一种大功率无线光功率计的制作方法

本发明属于光功率测量技术领域，具体涉及一种大功率无线光功率计。

背景技术：

光功率计是检测光信号强弱的一种精密光学测量仪器，广泛用于光纤通信、光学实验、生物医学等高新技术领域。在光纤通信领域中，它是测试光功率、光衰减量必不可少的测量仪表。因此，适用于工程施工现场且便于携带、操作简便、性能稳定的光功率计越来越受到人们的青睐。但目前，国内所需光功率计大多来自进口，而国外光功率计的价格贵，配件品种多，使用操作也较复杂。此外，国外还有众多的光功率计生产厂家，有着相当高的销售额，总体来说，国内的光功率计市场几乎被国外仪器垄断。因此，研究和开发高性能、多功能、低成本以及具有完全自主知识产权的光功率计具有一定的实际意义。

公开号为105928617 A的中国专利申请公开了一种抗干扰能力强的光功率计，包括按顺序依次通过导线电连接的光电转换模块、光电探测模块、处理模块和显示模块，处理模块电连接有温控模块，光电转换模块、光电探测模块、处理模块和显示模块内均设有温度传感器，温度传感器与温控模块电连接，所述的处理模块电连接有按键模块，所述的按键模块内设有温度传感器，温度传感器与温控模块电连接，所述的温控模块电连接有降温设备，连接光电转换模块、光电探测模块、处理模块和显示模块的导线外覆有由环氧树脂制成的绝缘保护层。该发明通过光电探测模块对光信号进行探测，使得探测波长范围比较小。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种大功率无线光功率计，该光功率计具有探测波长范围宽、性能稳定、分灵敏度高、体积小、价格低、重量轻、使用方便以及可支持蓝牙通讯等优点，广泛应用于光纤通信、光学实验、生物医学等高新技术领域。

本发明采取的技术方案是：提供一种大功率无线光功率计，探测器、程控放大电路、CPU处理单元、通信模块以及显示模块，所述的探测器为热电堆探测器，所述的热电堆探测器将探测的光信号输入至程控放大电路，所述的程控放大电路将接收到的光信号放大处理后输入至CPU处理单元，所述的CPU处理单元将接收的放大光信号转换为数字信号，并根据此数字信号控制程控放大电路量程的自动切换，然后计算得到光功率值，将光功率值通过通信模块显示于显示模块上。

所述的程控放大电路由相互并联连接的多通道的模拟开关、N沟道场效应管以及运算放大器组成，所述的运算放大器的反向输入和输出端通过反馈电阻连接。所述的运算放大器的量程由多通道的模拟开关控制。

所述的多通道的模拟开关为CD4051、MAX4051，作为优选，所述的多通道的模拟开关为CD4051，该CD4051具有低截止漏电流和低导通阻抗的单端双向8选1模拟开关，具有静态功耗极低、适用性强等优点，能够控制运算放大器量程的自动切换。

所述的N沟道场效应管为AO3402、AON6058，作为优选，所述的N沟道场效应管为AO3402，AO3402采用先进的沟槽技术提供出色的R_DS(ON)，低栅极电荷和操作时栅极电压低至2.5V。

所述的运算放大器为AD8041、MAX4238、MAX4239，作为优选，所述的运算放大器为AD8041，AD8041是一款低功耗、电压反馈型、高速放大器,设计采用+3V、+5V或±5V电源供电。它具有单电源供电能力,输入电压范围是从负供电轨以下200mV至正供电轨1V范围以内。

作为优选，所述的程控放大电路由相互并联连接的多通道的模拟开关CD4051、N沟道场效应管AO3402以及运算放大器AD8041组成。

所述的信号处理电路用于对热电堆探测器探测到的微弱的模拟光信号进行放大降噪处理。

所述的CPU处理单元内置有模数转换器，该模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。

所述的CPU处理单元根据模数转换器的转换数值控制多通道的模拟开关将运算放大器设置到相应的放大档位；当转换数值小于预先设置参数时，判断当前档位是否为最低档位，若是，表明此时测得的信号不在探测器的探测范围内，停止探测，若否，CPU处理单元控制多通道的模拟开关将运算放大器切换至相邻的较低档位；当转换数值大于预先设置参数时，判断当前档位是否为最高档位，若是，表明此时测得的信号已超过探测器的探测范围内，这将损坏探测器，停止探测，若否，CPU处理单元控制多通道的模拟开关将运算放大器切换至相邻的较高档位；实现测量功率范围内的量程自动切换。

根据热电堆探测器的测探范围，将所述的程控放大电路的量程档位设置为6个。

所述的CPU处理单元读取CPU处理单元内置的EEPROM中的R值，并利用该R值对模数转换后的转换数值进行校准；所述的微处理器单元计算光功率，并接收波长切换命令和单位换算命令，并根据波长切换命令重新读取波长重新计算光功率，根据单位换算命令进行光功率值单位转换，得到用于显示的光功率值。

所述的通信模块包括支持与windows系统与ios系统进行通信的蓝牙模块、人机接口。

所述的显示模块包括APP、LCD屏。

所述的CPU处理单元具有控制激光强度的PWM输出。

所述的CPU处理单元具有对激光进行反馈调节的0～5V的模拟电压输出。

所述的CPU处理单元接收外部按键信号的输入，进行触发。

所述的大功率无线光功率计用于实现范围为100mW-100W的大功率光功率测量。

所述的大功率无线光功率计对波长范围为0.19-15um的激光实现大功率光功率测量。

本发明提供的大功率无线光功率计具有探测波长范围宽、性能稳定、灵敏度高、体积小、价格低、重量轻、使用方便以及可支持蓝牙通讯等优点，广泛应用于光纤通信、光学实验、生物医学等高新技术领域。

