CN208272348U - 大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，所述的监控装置包括冷却水循环单元，以及，光学晶体温控模块，包括固定设置在光学机舱内且其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的光学晶体的导热载座，设置在导热载座中的第一温度传感器，以及设置在导热载座和基座间的半导体制冷单元；机舱空气质量监测模块，包括设置在光学机舱内的温湿度传感器；控制器，所述的控制器与所述的第一温度传感器、半导体制冷单元及所述的温湿度传感器通讯连接。本实用新型针对光学机舱内这一特殊的环境，以高度集成的方式实现舱内各运行参数的实时测量与精确控制，实现温度、湿度以及冷却水状态等环境工况的实时监测，实现各光学元件的精密控温。

Description

大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置

技术领域

本实用新型属于固体激光器技术领域，具体涉及一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置。

背景技术

大功率固体激光器是一种精密光电设备，对环境温度、湿度等有较高要求。大功率固体激光器的功率大，各相关功能器件工作在大功率状态，容易引起热量沉积，造成自身温度升高，影响其工作性能，进而导致激光器输出激光的光谱、功率等产生漂移，严重影响激光器的输出光束质量。所以采用必要的冷却技术，使其工作在适宜温度下，以保证激光器中各部件正常工作。

在大功率固体激光器实际运行中，多采用冷却水的方式进行温度控制，也就是利用外循环水冷机给激光器中各容易发热的工作元件进行散热，以保持其工作温度稳定。但实际应用中，由于冷却水循环过程中容易受到外界环境温度、管线分布状况、循环水质变化等多种因素影响，导致***故障等，常会遇到散热异常的情况。特别是以冷却循环水突然断水或者循环不畅等问题更为严重，会造成工作元件的温度大幅度升高，严重影响光束质量和***安全。

大功率固体激光器中主要包括泵浦模块、前镜、后镜、LBO晶体、Q开关、光纤耦合模块等功能部件，在LD电源和Q电源的驱动下工作。工作过程中需要实时监测各工作部件的温度，发现异常时及时报警处理；同时需要监测机舱冷却水是否泄漏、光功率是否异常等，出现问题时及时处理。

作为固体激光器的关键组成部件,光学机舱的性能和可靠性决定着整个激光器性能和可靠性。为了实现相关目标，业内在激光功率测量、光学元件的温度控制等各单项技术开展了相关研究，取得了一些进展。但把光学机舱作为一个光、机、电、水的综合测控对象，对测控***的高度集成、特殊光学元件的精密控温及工况实时监测、软硬件综合可靠性的缺乏深入研究.

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，该大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置集成度高，监控和控制效果稳定可靠。

本实用新型的另一个目的是，提供一种控制方法，该方法能精确控制温度，实现有效报警。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，包括冷却水循环单元，以及，

光学晶体温控模块，包括固定设置在光学机舱内且其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的光学晶体的导热载座，设置在导热载座中的第一温度传感器，以及设置在导热载座和基座间的半导体制冷单元；

机舱空气质量监测模块，包括设置在光学机舱内的温湿度传感器；

控制器，所述的控制器与所述的第一温度传感器、半导体制冷单元及所述的温湿度传感器通讯连接。

在上述技术方案中，所述的导热载座为铜制，所述的第一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，还包括漏水检测单元，其包括设置在光学机舱内凹陷位置的水位传感器以及对应设置在冷却水循环单元的冷却水管道进水口和出水口处的进水压力传感器和出水压力传感器，所述的水位传感器、进水压力传感器和出水压力传感器分别与所述的控制器通讯连接。

在上述技术方案中，所述的进水压力传感器和出水压力传感器分别包括压力传感单元，形成有用以定位所述的压力传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与冷却水管道螺纹连接。

在上述技术方案中，还包括光纤温度监测模块，其为设置在光纤法兰上的第二温度传感器，所述的第二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光纤法兰座螺纹连接。

在上述技术方案中，所述的温湿度传感器采用挂壁的方式悬空安置，经I2C总线传送到控制器。

在上述技术方案中，激光功率测量模块，其包括与光功率探头探测分光后的弱光信号对应的功率检测传感器，所述的功率检测传感器中的热电探测器的输出经前置放大电路和A/D 变换器后输入至控制器。

在上述技术方案中，所述的控制器为单片机，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕。

在上述技术方案中，所述的第一温度传感器采用三线式测量，所述的第一温度传感器对应的测温点路采用强势测温电路。

在上述技术方案中，所述的半导体制冷单元由H桥驱动。

一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置的控制方法，其特征在于：

1)光学晶体温度控制步骤

采用H桥驱动的半导体制冷单元作为温度调节器件，采集温度信息后，经过温度-电流双闭环温度控制算法计算后获得PWM控制量，经H桥后驱动TEC工作，实现对光学晶体的温度控制；

