CN108666856A - 功率稳定型固体激光器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率稳定型固体激光器及控制方法，所述的功率稳定型固体激光器包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，本发明在传统的温度控制***的基础上，构建出温度‑电流双闭环控制***，内环是采用PI控制的电流闭环，外环是采用PID控制的温度闭环，以此来提高***的控制精度，最终达到提高固体激光器功率稳定性的目的。

Description

功率稳定型固体激光器及控制方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种功率稳定型固体激光器及控制方法。

背景技术

固体激光器具有波长短、吸收率高、体积小，能采用光纤传输实现柔性加工等优点，使它在激光加工中的应用越来越广泛。国内对于固体激光器的研究主要集中在提高功率方面，而固体激光器功率的稳定性也是限制其推广使用的一大因素，是固体激光器性能的重要指标。固体激光器中的工作物质即光学晶体在工作时容易产生热沉积从而引起自身温度变化，进而导致激光器输出激光的光谱、功率产生漂移，严重影响激光器的功率的稳定性。因此很多国产的固体激光器在稳定性及可靠性方面不能满足工业化应用的需求，这就极大地限制了固体激光器的发展与应用，所以提高固体激光器的稳定性是亟待解决的一个问题。而对其光学晶体的工作温度进行精密控制，使其工作在最佳匹配温度下，对于提高固体激光器的性能和可靠性具有重要意义，也使国产固体激光器能够得到更加广泛的推广应用。

保持固体激光器工作过程中的温度稳定是提高其功率稳定性的重要方法。现阶段，保持温度稳定的有效方法之一是采用温控***，包括风冷、水冷以及制冷剂等。而国内大多采用的水冷温控***，其缺点是一方面精度相对较低，另一方面是存在一定的滞后性，往往不能对温度升高的固体激光器进行及时的降温。因此有必要引入一种能够高效率高精度的实现固体激光器温度稳定的温控***，在激光器工作过程中实时、高效地保持温度稳定。但是由于TEC在工作过程中会产生温差ΔT，从而产生温差电动势，该电动势的存在在实际工作中会影响加载在TEC两端的有效工作电压，从而影响其实际工作电流，导致最终温度控制精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功率稳定型固体激光器，该功率稳定型固体激光器使用半导体制冷模块及循环水冷***结合的方式对光学晶体进行降温，基于嵌入式***完成对光学晶体温度的采集、分析、反馈和控制，使其温度精确稳定在预设温度之内。该装置可以做到实时、精确控温，有效避免传统控温***的滞后性及误差，实时生成光学晶体温度变化曲线，更大程度上提高固体激光器的功率稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种功率稳定型固体激光器，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，

所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器和电流互感器，所述的电流互感器用以采集所述的双极性电流驱动器电流的电流输出，所述的微处理器与所述的双极性电流驱动器可控连接。

在上述技术方案中，所述的导热载座为铜质。

在上述技术方案中，所述的导热载座为腔式或者台面式结构。

在上述技术方案中，所述的温度传感器包括温度传感单元，形成有用以定位所述的温度传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与所述的导热载座螺纹连接。

在上述技术方案中，所述的温度传感器为热电阻传感器，所述的热电阻传感器经信号放大器和A/D模块后连至微处理器，所述的微处理器的输出经D/A模块和电流给定隔离放大器连接至所述的双极性电流驱动器。

在上述技术方案中，所述的微处理器、电流互感器、A/D模块、D/A模块和电流给定隔离放大器集成在同一电路板上。

在上述技术方案中，所述的温度传感器为多个均布或按预定规律分布在光学晶体周围的多个。

在上述技术方案中，所述的微处理器为单片机。

在上述技术方案中，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕或PC机。

在上述技术方案中，所述的半导体制冷片由H桥驱动。

一种所述功率稳定型固体激光器的控制方法，包括以下步骤，

1)打开循环水冷***，控制水温度稳定在≤25℃的范围内；

2)固体激光器开始工作，光学晶体温度逐渐升高；温度传感器接收到温度变化信号并反馈给单片机，

3)在单片机中对温度信号进行分析和处理，当采集到的温度信号高于预设温度信号时，利用PID控制改变PWM的占空比调节驱动电路输出的有效电压，控制TEC工作电流的大小，使其开始制冷；

4)采集实际TEC工作电流值并与预先计算出的预期TEC工作电流进行比较，经PI算法运算后得到一定的控制增量对TEC工作电压进行补偿，从而使TEC工作在预期电流下，实现精准的温度控制。

本发明的优点和有益效果为：

所以本发明在传统的温度控制***的基础上，构建出温度-电流双闭环控制***，内环是采用PI控制的电流闭环，外环是采用PID控制的温度闭环，以此来提高***的控制精度，最终达到提高固体激光器功率稳定性的目的。

基于嵌入式***完成对光学晶体温度的采集、分析、反馈和控制，使其温度精确稳定在预设温度之内。该装置可以做到实时、精确控温，有效避免传统控温***的滞后性及误差，实时生成光学晶体温度变化曲线，更大程度上提高固体激光器的功率稳定性。