附图说明

图1是本发明实施例大功率无线光功率计的结构示意图；

图2是本发明实施例程控放大电路的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明实例涉及一种大功率无线光功率计，如图1所示，包括：热电堆探测器、程控放大电路、芯片STM32、BM77蓝牙模块与人机接口、LCD显示屏与APP。

工作过程为：热电堆探测器将检测到的光信号转变为电压信号，电压信号经过程控放大电路放大处理后，再由芯片STM32的内置的12位ADC进行模数转换，芯片STM32根据转换数值的大小控制程控放大电路切换到合适的量程以获得可供计算显示的数字量，并计算得到光功率值，将光功率值通过支持与windows系统和ios系统通信的BM77蓝牙模块传输至APP上进行显示，或者通过蓝牙USB传输送入具有背光的LCD屏进行显示。同时，芯片STM32还可以通过PWM来调控被测激光的强度，输出0～5V的模拟电压对激光进行反馈调节，利用外触发功能可以实现功率的单步测量。

热电堆探测器的工作原理为：当激光束击中的热电堆传感器的表面上，入射辐射被所述被覆层内被吸收并转化为热，该热量被流经从顶面至底部的传感器，造成整个传感器的温度差。由于热电效应，温度差引起的电压施加至传感器元件内积聚并输出。该输出电压是正比于入射辐射的功率。热电探测器的表面通常镀有吸收涂层，吸收涂层决定了检测到的辐射的光谱范围。当使用具有平坦光谱的宽带吸收器时，热电堆传感对所有波长的辐射敏感。入射到检测器表面的激光功率与检测器的电压输出成比例。其计算公式为：

式中：U代表探测器的输出电压，单位是V；Z是检测器的辐射灵敏度，单位是mV/W。激光功率检测器的灵敏度取决于使用它们的温度水平。使用下述公式计算检测器的温度校正灵敏度：

Z＝Z₀+(T-T₀)·Z_C

式中：Z₀是校准温度和校准波长下的辐射灵敏度，单位为mV/W；Z_C是辐射灵敏度的线性校正因子，单位为(mV/W)/℃；T₀为校准温度(通常为20℃)，单位为℃；T是散热器温度水平，可以用温度传感器测量，单位为℃。

光功率计的输入信号动态范围通常比较大，为了提高测量精度，光功率级应根据测量范围设置多个量程，并能在各个量程上自动切换。量程自动转换的过程，就是CPU处理单元根据输入信号的大小，自动选择程控放大电路的放大系数或程控衰减系数，使经过处理后的输出电压能满足ADC对输入的要求。热电堆探测器输出的信号非常微小，因此选用程控放大电路来控制信号放大倍数，从而实现量程的自动选择。

如图2所示，本实施例中的程控放大电路由互相并联的多通道的模拟开关CD4051、N沟道场效应管为AO3402以及运算放大器AD8041。为可以根据测量的光功率范围将量程划分为6段，选用美国无线电公司生产的CD4051，它是一种具有低截止漏电流和低导通阻抗的单端双向8选1模拟开关。对于高档量程，由于反馈电阻较小必须要考虑模拟开关导通电阻的影响。为了提高高量程的选择灵敏度，采用导通电阻足够大的N沟道增强型场效应管AO3402代替导通电阻较小的通道。

芯片STM32通过控制PB0,PB1,PB2的状态选通I2，I3，I4，I5的导通或闭合，同时根据输入的信号大小控制O的通断，实现运算放大器AD8041量程的自动切换。

输入芯片STM32的信号先采用芯片STM32的ADC进行模数转换，芯片STM32内的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

芯片STM32根据ADC的转换数值控制多通道的模拟开关将AD8041设置到相应的放大档位；当转换数值小于预先设置参数时，判断当前档位是否为最低档位，若是，表明此时测得的信号不在热电堆探测器的探测范围内，停止探测，若否，芯片STM32控制CD4051将AD8041切换至相邻的较低档位；当转换数值大于预先设置参数时，判断当前档位是否为最高档位，若是，表明此时测得的信号已超过探测器的探测范围内，这将损坏探测器，停止探测，若否，芯片STM32控制CD4051将AD8041切换至相邻的较高档位；实现测量功率范围内的量程自动切换。

芯片STM32还用于对所述程控放大电路的档位的固定放大值进行校准；芯片STM32计算光功率，并接收波长切换命令和单位换算命令，并根据波长切换命令重新读取波长重新计算光功率，根据单位换算命令进行光功率值单位转换，得到用于显示的光功率值。

BM77蓝牙模块用于短距离的数据无线传输领域，方便地与PC机的蓝牙设备相连，实现BM77蓝牙模块与PC机的蓝牙设备之间的数据通信。此模块遵循V3.0/4.0+EDR蓝牙规范，支持UART接口，并支持SPP和LE蓝牙通信协议，内部带有8Kbit的EEPROM，具有成本低、体积小、收发灵敏度高等优点。可以应用在无线键盘、智能家居、蓝牙打印机和机房设备无线监控等方面。

本实施例的大功率无线光功率计以实现对波长范围为0.19-15um的激光的功率值进行测量，且测得的功率值的范围为100mW-100W。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。