一種脈衝雷射功率採集和控制系統的設計

摘要：文章根據脈衝雷射功率的特點，通過系統硬體和軟體的設計，實現了對脈衝雷射功率的採集和控制。具體為以峰值保持電路為主的小信號採集電路的設計實現了脈衝光功率的採集，以PID為主的軟體設計又完成了光功率的穩恆輸出。此系統的設計能成功地用在雷射打標機功率控制系統中。
關鍵詞：脈衝雷射；光功率；比例積分微分算法

0 引言
近幾年來光纖雷射器在雷射打標和雷射加工方面取得了迅速的發展，而用於雷射打標和加工方面的雷射器一般採用峰值功率較高的脈衝光纖雷射器。雷射功率是雷射器最主要的參量，雷射輸出功率嚴重的影響著雷射加工的質量。在雷射加工過程中，如何能實時監控雷射功率的變化，提高雷射功率的穩定性和控制精度，對產品的精密加工有著極其重要的作用。此類型雷射器其功率值在不同的加工設計中其平均功率是變化的，這就給光功率的實時採集和控制帶來的麻煩。本文通過對脈衝光信號的研究，設計出了基於峰值保持電路的小信號處理電路，和基於PID算法的單片機控制系統。通過硬體電路和軟體系統的設計解決了光纖雷射器中脈衝雷射的採集和光功率穩恆的問題。

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系統的硬體電路框圖如圖1所示，PIN管對雷射器中的脈衝光進行採集，把脈衝式的光信號轉換成脈衝式的電信號。採集到的脈衝光信號經放大電路進行放大，本設計採用了兩級放大，將小信號放大到能夠進行處理的信號。然後經峰值保持電路採集峰值電壓(此峰值電壓與光信號的功率成線性關係)。在經過A／D轉換電路將峰值電壓信號轉換成數位訊號在單片機中進行處理。在單片機中主要運用了PID算法對功率進行控制，將調節後的值送給LD驅動電路進行功率調節。最終使功率穩定地輸出。

2 系統的硬體電路設計
2．1 光電轉換部分
本論文的光電採集部分主要用了PIN光電二極體，PIN管能很好地將光信號轉換成電信號。PIN二極體對低頻信號具有整流作用，而對高頻信號則具有阻抗作用。PIN光電二極體具有以下優點：響應速度快；線性好、頻帶寬、信號失真小；噪聲低，器件本身對信號影響小；體積小、壽命長、可靠性高、工作電壓低。其採集到的脈衝峰值電壓與光功率成線性關係。所以可以通過採集峰值電壓的信號來對光功率進行採集處理。
2．2 小信號處理電路
小信號處理電路主要包括小信號放大電路和峰值保持電路。
2．2．1 小信號放大部分
本設計採用兩級放大電路對微弱電信號進行放大，一般光電探測器輸出的電壓幅值為幾百微伏到幾百毫伏的級別，應適當選擇放大倍數將信號放大到可處理的幅度。這裡選用Texas Instruments的低功耗、高精度運算放大器opa234。

放大部分的電路原理圖如圖2所示，經過精密運放opa234的兩級放大，把光探測器採集到的微弱電信號放大為伏級別的電壓。
2．2．2 峰值保持部分
峰值保持電路用於處理信息與峰值有一定關係的信號，能跟隨輸入信號變化，並能將最大值記錄下來，在工業過程自動檢測中往往用此電路將某些物理量，如溫度、壓力、功率等最大值保留下來進行分析、處理。
如圖3，峰值保持電路主要由電壓跟隨器、半波整流電路、積分電容和復位開關組成，完成了信號峰值的採樣和保持。峰值保持電路的原理圖如圖3所示。

前級運放構成半波整流信號，後級運放為電壓跟隨，使電壓增益為1。保持電容主要用於記憶輸入信號的大小，控制開關則用於控制採樣保持的時間。當輸入電壓大於輸出電壓時，二極體D2導通，積分電容C1充電至U1輸出端，由於二極體D2的單向導電性，在開關斷開時，積分電容C1保持峰值電壓，直到下次復位信號的到來。