CO₂激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统的制作方法

专利名称：CO₂激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种C02激光加工系统光路中的镜片温度检测系统，特别是涉 及一种大功率C02激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统。
背景技术：
激光是二十世纪自然科学的重大发明之一。自从1960年世界上第一台激 光器诞生以来，在近五十年里，激光科学技术以其独有的特性和强大的生命 力在国防、科技、工业、农业、医学、日常生活等几乎所有领域得到了迅速 发展和广泛应用。激光器的研制一方面朝着多种类激光器方向发展，例如从最初红宝石激 光器(Rugby Laser)、氦-氖激光器(He-Ne Laser)发展到现在的半导体激光器 (Diode Laser) 、 二氧化碳激光器(C02 Laser)、氩离子激光器(Argon Ion Laser)、钕铝石榴石激光器(Nd: YAG Laser)、染料激光器(Dye Laser)、准 分子激光器(Tunalbe Laser)等等；另 一方面朝着大功率方向发展，例如二氧 化碳激光器从最初输出几十瓦功率的玻璃管、封离管结构发展到现在的可输 出几百瓦以至于几千瓦功率的横向、纵向流动式结构，而目前正在研究的快 速轴流式结构的二氧化碳激光器输出功率可达上万瓦。随着大功率C02激光器的产生、发展和应用，激光光路中镜片的性能、工 作状况以及使用寿命的问题越来越显得突出并急待解决。C02激光器激光光路 中的镜片按组成材料分主要分为纯铜镜、钼镜、硅镜、铜基镀金、银、镍、铬、钼镜、锗(Ge)晶体镜、硒化锌(ZnSe)晶体镜、砷化镓(GaAs)晶体镜等； 按应用功能分主要分为谐振腔中的后反射镜、输出镜，光路中的各级反射镜、 聚焦透镜、反射聚焦镜等。所有这些镜片均需要水冷却。影响镜片工作状况及使用寿命的主要原因是镜片的污染。镜片受到污染 后，表面的透过率或者反射率明显降低，而镜片的吸收率则明显升高，这将 影响到激光器的输出功率和稳定性。轻者导致激光输出功率降低，重者导致 镜片受热严重变形直至烧毁。

发明内容
为了解决上述激光器镜片因受到污染而导致激光输出功率和稳定性降低 甚至导致镜片烧毁的问题，本发明提供一种大功率0)2激光器光路镜片温度检 测及温差超限报警系统，该系统包括激光器后反射镜组件(1)、激光器谐振 腔(2)、激光器输出镜组件(3)、第一级直角反射镜组件(5)、反射聚焦镜 组件(6)、第二级直角反射镜组件(7)以及它们之间的电连接，该系统还包 括信号处理组件(8),所述信号处理组件(8)主要由计算机温度检测及温差 超限报警模块(16 )、 ADAM-4520模块(17 )及AD掘-4018模块(18 )以及一 组热电偶组件(11)构成；所述计算机温度检测及温差超限4艮警模块(16) 通过热电偶组件(11)与各镜片组件电连接；并将热电偶组件(11)采集到 的水温信号经过ADAM-4018模块(18)进行模拟/数字信号转换后，再经过 AD細-4S20模块(17)进行RS-323/RS-485信号转换，然后通过串口通信线缆 传入计算机温度检测及温差超限报警模块(16)中，数据在计算机温度检测 及温差超限报警模块(16)中进行计算和处理，并将各个镜片组件上的水温 信号实时显示在显示器上，当温差超限时报警。所述计算机温度检测及温差超限报警模块(16)是通过如下具体步骤实现的(l)温差区间的标定，确定输入、输出冷却水温差的上限，即温差超过 上限值时报警；(2 )镜片污染信号提取，用热电偶组件从镜片冷却水的入口和出口采集 温度信号，从入口和出口温度差变化情况中提取镜片污染信号；(3 )镜片污染信号传输，采用串口通信方式进行镜片污染信号的传输； (4 )镜片污染信号识别及报警，镜片污染信号识别及报警采用计算机程 序控制，并对各路冷却水温度进行实时采集及显示，对冷却水温差进行实时 计算及显示，对冷却水温差超限进行声音报警以及对采集数据进行存贮、分 析。本发明的优点及有益效果为1. 本发明可以实现实时、迅速、准确地检测出激光器光路系统中所有 镜片的工作状况，并且可及时、准确地进行镜片污染指示及报警。2. 本发明由于实时检测各级镜片的工作状态，可及时发现并处理受到 污染的镜片，改善镜片工作状况从而提高其使用寿命。