本發(fā)明涉及激光輸出控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種提高測量精度的能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)及其反饋測量方法。

背景技術(shù)：

激光是一種受激而輻射的特殊光源，具有亮度高、顏色純、方向性好、相干性強(qiáng)、聚集性好等特點(diǎn)，一定強(qiáng)度的激光經(jīng)過聚焦后，具有極高的能量密度，其焦點(diǎn)處的能量密度可達(dá)107～1012瓦/厘米。當(dāng)激光照射到材料表面上時，部分光能被材料吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度升高，?dāng)能量密度足夠大時，足以改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)，將照射區(qū)內(nèi)的材料熔融甚至氣化。激光加工就是利用它的熱效應(yīng)對材料進(jìn)行雕刻、焊接、打孔和切割等處理。

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。焊接材料被高強(qiáng)度的激光束輻射后吸收其能量并轉(zhuǎn)化為熱能，使被照射處熔化成液態(tài)，在液態(tài)狀態(tài)下焊接材料分子相互滲透，冷卻后凝固形成焊接。

由于在焊接過程中不接觸焊材，能量大小及其移動速度可調(diào)，易于實(shí)現(xiàn)自動化，加上焊接精度高、速度快、熱影響區(qū)窄、變形小、無后續(xù)加工等優(yōu)點(diǎn)，激光焊接已越來越廣泛應(yīng)用于微電子、首飾、工藝品、汽車、新能源、航空等精密制造行業(yè)相關(guān)部件的焊接。

激光的產(chǎn)生是一系列復(fù)雜的電光變換過程，在這一復(fù)雜的過程中有太多因素直接或間接影響激光能量的穩(wěn)定輸出，如電子器件、光學(xué)器件的熱穩(wěn)定性，電網(wǎng)電壓的波動，器件的老化等等，這些波動經(jīng)常達(dá)到相當(dāng)?shù)姆?，?yán) 重影響到激光能量的穩(wěn)定。

影響激光焊接質(zhì)量的因素很多，包括能量密度、激光脈沖波形、寬度、頻率、離焦量、焊接速度等，但能量密度是關(guān)鍵，其他因素都是建立在合適的能量密度的基礎(chǔ)之上。合適的能量密度是保證焊接質(zhì)量的前提。太小的能量密度容易造成熔深不夠，焊接不牢固等缺點(diǎn)，過高的能量密度易使焊材氣化形成孔洞，產(chǎn)生“燒穿”現(xiàn)象。實(shí)踐表明能量密度在104～106J/cm2范圍內(nèi)易實(shí)現(xiàn)良好的熔融焊接，對于特定的焊接材料，需要特定的能量密度與之對應(yīng)。

但是，在現(xiàn)有的電流或能量反饋激光焊接機(jī)的測量方案中，沒有考慮到瞬時功率或電流的不穩(wěn)定性，直接將瞬時功率或電流作為反饋源，忽略了瞬時功率和能量區(qū)別，導(dǎo)致控制精度不高，在電網(wǎng)波動較大的環(huán)境下穩(wěn)定效果差，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊點(diǎn)一致性差，不良率高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)及其反饋測量方法，用以解決目前能量反饋激光輸出系統(tǒng)控制精度低的技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)，其包括：一激光測量單元，所述激光測量單元包括積分電路，所述積分電路將輸出的激光的瞬時功率和能量區(qū)分開來，并將一定時間內(nèi)(如一個激光脈沖)的能量值反饋至控制單元。

其中，所述的激光測量單元還包括：激光采樣模塊，連接于所述激光采樣模塊輸出端的光電轉(zhuǎn)換電路，所述光電轉(zhuǎn)換電路輸出連接于所述積分電路， 積分電路輸出端連接于A/D電路。

其中，所述的激光采樣模塊包括高透低反膜鏡，所述高透低反膜鏡將一部分激光能量反射至一光電傳感器，另一部分透射輸出。

其中，所述的光電轉(zhuǎn)換電路為一光電二極管。

其中，所述的高透低反膜鏡反射的激光能量為2％，透射的激光能量為98％。

其中，所述的積分電路為一反向輸入型積分電路，所述反向輸入型積分電路的輸出端還電連接有一數(shù)據(jù)保持與輸出單元。

其中，所述的激光測量單元輸入端連接有一激光輸出單元，所述激光輸出單元輸入端連接有一電光轉(zhuǎn)換單元，所述電光轉(zhuǎn)換單元輸入端連接于控制單元，所述控制單元還電連接于供電單元，其中，所述的控制單元與激光測量單元形成反饋。

一種采用如上任意一項(xiàng)所述的能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的反饋測量方法，其包括：將輸出的激光瞬時功率采樣信號進(jìn)行積分，使激光的瞬時功率與能量區(qū)分的步驟。

優(yōu)選的，所述將輸出的激光瞬時功率采樣信號進(jìn)行積分，使激光的瞬時功率與能量區(qū)分的步驟之前還包括：采用高透低反膜鏡對激光進(jìn)行采樣的步驟。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)，通過在反饋電路中添加積分電路，從而使激光的瞬時功率與能量分離開來，使其達(dá)到真正的能量反饋，提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的整體功能框圖。

圖2為本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的激光測量單元部分功能框圖。

圖3為本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的激光采樣模塊部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的一種能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的積分電路部分電路圖。

具體實(shí)施方式

以下參考附圖，對本發(fā)明予以進(jìn)一步地詳盡闡述。

在本實(shí)施例中，請參閱附圖1至附圖4，該能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)，其核心改進(jìn)點(diǎn)在于，包括：一激光測量單元，激光測量單元包括積分電路，所述積分電路將輸出的激光的瞬時功率和能量區(qū)分開來，并將能量值反饋至控制單元。

