CN111740302A - 线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法 - Google Patents

线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法，属于工业相机技术领域，该***包括激光发射模块、激光结电压采集模块、MCU、激光结电流控制模块；所述激光结电压采集模块的输入端与激光发射模块相连，输出端与MCU的输入端相连；所述MCU的输出端与激光结电流控制模块的输入端相连，所述激光结电流控制模块的输出端与激光发射模块相连。该***可实时采集激光发生器的结电压，运用公式P＝U*I进行计算，根据计算结果对结电流进行调节，使激光发生器维持恒定的光强输出，***可实现自我补偿，消除温度波动对激光发生器发射光强的影响，提高整了机测量结果的稳定性。

Description

线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法
技术领域
本发明属于工业相机技术领域，具体涉及一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法。
背景技术
线激光相机是以激光束作为光源，从激光发生器中产生的激光束，通过相机的透镜***发生折射后，被传输在胶片上，从而得到待检测物件的图像，可以实现工业检测。激光发生器发出的激光强度对得到精确、稳定的检测结果具有至关重要的作用。因此在实际工业应用中，需要调节激光发生器的发光功率，以满足具体的工业需求。
中国实用新型专利CN208939333U(一种激光器发光功率调节电路)中，采用运算放大器U1A、电流调整管Q1、采样电阻R4、二极管D1和激光器供电电源VLaser等，设计了一种可以调节激光器发光功率的电路，运算放大器U1A的正相输入端连接DAout信号，U1A的输出端连接Q1的栅极，Q1的漏极连接至激光器供电端子接口2，VLaser连接至激光器供电端子接口1，D1连接在VLaser和Q1的漏极之间，D1的正极连接Q1的漏极，D1的负极连接VLaser，Q1的源极通过采样电阻R4接地，Q1的源极与采样电阻R4之间的结点连接至运算放大器的负相输入端。该电路中，控制命令远程发送给摄像机，经过信号转换后得到DAout信号，DAout信号的变化可实时反馈至U1A和Q1中，因此施加在激光器上的电压也发生变化，从而可以对激光器的发光功率进行调节。该专利技术中，可以通过对远程控制信号进行调节，以确保激光器发光功率的稳定，而如何得到DAout信号则需要另一套电路完成，因此该电路不能单独完成对激光器发光功率进行调节的功能。
传统的线激光相机激光发生器工作时输入电压是固定的，在设备长时间工作中，激光发生器的温度会随着整机的温度上升而升高。激光发生器温度上升会导致激光结电压的降低，引起激光强度的衰减，影响整机测量结果的稳定性，因此需要采取一定的措施，确保线激光发生器的发光功率稳定。
中国发明专利申请CN10366812A(一种基于MCU的激光器光功率自适应控制方法)，将MCU控制单元和上位机建立通信，通过上位机设置自适应控制的方式为激光器偏置电流调节或激光器光功率调节，当采用激光器光功率调节时，MCU控制单元依据上位机设置的目标发光功率值和对激光器采样的实际发光功率值进行自适应控制；采用激光器偏置电流调节时，MCU控制单元依据上位机设置的目标偏置电流值和对激光器采样的实际偏置电流值进行自适应控制。APC(光功率自适应控制)***会依据环境温度等参数的改变，通过自使用的调节控制激光器的发光功率，使激光器的发光功率恒定保持在设定值。这种方法不需要对硬件电路进行调节，然而该方法中自适应控制的方法复杂，对软件设计要求较高；同时该专利方法中未给出如何能够更准确地采集激光器的电压、电流和功率信号等，在实际的工业应用中还需要对硬件设备进行设计。
因此可见，现有技术中并无针对线激光相机激光发生器的电路设计，来实时调整线激光发生器的发光功率恒定的技术方案。
发明内容
本发明欲解决的问题是现有技术中在确保线激光相机激光发生器的发光功率稳定时，调整方法复杂，且没有有针对性的硬件设计电路等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出***，包括激光发射模块、激光结电压采集模块、MCU、激光结电流控制模块；
所述激光结电压采集模块的输入端与激光发射模块相连，输出端与MCU的输入端相连；