3. 本发明通过检测激光光路镜片输入、输出冷却水温差来判断激光光 路镜片吸收率变化情况，间接检测镜片的污染程度。此方法原理清晰、技术 简化，非常适合在工程实践中进行现场应用。4. 本发明采用热电偶进行水温检测，灵敏度高、技术成熟、工作可靠、 性能稳定，适合长时间连续检测。5. 本发明采用ADAM-4018和ADAM-4520工业应用级商业模块进行数据 处理，可靠性高、性能稳定。6. 本发明采用串口通信方式进行数据传输，软件开发简单、数据传输距离远、抗干扰能力强、可靠性高。7. 本发明采用操作方便、界面友好、性能稳定的计算积4呈序进行数据 的计算和视图报警提示及声音报警提示，方便用户操作、便于系统的集成与 控制。


图1本发明的结构示意图；图2为图1中的第一级直角反射镜组件结构示意图；图3为图1中信号处理组件结构示意图；图4为图1中热电偶组件结构示意图；图5为图3中温度检测及温差超限报警模块中的用户界面；图6本发明动态结构示意图。
具体实施方式
参看图1-图6,本发明的C(U敫光器光路镜片温度检测及温差超限报警系 统，该系统包括激光器后反射镜组件1、激光器谐振腔2、激光器输出镜组件 3、第一级直角反射镜组件5、反射聚焦镜组件6、第二级直角反射镜组件7 以及它们之间的电连接，该系统还包括信号处理组件8,所述信号处理组件8 主要由计算机温度检测及温差超限报警模块16、 ADAM-4520模块17及 MUM-4018模块18以及一组热电偶组件11构成；所述计算机温度检测及温差 超限报警模块16通过热电偶組件11与各镜片组件电连接；并将热电偶组件 11采集到的水温信号经过ADAM-4018模块18进行模拟/数字信号转换后，再 经过ADAM-4520模块17进行RS-323/RS-485信号转换，然后通过串口通信线 缆传入计算机温度检测及温差超限报警模块16中，数据在计算机温度检测及 温差超限报警模块16中进行计算和处理，并将各个镜片组件上的水温信号实时显示在显示器上，当温差超限时报警。所述各镜片组件包括激光器后反射镜组件l、激光器输出镜组件3、第一级直角反射镜组件5、第二级直角反射镜组件7和反射聚焦镜组件6。所述热电偶组件11的组成结构主要为通过三通体21和置于其相应的两端口的冷却水输入口快插管接头20和冷却水输出口快插管接头24与管路连接，热电偶19的顶端从三通体21的另一端口伸入水腔中，通过密封橡胶圈22、调节螺母23密封固定。所述计算机温度检测及温差超限报警模块16是通过如下具体步骤实现的(l)温差区间的标定，确定输入、输出冷却水温差的上限，即温差超过 上限值时报警；(2 )镜片污染信号提取，用热电偶组件从镜片冷却水的入口和出口采集 温度信号，从入口和出口温度差变化情况中提取镜片污染信号；(3)镜片污染信号传输，采用串口通信方式进行镜片污染信号的传输； (4 )镜片污染信号识别及报警，镜片污染信号识别及报警采用计算机程 序控制，并对各路冷却水温度进行实时采集及显示，对冷却水温差进行实时 计算及显示，对冷却水温差超限进行声音报警以及对采集数据进行存贮、分 析。下面结合附图对本发明作进一步详述。
参看图6,本发明的大功率C02激光器光路镜片温度检测及温差超限报警 系统结构主要包括激光器后反射镜组件l、激光器谐振腔2、激光器输出镜组 件3、第一级直角反射镜组件5、反射聚焦镜组件6、第二级直角反射镜组件 7、信号处理组件8以及它们之间的电连接。激光束4在激光器谐振腔2中的激光器后反射镜组件1和激光器输出镜组件3之间经过受激辐射放大后，由激光器输出镜组件3输出，经过第一级直角反射镜组件5、第二级直角反射镜 组件7反射后，经过.良射聚焦镜组件6聚焦在加工表面上。激光器后反射镜 组件l、激光器输出镜组件3、第一级直角反射^:组件5、第二级直角反射镜 组件7和反射聚焦镜组件6的温度信号经过信号处理组件8处理后，实现激 光器光路镜片温度的实时检测和温差超限报警。参看图2,以第一级直角反射镜组件5为例，其主要结构包括冷却水输出 口 9、冷却水输入口 10、热电偶组件11、镜体冷却水腔12和镜面14。入射 激光束15照射到镜面14上之后， 一方面反射形成反射激光束13,另一方面 部分激光能量被镜面14吸收，加热冷却水腔12中的冷却水。