一种大功率激光在线数字测试仪器 【技术领域】
本发明涉及焊接工程应用技术领域的一种大功率激光在线数字测试仪器，具体是一种针对激光焊或激光-电弧复合焊接工艺时可以实时在线的显示、记录，应用于焊接加工的激光功率数字测试仪器。
背景技术
随着激光器成本的降低以及激光焊、激光-电弧复合焊的焊接效果具有优于传统热源焊接的特点，经过国内外学者以及工程技术人员的研究和努力，激光器在焊接领域的应用日益广泛。从工艺角度来看，激光输出功率的大小以及其稳定性是确保高精度加工的关键。而且目前市场上存在的测量大功率激光器的功率时必须停止加工，而且在离线测量过程中，还需要激光器输出的激光直接对准测量器的探头，这种检测方法不仅影响了加工的连续性，对激光测量仪器的探头提出了很高的要求，譬如需要大流量的水冷环境，无法实时在线的检测功率在加工过程中变化过程。因此，采取有效的手段在激光器运行的过程中获得其功率稳定性的信息是十分重要的。
通过文献检索，目前国内外尚未发现如上描述的大功率激光在线数字测试仪器。在专利号为95207658.6的实用新型中，公开了一种对激光器的输出功率进行在线测量的激光功率检测仪，应用采样器对输出的激光进行热电转换，这种转换方式的响应速度不高，具有一定的滞后性，也会影响激光的连续加工过程；在专利号为200710053133.5的发明专利中，公开了一种应用采样片的功率检测仪装置，为了提高响应速度，采用了光电二极管进行信号转换，但没有实现实时在线；在专利号为200810246843.4的发明专利中，公开了一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置，通过对激光器输出的光束作用在工件的反射光进行检测。由于在焊接制造环境下，激光作用于工件的反射光在成分和传播方向上十分复杂，难以用来定量检测，而且上述专利都不具有在线数字记录并显示激光加工过程中的稳定性评估功能。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种大功率激光在线数字测试仪器，该仪器不仅可以实现焊接过程中激光功率实时在线的检测，而且还可以在计算机上保存、记录、数字显示整个加工过程中激光功率稳定性信息。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种大功率激光在线数字测试仪器，包括放置在大功率激光器输出光路中的光学采样装置、将采样装置中的光信息转换为电信号数据并将数据传输到上位机的下位机、以及对数据进行处理和显示的上位机；所述采样装置为将大功率激光器的输出光分为工作光和采集光的分束装置；所述下位机包括采集采样装置中光信息的数据采集系统和传输数据到上位机的数据通信系统；所述上位机包含数据处理、显示系统。
本方案中的采样装置采用如下器件：扩束镜、宽带全反镜、滤光片、凸透镜、杂散光收集装置.其中，扩束镜为凸透镜与凹透镜组成的透镜组，将大功率激光器输出的窄光束扩束；宽带全反射镜由两块平行放置的全反射镜组成，且第一块全反镜透射功率y1与反射功率y之间的关系式为：y＝A1exp(-y1/t1)+A2exp(-y1/t2)+y0，其中(A1、t1、A2、t2、y0由试验数据拟合得到)，经第一块全反镜透射后的功率y1的0.22％由第二块全反镜透射，两块宽带全反镜与大功率激光器输出光路的光轴成45°放置；凸透镜将宽带全反射镜中第一块全反镜反射出来的激光经过凸透镜聚焦，使之成为工作光；杂散光收集装置为涂黑毛糙面尖端装置，并置于第二块全反镜的反射光路中；滤光片置于分束镜透射光的光路中。所述滤光片为中性密度滤光片，透射率为10％。
本方案中地下位机中的数据采集系统还包括电流信号采集电路，用来采集进入下位机的电流信号；电压信号采集电路，用来采集下位机中用于数据采集系统的转换电压信号；温度信号采集电路，用来采集下位机芯片工作温度信号。数据采集系统由光电二极管VTB5051H和C8051F系列的单片机构成，光电二极管VTB5051H反向接到电路中并与电阻R25串联，电阻R25两端的电压信号通过运算放大器TL082D构成电压跟随器经串联的电阻R1和电阻R8分压，接入到单片机的模拟输入AIN0.0管脚；所述数据通信系统由单片机和由MAX232芯片构成的串口通信电路构成，两者的电源电压信号采用5V-5V的DC-DC模块进行隔离，单片机的RXD和TXD两个引脚信号经过光耦隔离器件后连接到串口通信电路中的MAX232芯片上。
本发明的积极效果：本发明实现了在不影响激光焊接加工过程中的大功率激光的在线实时检测，并且消除了焊接加工过程中产生的杂散光对检测的影响；还实现了在计算机上保存、记录、数字显示整个加工过程中激光功率稳定性的信息。
【附图说明】
图1是本发明大功率激光在线数字测试仪器结构示意图
图2是本发明光学系统示意图
图3是本发明下位机结构示意图
图4是本发明数据采集电路图
图5是本发明CPU部分的电路图
图6是本发明CPU与串口通信电路之间的隔离电路图
图7是本发明串口通信电路图
图8是本发明电源部分电路图
图9是本发明上位机软件界面图
图10是本发明具体实施例的上位机软件界面图
图中：1、采样装置，2、下位机，3、上位机，11、扩束镜，12、宽带全反镜，13、中性密度滤光片，14、凸透镜，15、杂散光收集装置，21、CPU，22、数据采集电路，23、串口通信电路，24、电流信号采集，25、电压信号采集，26、温度信号采集。
【具体实施方式】
下面结合附图1至图10对本发明的优选实施例进行详细说明。
本实施例结构示意图如图1所示，总体上由三部分组成：光学采样装置1，下位机2中的数据采集系统和数据通信系统，以及上位机3的数据处理、显示系统.