所述MCU的输出端与激光结电流控制模块的输入端相连，所述激光结电流控制模块的输出端与激光发射模块相连。
进一步地，所述线激光相机激光发生器的激光稳定输出***还包括模数转换模块、数模转换模块。
更进一步地，所述模数转换模块位于激光结电压采集模块与MCU之间。
更进一步地，所述数模转换模块位于MCU与激光结电流控制模块之间。
更进一步地，所述数模转换模块位于MCU与激光结电流控制模块之间。
更进一步地，所述激光结电压采集模块中包括运算放大器。
更进一步地，所述激光结电压采集模块中运算放大器的输出端与模数转换模块的输入端相连。
更进一步地，所述激光结电流控制模块中包括运算放大器。
更进一步地，所述数模转换模块的输出端与激光结电流控制模块中运算放大器的输入端相连。
本发明同时要求保护一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出方法，包括实时采集激光发生器的结电压，然后调节结电流。
进一步地，该方法使用了所述的激光稳定输出***。
在线激光相机激光发生器的激光稳定输出***中，所述激光发射模块包括二极管D1，所述二极管D1的正极连接有电源-VCC。
所述激光结电压采集模块还包括电源-VCC、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；所述二极管D1的正极1脚与电阻R1相连，电阻R1的另一端连接有电阻R3和激光结电压采集模块中运算放大器的正相输入端3脚，电阻R3的另一端接地；所述二极管D1的负极2脚与电阻R2相连，电阻R2的另一端连接有电阻R4和激光结电压采集模块中运算放大器的负相输入端2脚，电阻R4的另一端与激光结电压采集模块中运算放大器的输出端1脚相连；激光结电压采集模块中运算放大器的4脚接电源-VCC，11脚接地。
所述数模转换模块的输出端与激光结电流控制模块中运算放大器的正相输入端3脚相连。
所述激光结电流控制模块还包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电源-VCC、MOS管Q1；所述激光结电流控制模块中运算放大器的负相输入端2脚连接有电阻R6，电阻R6的另一端与电阻R7和MOS管Q1的源极3脚相连，电阻R7的另一端接地，MOS管Q1的漏极2脚与激光发射模块中二极管D1的负极2脚相连，MOS管Q1的栅极1脚连接有电阻R5，电阻R5的另一端与激光结电流控制模块中运算放大器的输出端1脚相连，激光结电流控制模块中运算放大器的4脚接地，11脚接电源-VCC。
更进一步地，所述MOS管是NMOS管。
使用该线激光相机激光发生器的激光稳定输出***对激光发生器进行功率调节的工作过程为：
1、MCU通过控制数模转换模块来设置激光发射二极管的初始工作电流I；
2、激光发射二极管结电压经过结电压采集模块转换为模数转换模块可接受的信号；
3、MCU通过模数转换模块实时采集激光发射二极管的结电压U；
4、MCU通过P＝U*I计算出激光发射二极管的输出功率P；
5、随着线激光设备的工作时间加长，激光发生器的温度会收设备的温度上升而升高。
6、MCU判断P值减小，此时通过对I的调控来使P达到初始设定状态。
具体地，上述工作过程为：
1、MCU通过数模转换模块来设置激光发射模块中发射二极管D1的初始工作电流I1，具体为设置MCU的输出电压U1，来设置初始工作电流I1，线激光设备开始正常工作，具体的设置过程包括：
(1)MCU通过控制数模转换模块，使之输出电压U1数模转换的二进制数据为QDATA1；
(2)激光结电流控制模块中运算放大器起初2脚电压低于3脚(U1)，1脚输出电压接近VCC；
(3)Q1是N沟道场效应管，当激光结电流控制模块中运算放大器的1脚与3脚压差大于GS开启电压时，电流由VCC流经D1、Q1、R7到达GND；
(4)由于运算放大器输入高阻特性，电压U2＝U3；所以U2＝U3＝I1×R7；
(5)当U1＜U3时，Q1的Rds会增加，I1也会减小直至为0；
(6)最终U1＝U3，即I1＝U1/R7；通过设置U1，即可对初始工作电流I1进行设置。
2、激光结电压采集模块采集发射二极管D1的结电压，D1的1脚和2脚之间的压差VF通过激光结电压采集模块中运算放大器做差，并经过放大后输入到模数转换模块，经过模数转换模块转变为MCU可接受的信号；
3、MCU以固定周期读取模数转换模块的数据，实时地将发射二极管D1的电压VF转换为二进制数据DATA1；