冷却水由冷却 水输入口 10流入，经过冷却水输入口 10处的热电偶组件11时采集到冷却水 输入口10处的水温；经过镜体冷却水腔12后被镜面14吸收的能量加热，从 冷却水输出口 9流出；冷却水输出口 9处的热电偶组件11采集到冷却水输出 口 9处的水温。参看图3，图1中信号处理组件8的组成结构主要包括计算机温度检测及 温差超限报警模块16、 ADAM-4520模块17、 ADAM-4018模块18。热电偶19采 集到的水温信号经过ADAM-4018模块18进行模/数转换后，再经过ADAM-4520 模块17进行RS-323/RS-485信号转换，然后通过串口通信线缆传入计算机温 度检测及温差超限报警模块16中，数据在计算机温度检测及温差超限报警模 块16中进行计算和处理，将各个镜片组件上的水温信号实时显示在计算机温 度检测及温差超限报警模块16的显示器上。参看图4,图2中热电偶组件11的组成结构主要包括冷却水输入口快插 管接头20、三通体21、热电偶19、密封橡胶圈22、调节螺母23和冷却水输出口快插管接头24。冷却水从冷却水输入口快插管接头20流入，在三通体21的水腔中冲刷热电偶19的顶端，再从冷却水输出口快插管接头24流出。 热电偶19将冷却水的温度转变成电势信号传输出去。密封橡胶圈22经过调 节螺母23预紧后可以与热电偶19紧密相连， 一方面可以起到迅速密封作用， 另 一方面可以对热电偶19顶端在三通体21中的伸入量进行微量调节。参看图5,图3中计算机温度检测及温差超限报警模块16的温度检测及 温差超限报警界面包括温度采集控制区、温度数值显示区、温度超限视图报 警区和温度曲线视图显示区。温度数据的记录、保存、显示设置以及串口的 启动、关闭等控制功能均集中排布在温度采集控制区内。温度数据的实时数 值显示、热电偶的选择集中排布在温度数值显示区内。温度超限视图报警区 采用不同颜色的视图标识温度状况。温度曲线视图显示区可直观地、实时动 态地显示各个热电偶的温度状况以及各个镜片组件的温差状况。工作原理通过安装在各光路镜片组件的输出和输入冷却水上的热电偶组件11,与 信号处理組件8中的ADAM-4520模块17、 ADAM-4018模块18及计算机温度检 测及温差超限报警模块16电连接；通过热电偶组件11采集的水温信号经过 ADAM-4018模块18进行模拟/数字信号转换后，再经过ADAM-4520模块17进 行RS-323/RS-485信号转换，然后通过串口通信线缆传入计算机温度^r测及 温差超限报警模块16中，根据预先标定的温差值来判断激光光路镜片吸收率 变化情况，间接检测镜片的污染程度，实现激光器光路镜片温度的实时检测 和温差超限报警。实施例(1)温差区间的标定；标定温差区间是为了确定输入、输出冷却水温差的上限，即温差超过多 少值时报警。温差区间的标定与镜片污染容忍程度、激光输出功率、冷却水 流量等因素相关，需要通过试验分析来确定。(2) 镜片污染信号提取，采用热电偶从镜片冷却水的入/出口，采集到 的温度差变化情况中提取镜片污染信号；由于镜片受到污染后对激光的吸收率显著增加，因而造成镜片组件温度 升高，进而使输出的冷却水温度升高。设输入的冷却水温度为T八，输出的冷 却水温度为T a，则输入与输出的冷却水温差AT-T rT人。设镜片吸收激光 的热量为Q，由于冷却水的比热容c^4. 2xl03(J/Kg 。C)为恒值，单位时间 内流过冷却腔的冷却水质量m(Kg)也为恒值，则^4居物理热量^^式Q-c .m △ T可知，镜片吸收激光的热量与输入、输出冷却水温差成正比H叚设镜片吸收 激光的热量全部被冷却水吸收)。温差越大，镜片吸收热量越多，说明镜片污 染程度越重。根据这一原理，镜片污染程度信号可以采用热电偶从镜片冷却 水的温度差变化情况中提取。(3) 镜片污染信号传输，采用串口通信方式进行镜片污染信号的传输； 由于激光器设备庞大、镜片数目较多且分布分散，因此采用开发简单、传输距离较远的串口通信方式进行镜片污染信号的传输。其技术方案的实现方法是采用台湾研华公司生产的ADAM-4018模块进行热电偶信号的釆集及模/数转换，釆用ADAM-4520模块进行RS-323/RS-485信号转换和传输。每个模块可同时采集8支热电偶信号，每块镜片需2支热电偶，根据镜片数目配备模块的数目。(4 )镜片污染信号检测及报警；镜片污染信号检测及报警采用计算机通过程序来完成。计算机程序具备如下功能各路冷却水温度的实时采集及显示、冷却水温差的实时计算及显 示、冷却水温差超限声音报警、釆集数据的存贮以及方便、友好的操作界面。 本发明技术指标参考1. 温度4全测区间0°C-100°C。冷却水温低于0。C的凝固与高于IO(TC的 沸腾均设置极限水温报警。2. 温度检测频率范围0. 1秒/次-60秒/次。根据要求可以在频率范围 内任意调节。3. 温度检测精度温度检测精度主要取决于所选取的热电偶的精度性 能。本发明中采用K型、铠装、铜-铜镍热电偶，温度检测精度高于士O. 5°C。4. 连续工作时间大于24小时。温度数据在计算机内存中采用链表的 数据结构形式进行记录。该数据结构节约内存，提高连续工作时间；方便管 理、便于搜索，容易实现各种显示功能。