附图说明

图1是本发明功率稳定型固体激光器及控制方法的结构示意图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本发明的功率稳定型固体激光器，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座中的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器，如所述的半导体制冷片如H桥驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，其中，所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器，用以采集所述的双极性电流驱动器的输出的电流互感器，所述的控制器与所述的双极性电流驱动器可控连接。

其中，将测量和控制光学晶体温度的温度传感器，如铂电阻传感器和TEC半导体制冷单元安装在导热载座，如铜质导热载座上，该导热载座可为腔式或者台面式结构以承载定位光学晶体，同时利用导热载座良好的温度均衡性，能实现温度采集的准确性，利用半导体制冷单元进行散热进行温度控制，通过构造恒温环境来间接的稳定光学晶体的温度。同时，将导热载座设置在基座上且基座内部通过冷却水进行散热。利用铂电阻测量温度，根据当前温度和设定温度的差异，控制TEC半导体制冷片进行制冷和加热，TEC半导体的环境侧为温度相对稳定的循环水，使其光学晶体工作在设定温度下。结合光学晶体温度变化特征和TEC半导体制冷片工作特性，采用温度-电流双闭环温度控制***对其进行温度控制，保证其工作温度稳定在设定值附近，从而提高激光器的激光输出稳定性。当***采集到固体激光器光学晶体温度升高时，微处理器(MCU)分析采集温度与预设温度存在差值，外环温度闭环采用PID控制，使用PWM驱动TEC驱动电路开始工作制冷；内环电流闭环使用PI控制对TEC两端电压进行补偿，从而达到调节流过TEC电流的目的，最终实现精度更高的温度控制。即采集到的实际温度值与设定温度值在MCU中经PID算法运算后得到一定的控制量，该控制量按照一定比例规律转换为具有相应占空比的PWM驱动信号，控制双极性电流驱动器驱动TEC进行工作。同时使用电流互感器采集当前TEC实际工作电流，该实际工作电流在MCU中与预先计算出的预期TEC工作电流进行比较，经PI算法运算后得到一定的控制增量，该控制增量转换为具有一定占空比的PWM控制信号后对TEC两端的驱动电压进行补偿。其中，若传统半导体温度控制***仅采用PID控制算法对被控对象的温度进行控制，虽然可以将被控温度稳定在一定的精度范围之内，但是该温度控制方式忽略了半导体制冷器工作过程中的非线性工作状态，及随着温度变化其电气特性与工作效率都会发生改变。因此，如果仅对被控对象采用PID控制，虽然可将其温度稳定在一定的精度范围内，但精度较差，无法满足固体激光器中光学晶体对于温度控制精度的要求，因此本发明创新性的采用了温度-电流双闭环控制方法，及外环采用PID控制将温度作为反馈对象进行调节、内环采用PI控制将TEC控制电流作为反馈对象对TEC的工作状态进行线性化处理，从而达到更高精度的温度控制。

其中，进行PWM控制时根据相应载荷的变化来调制MOS管栅极的偏置，以此来实现MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。通过改变PWM波形脉冲的宽度或占空比可以实现调压的目的。这种方式能使TEC的工作电压或TEC控制电压更为准确不考虑其他因素的情况下)随固体激光器晶体温度变化而改变，实现TEC加热或制冷的目的，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

实施例二

其中，所述的温度传感器包括温度传感单元，形成有用以定位所述的温度传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与所述的导热载座螺纹连接。所述的温度传感器为热电阻传感器，所述的热电阻传感器经信号放大器和A/D模块后连至微处理器，所述的微处理器的输出经D/A模块和电流给定隔离放大器连接至所述的双极性电流驱动器。热电阻传感器上的电流随环境温度值线性变化，将采集到的电流信号转换成电压信号，由于采集到的是毫伏级的电压信号，在单片机的控制下先经前级放大器放大，然后通过多路模拟转换开关到达A/D转换器的输入端，再经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，输出到单片机中进行分析处理，通过实时采集温度变化情况，获得一组温度曲线。

进一步地，所述的微处理器、电流互感器、A/D模块、D/A模块和电流给定隔离放大器集成在同一电路板上。将微处理器与采集芯片、A/D转换芯片、驱动电路等集成在一块开发板上，可缩小***体积，实现***小型化，在空间结构上尽可能缩小***体积以满足整体空间布局，如实现嵌入式***，此处嵌入式处理***为硬件电路与软件***的总称。其中硬件电路主要包括微处理器、模拟信号采集电路、A/D转换芯片、H桥驱动电路等。软件***基于嵌入式平台开发，运行于微处理器之中，用于完成微处理器与其他辅助芯片的通信与控制工作。

其中，所述的温度传感器为多个均布或按预定规律分布在光学晶体周围的多个。多点式温度采集并按一定的分布规律在光学晶体的周围安装温度传感器，将所有温度传感器采集到的平均温度近似作为光学晶体温度。