4、随着线激光设备工作时间的加长，激光发生器的温度会随着设备的温度上升而升高；D1在连续工作过程中温度不逐渐升高，见图1，D1在电流不变，温度增加的情况下，VF会减小；此时D1的输出功率P(P＝VF×I1)会降低；
6、此时MCU读取模数转换模块3的数据为DATA2，MCU判断出DATA2<DATA1；
7、MCU调整数模转换模块输出电压U1’，此时数模转换模块的二进制数据为QDATA2，QDATA2为经过MCU通过DATA1和DATA2计算出的新的数模转换模块二进制数值，QDATA2>QDATA1即U1’>U1；
8、通过调整U1，由于电阻R7的值不变，可以进而调节I1的值，使D1的输出功率P(P＝VF×I1)与最初设定的值相等。
本发明的线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法，可实时采集激光发生器的结电压与结电流，通过计算结果对结电流进行调节，使激光发生器维持恒定的光强输出，消除温度波动对激光发生器光强的影响，提高整机测量结果的稳定性。
本发明的线激光相机激光发生器的激光稳定输出***及方法，相对于现有技术，具有如下优点：
(1)实时采集激光发生器的结电压，并由MCU通过P＝U*I计算激光发生器的输出功率，通过调节结电流使激光发生器维持恒定的光强输出，消除温度波动对激光发生器光强的影响，提高了整机测量结果的稳定性；***可实现自我补偿，整个过程为闭环操作，可靠性更强。
(2)该***电路设计简单，工业中可操作性强。
附图说明
图1：激光发生器温度上升对激光结电压的影响。
图2：线激光相机激光发生器的激光稳定输出***结构示意图。
附图标记说明：1-激光发射模块；2-激光结电压采集模块；3-模数转换模块；4-MCU；5-数模转换模块；6-激光结电流控制模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。
通过实时测量正常工作过程中激光发生器的结电压VF、结电流IF、及激光发生器的温度Tcase，可得到激光发生器的VF、结电流IF、及激光发生器的温度Tcase之间的关系，如图1所示，可看出，随着激光发生器温度Tcase的升高，激光发生器的结电压VF明显下降。
图2给出了线激光相机激光发生器的激光稳定输出***的结构示意图，图中，激光结电压采集模块2：负责激光结电压的提取与放大；模数转换模块3：模拟信号转为数字信号；MCU：控制单元；数模转换模块5：数字信号转为模拟信号；激光结电流控制模块6：控制激光发射二极管工作时的结电流；激光发射模块1：激光发射装置；MCU4：控制单元。
该线激光相机激光发生器的激光稳定输出***包括激光发射模块1、激光结电压采集模块2、模数转换模块3、MCU4、数模转换模块5、激光结电流控制模块6；激光结电压采集模块2的输入端与激光发射模块1相连，输出端与MCU4的输入端相连；MCU4的输出端与激光结电流控制模块6的输入端相连，激光结电流控制模块6的输出端与激光发射模块1相连。模数转换模块3位于激光结电压采集模块2与MCU4之间；数模转换模块5位于MCU4与激光结电流控制模块6之间。
其中，激光发射模块1包括二极管D1，所述二极管D1的正极连接有电源-VCC。
激光结电压采集模块2包括运算放大器IC1、电源-VCC、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；所述二极管D1的正极1脚与电阻R1相连，电阻R1的另一端连接有电阻R3和运算放大器IC1的正相输入端3脚，电阻R3的另一端接地；所述二极管D1的负极2脚与电阻R2相连，电阻R2的另一端连接有电阻R4和运算放大器IC1的负相输入端2脚，电阻R4的另一端与运算放大器IC1的输出端1脚相连；运算放大器IC1的4脚接电源-VCC，11脚接地。
激光结电压采集模块2中，运算放大器IC1的输出端与模数转换模块3的输入端相连。
激光结电流控制模块6中包括运算放大器IC2；数模转换模块5的输出端与运算放大器IC2的正相输入端3脚相连。
激光结电流控制模块还包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电源-VCC、NMOS管Q1；所述运算放大器IC2的负相输入端2脚连接有电阻R6，电阻R6的另一端与电阻R7和NMOS管Q1的源极3脚相连，电阻R7的另一端接地，NMOS管Q1的漏极2脚与激光发射模块中二极管D1的负极2脚相连，NMOS管Q1的栅极1脚连接有电阻R5，电阻R5的另一端与运算放大器IC2的输出端1脚相连，运算放大器IC2的4脚接地，11脚接电源-VCC。