权利要求
1、CO2激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统，该系统包括激光器后反射镜组件(1)、激光器谐振腔(2)、激光器输出镜组件(3)、第一级直角反射镜组件(5)、反射聚焦镜组件(6)、第二级直角反射镜组件(7)以及它们之间的电连接，其特征在于还包括信号处理组件(8)，所述信号处理组件(8)主要由计算机温度检测及温差超限报警模块(16)、ADAM-4520模块(17)及ADAM-4018模块(18)以及一组热电偶组件(11)构成；所述计算机温度检测及温差超限报警模块(16)通过热电偶组件(11)与各镜片组件电连接；并将热电偶组件(11)采集到的水温信号经过ADAM-4018模块(18)进行模拟/数字信号转换后，再经过ADAM-4520模块(17)进行RS-323/RS-485信号转换，然后通过串口通信线缆传入计算机温度检测及温差超限报警模块(16)中，数据在计算机温度检测及温差超限报警模块(16)中进行计算和处理，并将各个镜片组件上的水温信号实时显示在显示器上，当温差超限时报警。
2、 根据权利要求1所述的C02激光器光路镜片温度检测及温差超限报警 系统，其特征在于'.所述各镜片组件包括激光器后反射镜组件(1)、激光器 输出镜组件(3)、第一级直角反射镜组件(5)、第二级直角反射镜组件(7) 和反射聚焦镜组件(6 )。
3、 根据权利要求1所迷的C02激光器光路镜片温度检测及温差超限报警 系统，其特征在于所述热电偶组件(11)的组成结构主要为通过三通体(21) 和置于其相应的两端口的冷却水输入口快插管接头(20)和冷却水输出口快 插管接头(24)与管路连接，热电偶(19)的顶端从三通体(21)的另一端口伸入水腔中，通过密封橡胶圈(22)、调节螺母(23)密封固定。
4、根据权利要求1所述的C02激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统，其特征在于所述计算机温度检测及温差超限报警模块(16)是通过 如下具体步骤实现的(l)温差区间的标定，确定输入、输出冷却水温差的上限，即温差超过 上限值时报警；(2 )镜片污染信号提取，用热电偶组件从镜片冷却水的入口和出口采集 温度信号，从入口和出口温度差变化情况中提取镜片污染信号；(3 )镜片污染信号传输，采用串口通信方式进行镜片污染信号的传输； (4)镜片污染信号识别及报警，镜片污染信号识别及报警釆用计算机程 序控制，并对各路冷却水温度进行实时采集及显示，对冷却水温差进行实时 计算及显示，对冷却水温差超限进行声音报警以及对采集数据进行存贮、分 析。
全文摘要
为解决激光器镜片受污染导致激光输出功率和稳定性降低或导致镜片烧毁等问题，而提供了CO₂激光器光路镜片温度检测及温差超限报警系统，它由信号处理组件中的计算机温度检测及温差超限报警模块、ADAM-4520模块、ADAM-4018模块及一组热电偶组件与激光器的各镜片组件电连接构成；通过串口通信线缆将采集的温度信号传入计算机温度检测及温差超限报警模块中进行计算和处理，并将各个镜片组件上的水温信号实时显示在显示器上，当温差超限时声音报警。效果能实时、迅速、准确地检测出激光器光路系统中各镜片的工作状况，并可及时、准确地进行镜片污染报警。改善了镜片工作状况，提高其使用寿命。性能稳定，适合长时间连续检测。数据传输距离远、抗干扰能力强、可靠性高。操作方便、界面友好、便于系统的集成与控制。
文档编号G08C19/00GK101241041SQ200810010578
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者丽 回, 尚晓峰, 维 王 申请人:沈阳航空工业学院