2)漏水监控步骤

水位传感器检测水位信息并同输出信号以改变并触发控制器的中断，在中断处理服务程序中综合分析冷却水压力值变化确认冷却水泄漏后及时报警处理。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型针对光学机舱内这一特殊的环境，以高度集成的方式实现舱内各运行参数的实时测量与精确控制，实现温度、湿度以及冷却水状态等环境工况的实时监测，实现各光学元件的精密控温，对测控***的硬件尺寸(集成度)，对精密控温算法的健壮性、对软硬件综合测控***的可靠性需要统筹考虑。对其中光学晶体、冷却水、光纤法兰等工作温度、湿度等参数进行综合测控，及时处理，保证激光器稳定可靠工作。建立一套大功率固体激光器光学机舱环境参数综合监测方法，用于对激光器的泵浦模块、前镜、后镜、LBO光学晶体、光纤耦合模块、环境湿度、冷却水温度、压力等进行实时综合监测，保证激光器的正常工作环境；并由此设计一套监测装置，用于实现光学机舱环境参数的综合监测。

附图说明

图1是本实用新型大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置的结构示意图。

图2是本实用新型大功率固体激光器的光学晶体安装示意图。

其中：

1：基座，2：半导体制冷单元，3：导热载座，4：第一温度传感器，5：光写晶体。

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实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例一

本实施例的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，包括冷却水循环单元，以及，光学晶体温控模块，包括固定设置在光学机舱内且其内流通冷却水的基座1，用以安装固定所述的光学晶体5的导热载座3，设置在导热载座中的第一温度传感器4，以及设置在导热载座和基座间的半导体制冷单元2；机舱空气质量监测模块，包括设置在光学机舱内的温湿度传感器；控制器，所述的控制器与所述的第一温度传感器、半导体制冷单元及所述的温湿度传感器通讯连接，同时，为便于信息输出及参数设定，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕。

本实用新型对光学晶体、冷却水、光纤法兰等工作温度、湿度等参数进行综合测控，及时处理，保证激光器稳定可靠工作。其中，将测量和控制光学晶体温度的第一温度传感器，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半导体制冷单元进行制冷和加热，TEC半导体的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半导体制冷单元工作特性，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。

进一步地，为提高散热和温度均衡性，所述的导热载座为铜制，同时，所述的第一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。采用铠装的螺丝定位第一温度传感器，通过合理设计铠装螺丝的厚度，有效保证测量精度，而且利用中空的铠装螺丝固定，安装简单，无安装误差导致的测量精度受损。

所述的第一温度传感器采用三线式测量，所述的第一温度传感器对应的测温点路采用强势测温电路。

为避免机舱内壁温度对温湿度传感器的影响，温湿度传感器不能紧贴机舱内壁安置，所述的温湿度传感器采用挂壁的方式悬空安置，经I2C总线传送到控制器，如单片机STM32。

所述的半导体制冷单元由H桥驱动。采用H桥驱动的半导体制冷单元(TEC)作为温度调节器件，铂电阻采集温度信息后，经过温度-电流双闭环温度控制算法计算后获得PWM控制量，经H桥后驱动TEC工作，实现对光学晶体的温度控制。

实施例二

进一步地，本实用新型的光学机舱环境监测装置还包括漏水检测单元，其包括设置在光学机舱内凹陷位置的水位传感器以及对应设置在冷却水循环单元的冷却水管道进水口和出水口处的进水压力传感器和出水压力传感器，所述的水位传感器、进水压力传感器和出水压力传感器分别与所述的控制器通讯连接，其中，优选地，为提高装配和安装精度，所述的进水压力传感器和出水压力传感器分别包括压力传感单元，形成有用以定位所述的压力传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与冷却水管道螺纹连接。

冷却水输送管道为两部分：一部分安置在机舱内部、另一部分安置在机舱外部与水冷机相连。在机舱内部，冷却水通过冷却水输送管道进水口进入，并通过出水口流出至水冷机，完成冷却水在机舱内部的循环。由于机舱内的冷却水有其专用的输送管道道，将压力传感器通过铠装螺丝安置在机舱内部的冷却水管道的进水口与出水口，通过比较进水与出水压力传感器的检测值，来判断冷却水状态是否异常。激光器工作时，需要冷却水保持一定压力以保证水流的速度。在光学机舱中安置压力检测传感器对冷却水的进水压力、出水压力同时进行监测，转换为4～20mA信号经过A/D送入控制器中。

为避免误判，保证报警的准确性。综合分析了水位传感器即漏水开关状态与冷却水压力值之后，再进行报警处理。其判断逻辑是，当STM32检测到漏水开关输出的中断信号后，随及对当前进出水压力传感器的检测值进行差值判断，当该差值大于某个设定阈值时，视当前冷却水状态异常，启动警报。

实施例三

进一步地，为提高整体监控性，还包括光纤温度监测模块，其为设置在光纤法兰上的第二温度传感器，所述的第二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光纤法兰座螺纹连接。

