一种快速实时测量激光输出功率的装置及方法与流程

本发明涉及激光能量测量，特别是涉及一种快速实时测量激光输出功率的装置及方法。

背景技术：

1、随着激光技术的飞速发展，激光器在通信医疗、工业制造、民用军工产品等领域得到了越来越广泛的应用，而激光器的输出功率是激光器的一个重要指标，输出功率检测也成为激光检测技术领域的一项重要内容。

2、通常，生产厂家出于对激光治疗机生产成本和生产工艺复杂度考虑，对整机的激光输出功率，大都采用出厂时将激光输出功率标定好，并由用户采用定期校准调试的“闭环控制”方式，保证激光器可以长期稳定的输出正确功率。

3、在激光治疗机的日常使用中，一旦出现激光输出功率高于选定的功率值，会对治疗的皮肤组织造成不可逆转的伤害，增加治疗风险，降低患者的生活质量；反之，若激光输出功率低于选定的功率值，则会降低治疗效果或者根本起不到治疗效果。然而，随着激光治疗机的长时间使用，激光输出功率的衰减又是一种必然现象，因此，用户定期对激光治疗机的输出功率进行校准是非常有必要的，而如何实现对激光治疗机的输出功率进行快速实时测量是本领域技术人员所面临的一个难题。

4、目前，针对激光治疗机的激光输出功率测量方法，大多使用漫反射组件和光阑组件。然而，由于漫反射组件和光阑组件的机加精度无法达到很高，导致组装后每个部件都不相同，对于组装和调试流程增加了许多工作量，同时存在组装和调试难的问题；另外，在安装到整机后，随着物流运输和客户来回的搬运都有可能影响测量的精度，易受外界因素影响；测试原理是通过漫反射理论认为反射量是随着原激光功率增大而变大的，而实际上的漫反射在原激光强度不同时，反射率不是固定的，所以在后期的程序算法上无形中添加了很大的麻烦。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种快速实时测量激光输出功率的装置及方法，以达到对激光输出功率的快速实时测量和校正。

2、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明提供的一种快速实时测量激光输出功率的装置，主要包括：

4、激光采样器，将被测激光光束的一部分折射至激光功率采集传感器的热端上；

5、激光功率采集传感器，将激光光束的辐射能量转化成电压信号，并将电压信号输出至信号处理模块；

6、信号处理模块，对输入的电压信号依次进行滤波、整形和放大运算，得到处理后的电压信号，并将处理后的电压信号输出至逻辑运算控制模块；

7、逻辑运算控制模块，对处理后的电压信号进行adc转换、存储和数字滤波处理，并对滤波后的电压信号进行采样运算操作，获得测量的激光输出功率值，完成激光输出功率的快速实时测量。

8、进一步的，本发明的一种快速实时测量激光输出功率的装置还包括：光闸、余光吸收器和光路板，所述激光采样器、激光功率采集传感器、光闸和余光吸收器均安装在光路板上；所述光闸用于控制激光光束的终端输出；所述余光吸收器用于吸收未用于激光输出功率测量的残余激光。

9、进一步的，所述激光采样器采用分光镜片；所述激光功率采集传感器采用温差发电装置。

10、进一步的，本发明的一种快速实时测量激光输出功率的装置还包括安装在激光功率采集传感器冷端的温度传感器，所述温度传感器采集温度数据并发送至逻辑运算控制模块，所述逻辑运算控制模块根据温度数据对测量获得的激光输出功率值进行动态补偿。

11、进一步的，所述信号处理模块由整形滤波电路、比例放大电路和信号滤波输出电路组成；所述激光功率采集传感器、整形滤波电路、比例放大电路和信号滤波输出电路依次相连；所述整形滤波电路用于对接收到的电压信号进行整形滤波处理；所述比例放大电路用于对整形滤波处理后的电压信号进行放大运算处理；所述信号滤波输出电路用于对放大运算处理后的电压信号进行滤波处理后输出。

