一种脉冲激光功率采集和控制系统的设计

摘要：文章根据脉冲激光功率的特点，通过系统硬件和软件的设计，实现了对脉冲激光功率的采集和控制。具体为以峰值保持电路为主的小信号采集电路的设计实现了脉冲光功率的采集，以PID为主的软件设计又完成了光功率的稳恒输出。此系统的设计能成功地用在激光打标机功率控制系统中。
关键词：脉冲激光；光功率；比例积分微分算法

0 引言
近几年来光纤激光器在激光打标和激光加工方面取得了迅速的发展，而用于激光打标和加工方面的激光器一般采用峰值功率较高的脉冲光纤激光器。激光功率是激光器最主要的参量，激光输出功率严重的影响着激光加工的质量。在激光加工过程中，如何能实时监控激光功率的变化，提高激光功率的稳定性和控制精度，对产品的精密加工有着极其重要的作用。此类型激光器其功率值在不同的加工设计中其平均功率是变化的，这就给光功率的实时采集和控制带来的麻烦。本文通过对脉冲光信号的研究，设计出了基于峰值保持电路的小信号处理电路，和基于PID算法的单片机控制系统。通过硬件电路和软件系统的设计解决了光纤激光器中脉冲激光的采集和光功率稳恒的问题。

系统的硬件电路框图如图1所示，PIN管对激光器中的脉冲光进行采集，把脉冲式的光信号转换成脉冲式的电信号。采集到的脉冲光信号经放大电路进行放大，本设计采用了两级放大，将小信号放大到能够进行处理的信号。然后经峰值保持电路采集峰值电压(此峰值电压与光信号的功率成线性关系)。在经过A／D转换电路将峰值电压信号转换成数字信号在单片机中进行处理。在单片机中主要运用了PID算法对功率进行控制，将调节后的值送给LD驱动电路进行功率调节。最终使功率稳定地输出。

2 系统的硬件电路设计
2．1 光电转换部分
本论文的光电采集部分主要用了PIN光电二极管，PIN管能很好地将光信号转换成电信号。PIN二极管对低频信号具有整流作用，而对高频信号则具有阻抗作用。PIN光电二极管具有以下优点：响应速度快；线性好、频带宽、信号失真小；噪声低，器件本身对信号影响小；体积小、寿命长、可靠性高、工作电压低。其采集到的脉冲峰值电压与光功率成线性关系。所以可以通过采集峰值电压的信号来对光功率进行采集处理。
2．2 小信号处理电路
小信号处理电路主要包括小信号放大电路和峰值保持电路。
2．2．1 小信号放大部分
本设计采用两级放大电路对微弱电信号进行放大，一般光电探测器输出的电压幅值为几百微伏到几百毫伏的级别，应适当选择放大倍数将信号放大到可处理的幅度。这里选用Texas Instruments的低功耗、高精度运算放大器opa234。

放大部分的电路原理图如图2所示，经过精密运放opa234的两级放大，把光探测器采集到的微弱电信号放大为伏级别的电压。
2．2．2 峰值保持部分
峰值保持电路用于处理信息与峰值有一定关系的信号，能跟随输入信号变化，并能将最大值记录下来，在工业过程自动检测中往往用此电路将某些物理量，如温度、压力、功率等最大值保留下来进行分析、处理。
如图3，峰值保持电路主要由电压跟随器、半波整流电路、积分电容和复位开关组成，完成了信号峰值的采样和保持。峰值保持电路的原理图如图3所示。

前级运放构成半波整流信号，后级运放为电压跟随，使电压增益为1。保持电容主要用于记忆输入信号的大小，控制开关则用于控制采样保持的时间。当输入电压大于输出电压时，二极管D2导通，积分电容C1充电至U1输出端，由于二极管D2的单向导电性，在开关断开时，积分电容C1保持峰值电压，直到下次复位信号的到来。