請?jiān)俅螀㈤喐綀D1，該能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)整體包括：為整個系統(tǒng)供電的供電單元1，供電單元輸出電連接于控制單元2，所述控制單元2上還連接有一方便人機(jī)互動控制的人機(jī)界面6。該控制單元2的輸出端電連接于電光轉(zhuǎn)換單元3，所述電光轉(zhuǎn)換單元3的輸出端電連接于激光輸出單元4。該激光輸出單元4之后還設(shè)有一為反饋提供反饋信號的激光測量單元5，經(jīng)所述激光測量單元5進(jìn)行信號采樣之后的激光輸出作用于加工焊接工件。其中，所述的激光測量單元5的采樣信號直接反饋至控制單元2，從而形成反饋系統(tǒng)，實(shí)時根據(jù)采樣信號控制輸出激光能量。

更具體的，請?jiān)俅螀㈤喐綀D2，上述的激光測量單5元還包括：激光采 樣模塊51，連接于所述激光采樣模塊51輸出端的光電轉(zhuǎn)換電路52，所述光電轉(zhuǎn)換電路52輸出連接于所述積分電路53，積分電路53輸出端連接于A/D電路54。經(jīng)所述A/D電路54之后形成一反饋信號反饋至控制單元2，形成一閉環(huán)反饋系統(tǒng)。該激光測量單元5是實(shí)現(xiàn)能量負(fù)反饋控制的基礎(chǔ)，擔(dān)負(fù)著將將激光輸出單位時間內(nèi)的能量(瞬時功率)通過電光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，再積分為一定時間(如一個脈寬)內(nèi)的激光能量后實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換并反饋給控制單元的重要任務(wù)，控制單元正是以此為依據(jù)對激光輸出能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其控制在容許的范圍內(nèi)。

請?jiān)俅螀㈤喐綀D3，上述的激光采樣模塊51包括高透低反膜鏡511，該高透低反膜鏡511將一部分激光能量反射至一光電傳感器512，另一部分透射輸出。其中，高透低反膜鏡511反射的激光能量為2％，透射的激光能量為98％。其中，所述的光電轉(zhuǎn)換電路52為一光電二極管。激光采樣模塊51對激光輸出能量進(jìn)行采樣，使用光路取樣法，在光路變向處，使用一高透低反膜鏡511，將激光能量的2％反射到光電傳感器512進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其余98％沿光路繼續(xù)傳輸，既不阻擋工作光路，又不占用太多的激光能量資源。在激光進(jìn)入高透低反膜鏡511之前還依次經(jīng)過諧振腔和前鏡。

請?jiān)俅螀㈤喐綀D4，所述的積分電路53為一反向輸入型積分電路531，所述反向輸入型積分電路531的輸出端還電連接有一數(shù)據(jù)保持與輸出單元532。積分電路53的作用，就是要將激光的瞬時功率和能量區(qū)別開來，計(jì)算一定時間內(nèi)(如一個脈沖內(nèi))激光的能量，為控制器的精確控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)?？刂贫诉B接控制單元2，由CPU控制積分電路53的起止，可以使用電光轉(zhuǎn)換電路的激光脈沖驅(qū)動信號，使積分電路53的起止工作周期和激光脈沖的 起止時間一致，實(shí)現(xiàn)對激光脈沖能量的有效測量。脈沖結(jié)束時，積分值達(dá)到最大，此最大值即為激光脈沖的相對能量。在控制器的控制下，此數(shù)被送到數(shù)據(jù)保持與輸出單元緩存并反饋給控制器。

本實(shí)施例還公開了一種采用如上任意所述的能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)的反饋測量方法，該反饋測量方法包括：將輸出的激光瞬時功率采樣信號進(jìn)行積分，使激光的瞬時功率與能量區(qū)分的步驟。即在能量反饋激光輸出控制閉環(huán)系統(tǒng)中，在反饋信號采樣部分采用積分電路，對采樣信號進(jìn)行積分，使其瞬時功率和能量區(qū)分開來，從而精確快速對系統(tǒng)在工作中因不穩(wěn)定因素造成的擾動產(chǎn)生反饋，從而使系統(tǒng)處于更加精準(zhǔn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述將輸出的激光瞬時功率采樣信號進(jìn)行積分，使激光的瞬時功率與能量區(qū)分的步驟之前還包括：采用高透低反膜鏡對激光進(jìn)行采樣的步驟。采用高透低反鍍膜鏡是為了獲取最小的激光能量作為采樣信號，同時不影響整個激光的輸出。

本發(fā)明的能量反饋激光輸出控制系統(tǒng)，在測量方案中，增加積分電路，就是要將激光的瞬時輸出功率和能量區(qū)別開來，計(jì)算一定時間內(nèi)(如一個脈沖內(nèi))激光的能量，積分電路的積分起止由控制單元提供，可以使用電光轉(zhuǎn)換電路的激光脈沖驅(qū)動信號，使積分電路的起止工作周期和激光脈沖的起止時間一致，實(shí)現(xiàn)對激光脈沖能量的有效測量，做到真正的能量負(fù)反饋。提高了激光輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

上述內(nèi)容，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限制本發(fā)明的實(shí)施方案，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的主要構(gòu)思和精神，可以十分方便地進(jìn)行相應(yīng)的變通或修改，故本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所要求的保護(hù)范圍為 準(zhǔn)。