12、进一步的，所述逻辑运算控制模块包括：

13、采样子模块，用于按照预设周期t连续采集n个数据，并将采集的这n个数据按照时间顺序保存至n位数据表格中；

14、更新子模块，用于自采样子模块最近一次采集时间起，延时一个预设周期t采集1个数据，并以该数据更新数据表格中最先记录的数据，保证每次更新后的数据都是最新采集的数据；

15、计算子模块，用于计算更新后的数据表格中的所有数据的平均值和方差；

16、判断子模块，用于判断当前计算子模块计算得到的方差值是否在预设阈值范围内，若是，则输出判断结果和当前计算子模块计算的平均值至输出子模块；若否，则输出判断结果至更新子模块，更新子模块重新采集1个数据并更新数据表格；

17、输出子模块，用于输出当前计算子模块计算的数据表格中所有数据的平均值，并记录本次测量获得的激光输出功率值。

18、本发明提供的一种快速实时测量激光输出功率的方法，采用上述的一种快速实时测量激光输出功率的装置实现，该方法包括以下步骤：

19、步骤一：从激光器的激光输出窗口输出的被测激光光束，一部分照射到激光功率采集传感器的热端上，通过激光功率采集传感器将激光光束的辐射能量转化成电压信号，并将电压信号输出至信号处理模块；

20、步骤二：信号处理模块对激光功率采集传感器传入的电压信号依次进行滤波、整形和放大运算操作，得到处理后的电压信号，并将处理后的电压信号输出至逻辑运算控制模块，由逻辑运算控制模块进行逻辑运算控制；

21、步骤三：逻辑运算控制模块对处理后的电压信号依次进行adc转换、存储和数字滤波处理，并对滤波后的电压信号进行采样运算操作获取da值；通过上位机接收所获取的da值并利用所构建的功率-da关系曲线进行换算从而获得测量的激光输出功率值，完成激光输出功率的快速实时测量和校正。

22、进一步的，步骤三的具体操作流程如下：

23、s1：按照预设周期t连续采集n个数据，并将采集的这n个数据按照时间顺序保存至n位数据表格中；

24、s2：自最近一次采集时间起，延时一个预设周期t，采集1个数据，并以该数据更新数据表格中最先记录的数据，保证每次更新后的数据都是最新采集的数据；

25、s3：计算更新后的数据表格中的所有数据的平均值和方差；

26、s4：判断步骤s3计算的当前的方差值是否在预设阈值范围内，若是，则执行步骤s5，否则返回步骤s2，重新采集1个数据并更新数据表格；

27、s5：输出步骤s3计算的数据表格中所有数据的平均值，即为本次测量获得的激光输出功率值对应的da值；

28、s6：将所获取的da值输入到功率-da关系曲线中，计算出实际的激光输出功率值；

29、s7：循环进行激光输出功率的补偿反馈流程。

30、进一步的，步骤s6的具体操作流程如下：

31、s6.1：基于多项式拟合，通过一次多项式yn＝m*xn+b来表示功率值与da值之间的关系，其中，yn表示功率值，xn表示da值，m表示多项式系数，b表示多项式参数；将采集的i个da值保存至i位数据表格中，根据公式(1)计算出数据表格中的所da值的平均值xave；

32、xave＝∑(x1+x2+.....+xi)/i   (1)

33、s6.2：将得到的平均值xave分别和每个原始数据做差，得到一组差值列f(x)后，根据公式(2)将这组差值列f(x)中每个差值平方后进行累加得到累加值x2ave；

34、x2ave＝∑(f(x1)*f(x1)+f(x2)*f(x2)+.....+f(xi)*f(xi))   (2)

35、s6.3：按上位机工作界面预置功率值将上位机工作界面显示的i个功率数值yi调整一致，并计算得到i个功率数值yi的平均值yave，将得到的平均值yave分别和每个功率数值yi做差，得到一组差值列f(y)后，根据公式(3)计算出协方差和；