本实用新型的第二温度传感器，即光纤温度传感器与光学温度控制模块所使用的温度传感器型号与封装方式相同，均为A级铂电阻并采用铠装螺丝封装。该光纤温度传感器通过铠装螺丝外壳与光纤法兰上的定位螺孔相连，完成温度传感器的固定。由于光纤紧贴光纤法兰安置，光纤发法兰温度可近似视为光纤温度，因此可通过测量光纤法兰温度来间接获得光纤温度，在保证测量精度的前提下优化装配方式。

其中，还包括激光功率测量模块，其包括与光功率探头探测分光后的弱光信号对应的功率检测传感器，所述的功率检测传感器中的热电探测器的输出经前置放大电路和A/D变换器后输入至控制器。具体来说，功率检测传感器安装在分光后出来的弱光光路上，其接收面和光路垂直。在光的照射下，功率检测传感器中的热电探测器温度发生变化，引起其输出热电势变化，经过前置电路放大后的信号送入A/D变换为数字信号，在STM32单片机中乘上相关系数，转换为实际的光功率值。该值实时采集并保存在STM32单片机中供其他模块读取。

实施例4

本实施例公开了一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置的控制方法，包括以下步骤，

1)温度控制步骤，当固体激光器开始工作，内部晶体温度逐渐升高时，第一温度传感器采集晶体温度T，当T高于预设温度T1时，TEC开始制冷，控制固体激光器中的光学晶体，使其温度下降，此时采集到目标控制温度T2，在MCU(单片微型计算机/单片机)中对实际温度T和目标控制温度T2进行实时分析和处理，经过温度-电流双闭环反馈调节T，使其无限接近目标控制温度T2。采集温度与目标控制温度存在差值，差值会生成两个反馈信号，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；内环电流闭换使用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。

温度信号通过串口通讯实时传输到PC端，实现对晶体温度及时、高效、高精度的控制。其中，TEC是一种热泵，利用半导体材料和帕尔贴效应，当直流电流通过两种不同半导体材料(N、P型材料)串联成的电偶时，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，可以实现制冷的目的。当晶体温度升高时，MCU分析采集温度信号与预设温度信号之间的差值。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。其中，进行 PWM时是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的输出电压(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。

2)漏水检测步骤，漏水开关固定在机舱的底部凹陷位置，冷却水泄漏时会最先浸入漏水开关中，引起其输出信号的改变并触发STM32的中断，在中断处理服务程序中综合分析漏水开关连接的管脚和冷却水压力值，确认冷却水泄漏后及时报警处理。

其中，本实用新型中的温度传感器均采用三线式测量，以尽量减小传输线路对于测量精度的影响。测温电路采用经典桥式测温电路，经过16位A/D送入单片机中进行处理，转换为温度值。三线式温度测量是指在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的测量方式，这种方式通常与电桥配套使用，两个导线分别接在电桥的两个桥背上，另一根线接在电桥的电源上，消除了引线电阻的误差，可以较好的消除引线电阻的影响。

考虑到传感器和电子器件的误差，采用FLUKE的标准温度计和恒温槽进行标定，以保证测量精度。首先在***装配之前对温度传感器进行标定。其次，为防止***在长期运行过程中温度传感器产生温度偏移影响***测量与控制精度，需要在***投入使用后，每隔三个月至半年之内重新对温度传感器进行标定。

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。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，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实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：包括冷却水循环单元，以及，

光学晶体温控模块，包括固定设置在光学机舱内且其内流通冷却水的基座，用以安装固定所述的光学晶体的导热载座，设置在导热载座中的第一温度传感器，以及设置在导热载座和基座间的半导体制冷单元；

机舱空气质量监测模块，包括设置在光学机舱内的温湿度传感器；

控制器，所述的控制器与所述的第一温度传感器、半导体制冷单元及所述的温湿度传感器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的导热载座为铜制，所述的第一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。

3.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：还包括漏水检测单元，其包括设置在光学机舱内凹陷位置的水位传感器以及对应设置在冷却水循环单元的冷却水管道进水口和出水口处的进水压力传感器和出水压力传感器，所述的水位传感器、进水压力传感器和出水压力传感器分别与所述的控制器通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的进水压力传感器和出水压力传感器分别包括压力传感单元，形成有用以定位所述的压力传感单元的中空腔的铠装螺丝，所述的铠装螺丝与冷却水管道螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：还包括光纤温度监测模块，其为设置在光纤法兰上的第二温度传感器，所述的第二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光纤法兰座螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的温湿度传感器采用挂壁的方式悬空安置，经I2C总线传送到控制器。

7.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：激光功率测量模块，其包括与光功率探头探测分光后的弱光信号对应的功率检测传感器，所述的功率检测传感器中的热电探测器的输出经前置放大电路和A/D变换器后输入至控制器。

8.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的控制器为单片机，还包括与所述的单片机通讯连接的人机交互屏幕。

9.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的第一温度传感器采用三线式测量，所述的第一温度传感器对应的测温点路采用强势测温电路。

10.根据权利要求1所述的一种大功率固体激光器的光学机舱环境监测装置，其特征在于：所述的半导体制冷单元由H桥驱动。