实施例三

作为其中一个具体实现方式，所述的微处理器为单片机，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕或PC机。PC机负责各个单元的配置和管理，处理终端上传的处理结果，并实时的记录温度变化情况。而且控制结果通过串口通讯实时传送到PC端进行记录，直观生成曲线图的形式，可以随时将实验数据以多种格式转换输出，供进一步分析和处理。

实施例四

在使用固体激光器进行工作时，利用本发明装置实时采集、分析、控制固体激光器内部晶体温度变化从而提高其功率稳定性，其应用场所为使用固体激光器的工业场所。具体的实施方法为：

1)打开循环水冷***，水温度稳定在≤25℃的范围内；

2)固体激光器开始工作，光学晶体温度逐渐升高；温度传感器接收到温度变化信号并反馈给单片机，

3)在单片机中对温度信号进行分析和处理，看采集到的光学晶体温度信号和预设温度信号之间是否存在差值信号，根据产生的差值信号来调节TEC的温度是升高亦或是降低，从而控制晶体温度保持稳定；当采集到的温度信号高于预设温度信号时，单片机利用PID控制实现外环温度反馈，产生PWM驱动信号，TEC开始工作制冷给光学晶体进行降温。通过改变PWM的占空比调节驱动电路输出的有效电压，控制TEC工作电流的大小，使其开始制冷；

4)由于TEC驱动电路在工作时会在冷热两端产生温度差，从而在TEC中产生温差电动势，该电动势的值随温度发生变化，所以该反向电动势的存在工作过程中会影响TEC两端的工作电压，从而影响其电流大小，这样就会导致TEC制冷量与预期值产生偏差，影响***的控制精度，所以此时，内环电流反馈开始工作，对控制电压V进行补偿，可有效抑制温度变化对TEC电压的影响。

5)反馈信号对TEC温度的调节使光学晶体的温度无线接近于预设值并保持稳定，实现高精度的温度控制。

6)PC端实时输出温度变化曲线，监控固体激光器温度变化，以提高其功率稳定性，增加工作可靠性。

通过PID实现温度控制，产生的相应控制量转换成PWM后输出到TEC驱动电路中，使其加热或制冷；通过PI实现电流控制，计算出补偿电压ΔV对TEC两端的控制电压V进行补偿，从而控制其电流驱动TEC工作，使晶体温度精准的稳定在设定温度。

综上所述，本发明的有益效果为：

1、使用TEC和循环水冷***复合的形式代替传统的单一风冷、水冷***，能够更加及时的实现对温度的反馈，消除了滞后性。而且TEC体积更小，没有滑动部件及工作噪音，可靠性要求高，便于携带，在一定程度上节省了空间。

2、应用温度-电流双闭环控制***，极大地提高了温度控制的精度，消除干扰误差。

3、基于热电制冷(TEC)的精密温度控制方法,可以快速有效的实现温度的监测及控制,由于TEC自身控温特点,温度反馈及时,迟滞小,满足固体激光器温度控制实时性的要求.

4、终端上嵌入式温度采集、处理模块集成在一起，方便安装和布置。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率稳定型固体激光器，其特征在于，包括其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的固体激光器的光学晶体的导热载座，设置在导热载座上的温度传感器，设置在导热载座和基座间并由双极性电流驱动器驱动的半导体制冷单元，以及控制单元，

所述的控制单元包括与所述的温度传感器通讯连接的微处理器和电流互感器，所述的电流互感器用以采集所述的双极性电流驱动器电流的电流输出，所述的微处理器与所述的双极性电流驱动器可控连接。

2.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的导热载座为铜质。

3.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的导热载座为腔式或者台面式结构。

4.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的温度传感器包括温度传感单元，形成有用以定位所述的温度传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与所述的导热载座螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的温度传感器为热电阻传感器，所述的热电阻传感器经信号放大器和A/D模块后连至微处理器，所述的微处理器的输出经D/A模块和电流给定隔离放大器连接至所述的双极性电流驱动器。

6.根据权利要求5所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的微处理器、电流互感器、A/D模块、D/A模块和电流给定隔离放大器集成在同一电路板上。

7.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的温度传感器为多个均布或按预定规律分布在光学晶体周围的多个。

8.根据权利要求1所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：所述的微处理器为单片机。

9.根据权利要求8所述的一种功率稳定型固体激光器，其特征在于：还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕或PC机，所述的半导体制冷片由H桥驱动。

10.一种如权利要求1-9任一项所述功率稳定型固体激光器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)打开循环水冷***，控制水温度稳定在≤25℃的范围内；

2)固体激光器开始工作，光学晶体温度逐渐升高；温度传感器接收到温度变化信号并反馈给单片机，

3)在单片机中对温度信号进行分析和处理，当采集到的温度信号高于预设温度信号时，利用PID控制改变PWM的占空比调节驱动电路输出的有效电压，控制TEC工作电流的大小，使其开始制冷；

4)采集实际TEC工作电流值并与预先计算出的预期TEC工作电流进行比较，经PI算法运算后得到一定的控制增量对TEC工作电压进行补偿，从而使TEC工作在预期电流下，实现精准的温度控制。