该具体实施方式中，线激光相机激光发生器的激光稳定输出方法为：
1、MCU4通过数模转换模块5来设置激光发射模块1中发射二极管D1的初始工作电流I1，具体为设置MCU4的输出电压U1，来设置初始工作电流I1，线激光设备开始正常工作，具体的设置过程包括：
(1)MCU4通过控制数模转换模块5，使之输出电压U1数模转换的二进制数据为QDATA1；
(2)运算放大器IC2起初2脚电压低于3脚(U1)，1脚输出电压接近VCC；
(3)Q1是N沟道场效应管，当运算放大器IC2的1脚与3脚压差大于GS开启电压时，电流由VCC流经D1、Q1、R7到达GND；
(4)由于运算放大器输入高阻特性，电压U2＝U3；所以U2＝U3＝I1×R7；
(5)当U1＜U3时，Q1的Rds会增加，I1也会减小直至为0；
(6)最终U1＝U3，即I1＝U1/R7；通过设置U1，即可对初始工作电流I1进行设置。
2、激光结电压采集模块2采集发射二极管D1的结电压，D1的1脚和2脚之间的压差VF通过运算放大器IC1做差，并经过放大后输入到模数转换模块3，经过模数转换模块3转变为MCU4可接受的信号；
3、MCU4以固定周期读取模数转换模块3的数据，实时地将发射二极管D1的电压VF转换为二进制数据DATA1；
4、随着线激光设备工作时间的加长，激光发生器的温度会随着设备的温度上升而升高；D1在连续工作过程中温度不逐渐升高，见图1，D1在电流不变，温度增加的情况下，VF会减小；此时D1的输出功率P(P＝VF×I1)会降低；
6、此时MCU4读取模数转换模块3的数据为DATA2，MCU判断出DATA2<DATA1；
7、MCU4调整数模转换模块5输出电压U1’，此时数模转换模块5的二进制数据为QDATA2，QDATA2为经过MCU4通过DATA1和DATA2计算出的新的数模转换模块二进制数值，QDATA2>QDATA1即U1’>U1；
8、通过调整U1，由于电阻R7的值不变，可以进而调节I1的值，使D1的输出功率P(P＝VF×I1)与最初设定的值相等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制发明，凡在本发明的设计构思之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出***，其特征在于：包括激光结电压采集模块、激光结电流控制模块和MCU；所述激光结电压采集模块输出端与MCU的输入端相连；所述MCU的输出端与激光结电流控制模块的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的激光稳定输出***，其特征在于：还包括模数转换模块和数模转换模块。
3.根据权利要求2所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述模数转换模块位于激光结电压采集模块与MCU之间。
4.根据权利要求2所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述数模转换模块位于MCU与激光结电流控制模块之间。
5.根据权利要求3所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述激光结电压采集模块中包括运算放大器。
6.根据权利要求5所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述激光结电压采集模块中运算放大器的输出端与模数转换模块的输入端相连。
7.根据权利要求4所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述激光结电流控制模块中包括运算放大器。
8.根据权利要求7所述的激光稳定输出***，其特征在于：所述数模转换模块的输出端与激光结电流控制模块中运算放大器的输入端相连。
9.一种线激光相机激光发生器的激光稳定输出方法，其特征在于：包括实时采集激光发生器的结电压，然后调节结电流。
10.根据权利要求9所述的激光稳定输出方法，其特征在于：使用权利要求1-8中任一项所述的激光稳定输出***。
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