如图2所示，在光学系统示意图中，大功率激光器输出的激光经过扩束镜11扩束均匀化后再经过宽带全反镜12，其与大功率激光器输出光路的光轴成45°放置。宽带全反镜12包含两块宽带全反镜，其中第一块宽带全反镜反射出来的激光经过凸透镜14聚焦后应用与焊接加工，透射出来的激光再经过宽带全反镜12中第二块宽带全反镜，此时反射出来的微弱的激光进入杂散光收集装置15，而透射出来的激光经过中性密度滤光片13后进入下位机2中。
如图3所示，下位机结构主要由六部分组成：CPU21、数据采集电路22、串口通信电路23、电流信号采集24、电压信号采集25、温度信号采集26。
如图4所示，在数据采集电路中，光电二极管VTB5051H反接到电路中并与R25串联，R25两端的电压信号即为根据激光输出功率不同而产生的电压变化信号，在室内光线状态下，R25两端的输出电压为0。电压信号通过运算放大器TL082D进行电压跟随后串联R1和R8，并把R8两端的电压信号接入到CPU的模拟输入AIN0.0管脚。通过R8的分压，使得进入CPU(21)内的电压模拟信号大小在0～2.5V(伏特)范围内。
如图5所示，CPU为Silicon Laboratories公司的C8051F系列的单片机，型号为C8051F350。CPU的AIN0.2、AIN0.3和AIN0.4分别连接采集电路板的电压信号、电流信号和芯片的温度信号等模拟输入量；CPU的P0.4和P0.5两个引脚连接到RS232通信电路的U6(型号为MAX232)芯片上，用来和上位机通信；CPU的P2.0/C2D和RES/C2CLK两个引脚用来连接仿真器电路C28、C29和Y1晶体为CPU提供时钟信号；C1、C2、C3和C12是CPU电源旁路电容，CPU的电源为3.3V(伏特)。通过C51语言的程序编写可以实现数据的采集、A/D转换，并把数字信号通过串口发送到上位机3中。
如图6所示，CPU与串口通信电路23之间的隔离电路采用5V-5V的DC-DC模块B0505LS-1W对两边的电源信号进行隔离，采用光耦隔离器件TLP521-1对下位机2和上位机3之间相互传输的通信信号进行隔离，提高信噪比，增强计算机工作的可靠性。
如图7所示，在串口通信电路中，使用芯片MAX232，通过光耦隔离后的数字信号线TXD_L连接到芯片的T2IN引脚上，经过芯片处理后由T2OUT输出，经过串口传送到上位机3；上位机3发送过来的数字信号连接到MAX232芯片上的R2IN引脚上，经过芯片处理后从R2OUT输出到信号线RXD_L上，光耦隔离后传送给CPU，从而在硬件上实现了下位机2与上位机3之间的通信。
如图8所示，外部电源经过整流硅桥B1和R24过流保护后，再通过稳压芯片7805把输入的直流电压转变为5V，然后再经过稳压芯片AS1117把5V的直流电压稳在3.3V供给CPU的VCC；另外，5V的直流电压通过两个B0515LS-1W的升压模块后把电压提高到30V，再通过稳压芯片7824把直流电压稳在24V用于信号采集的电源电压。
如图9所示，应用Labview软件进行通信协议定义以及对接收数据进行算法处理设计的上位机系统界面，下位机通过串口与上位机连接完成后，按下开启按钮，开启指示灯变绿，当串口成功连接后，串口连接指示灯变绿，开始正确读取信号时，读取信号指示灯变绿，每成功读取一遍下位机CPU传送过来的四个信号后，连续采集信号灯亮一次，时间间隔是1s钟。界面上会实时显示实际应用加工的功率、下位机采集信号电路的电源电压、下位机电流以及下位机温度，并且还会显示功率随加工时间的变化情况。
图10展示了上述实施例中应用整个装置的上位机控制系统某一时刻的控制界面。