36、xyave＝∑(f(x1)*f(y1)+f(x2)*f(y2)+.....+f(xi)*f(yi))   (3)

37、s6.4：将计算得到的协方差和xyave除以平均值xave的平方x2ave得到系数m，再根据公式(4)求出参数b；

38、b＝yave-m*xave   (4)

39、s6.5：将系数m和参数b代入公式(5)，获得功率-da关系曲线，完成装置的标定；

40、yn＝m*xn+b (5)

41、s6.6：将实际测量的da值xn代入公式(5)中，计算出对应的激光输出功率yn。

42、进一步的，步骤s7中，第i次激光输出功率的补偿反馈流程如下：

43、(1)通过激光控制系统控制激光器按照出光控制参数vd-i进行出光，将实际测量的da值xn-i代入公式(5)中，进而测量出对应的激光输出功率yn-i；

44、(2)将激光输出功率yn-i与上位机工作界面预置功率yd(对应内部初始出光控制参数vd-0)进行对比，计算激光输出功率yn-i与上位机工作界面预置功率yd的偏差值，并判断激光输出功率yn-i与上位机工作界面预置功率yd之间是否存在偏差；若激光输出功率yn-i与上位机工作界面预置功率yd之间的偏差值小于或等于给定阈值ydeviation，则表示激光输出功率yn-i满足要求，提示激光器为正常出光状态，结束激光输出功率补偿反馈；若激光输出功率yn-i与上位机工作界面预置功率yd之间的偏差值大于给定阈值ydeviation，则进入步骤(3)；

45、(3)使用比例算法调整出光控制参数获取新的出光控制参数vd-(i+1)，计算新的出光控制参数vd-(i+1)与初始出光控制参数vd-0之间的偏差值，并判断此偏差值是否大于给定阈值vdeviation；若此偏差值大于给定阈值vdeviation，则说明激光器衰减严重已无法校正，提示报错信息并停止工作；若此偏差值小于或等于给定阈值vdeviation，则通过激光控制系统控制激光器按照新的出光控制参数vd-(i+1)进行出光；

46、重复上述操作，即可开始第i+1次激光输出功率补偿反馈流程。

47、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

48、本发明的一种快速实时测量激光输出功率的装置，主要包括：激光采样器，用于将被测激光光束的一部分折射至激光功率采集传感器的热端上；激光功率采集传感器，用于将激光光束的辐射能量转化成电压信号；光闸，用于控制激光光束的终端输出；余光吸收器，用于吸收未用于激光输出功率测量的残余激光，减少激光污染；光路板，用于安装固定激光采样器、激光功率采集传感器、光闸和余光吸收器；信号处理模块，用于对输入的电压信号依次进行滤波、整形和放大运算，得到处理后的电压信号；逻辑运算控制模块，用于对处理后的电压信号进行adc转换、存储和数字滤波等处理，并对滤波后的电压信号进行采样运算操作，获得测量的激光输出功率值，以完成激光输出功率的快速实时测量。本发明利用逻辑运算控制模块对经过滤波、整形、放大运算处理后的电压信号进行采样运算，而非对原始电压信号直接进行采样运算，因此采样速度和采样精度更高，测量激光输出功率的速度更快，实时性更强。

49、本发明的一种快速实时测量激光输出功率的方法，将激光输出功率测量数据通过大数据拟合算法发现其线性度较高，使用协方差和最小的原则，可使激光输出功率测量数据更接近于真实值，测量准确；该方法中平均值的计算减少了数据突变和外部因素影响，提高了测量精度；同时由于方法中浮点运算和乘除运用较少，占用内存较小，故适应范围极广，对程序运算速度影响小，可实现快速反应，减少客户等待时间。同时本发明还具有易于组装和调试、不易受外界因素影响、计算简单的优点。