica Fiber Lasers[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，2001，37(2)：207-217.

[6] 陶毓伽，淮秀蘭，李志剛，等.大功率固體激光器冷卻技術(shù)進展[J].激光雜志，2007，28(2)：11-12.

[7] 李適民，黃維玲.激光器件原理與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版，1998.

[8] ZHANG Y，F(xiàn)ENG S，ZHU H，et al.Two-dimen Sional Transient Simulations of the Self-heating Effects in GaN-based HEMTs[J].Microelectronics Reliability，2013，53(5)：694-700．

[9] 孫文，江澤文，程國祥.固體激光工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002：352-386.

[10] 劉光裕.高功率半導(dǎo)體激光器冷卻系統(tǒng)的改進[J].激光技術(shù)與應(yīng)用，2008，9(2)：20-25.

[11] 周樂平，唐大偉，杜小澤，等，大功率激光武器及其冷卻系統(tǒng)展[J].激光與電子學(xué)進展，2007，44(8)：34-38.

[12] 李瑜煜.MI-108型大功率激光器冷卻系統(tǒng)的改進[J].冶金叢刊，2000(2)：42-43.

[13] 田長青，徐洪波，曹宏章，等.高功率固體激光器冷卻技術(shù)[J].中國激光，2009，36(7)：1686-1692.

[14] 楊中興.PT100傳感器實現(xiàn)多點數(shù)字溫控現(xiàn)場設(shè)備[J].傳感世界，2015，21(10)：36-40.

[15] 丁欣，姚開武，陳君霞.基于PLC和PT100 的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2016，411(1)：37-39.

[16] 陳志文，王瑋.基于Pt100 鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，319(8)：196-199.

[17] 孔令志，梁寧寧，李兆寧.基于單片機PIC 16F877 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2004，19(6)：34-37.

[18] 王穎，黨瑞榮.一種基于PIC16F877 的溫度顯示報警裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計量與測試技術(shù)，2009，36(11)：59-61.

[19] 李萍，張池，張勃.AT89S51單片機原理、開發(fā)與應(yīng)用實例[M].北京：中國電力出版社，2008：163-164.

[20] 徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51 Windows 環(huán)境編程與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：443-447.

[21] 張小兵，楊斌.固態(tài)繼電器在開關(guān)量輸出中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與保護，2000，27(增刊)：70-72.