激光大功率探测器终值预测电路的设计与实现

童建平,林 强,杨 浩,汪 飞

(1.浙江工业大学 理学院,浙江 杭州 310023;2.杭州博源光电科技有限公司,浙江 杭州 311400)

激光功率测量方法分为光电型、热释电型、光辐射计型、体吸收型和流水式等[1-2]。最常用的激光探测器是光电型与体吸收型,光电型探测器适合小功率激光探测(<1 W),大功率激光探测器是体吸收型。半导体硅光电探测器采用半导体工艺制造,传感器的响应时间(0～95%)很短,例如美国OSI光电公司的半导体硅光电探测器典型的响应时间为10～250 ns[3],世界著名的瑞士greenTEG公司生产的激光探测器是体吸收型,利用热电堆来探测激光功率。热电堆的核心部件是热电偶,热电偶就是将两种不同的金属连接成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生温差电势,电势的大小正比于温差。如果热电偶一端用激光功率照射,电势的大小正比于吸收的激光功率值,从而可以进行激光功率测量[4]。瑞士的GreenTEG公司传感器为了提高响应时间(最快可以小于0.48 s[5]),牺牲了热电堆的功率损伤阈值与探测功率值(一般数十瓦)。大功率(数百瓦)的激光功率探测器也采用热电堆,其响应时间都比较长[6],以世界上著名的热电堆激光功率探测器制造商加拿大Gentec公司热电堆激光功率探测器为例,它的UD25-350-H12 350 W的功率传感器的响应时间也要达到约7.9 s(典型)[7]。因此,为了减少功率计的测量时间,特别是应用在闭环控制环节,必须设计终值预测电路,放置在功率传感器之后,对光电信号进行预处理,再进行分档放大与数模转换,可将约7.9 s的功率传感器的功率稳定时间缩短到4 s以内。

1 测量原理

1.1 动态测量过程热电偶时间常数模型的建立

热电偶利用热效应来测量激光功率[8]。由于质量与热惯性,利用激光加热材料,可以认为材料吸收的光能向热能转换是瞬时完成的,在加热瞬间热能仅局限于材料的激光辐照区,然后能量通过热传导方式向材料内部传递,产生一定的温度场分布,达到加热的目的[9-11]。利用激光可以适用于快速温度传感器的现场动态校准[12-15],其输出电压值与激光引起的温度变化有时间滞后,动态误差ΔT=Tg-T,由傅里叶导热定理可得出热电偶探头的热平衡方程为

(1)

式中:Tg为激光光功率引起的温度;T为热电偶接点的温度;τ为与热电偶结构、材料有关的时间常数。动态误差将取决于热电偶的时间常数和接点温度随时间的变化率,将式(1)变换为

(2)

在初始时间t=0时,假定热接点的温度等于热电偶的初始温度T=Tg,解式(2)的微分方程可得

随着时间的增长,热电偶的输出是一个指数上升过程,这一点与一个直流电压源通过一个电阻对电容充电过程类似,是一个电容对一个阶跃函数的零状态响应。

1.2 热电堆功率传感器时间常数测量与验证

测量系统中激光器采用了英国SPI公司的SP-10P-0101-000脉冲激光器(输出功率0～15 W可调,波长1 064 nm,重复频率20 kHz)作为加热热源来实现功率传感器的现场动态测量,设定输出功率5 W,光功率探测器为加拿大Gentec公司350 W热电堆激光功率探测器,光功率电流放大器为杭州博源光电科技有限公司的BIM-7001,采样频率1 kHz,50次平均低通滤波输出,输出频率20 Hz,其输出时间响应如图1所示。图1中:横轴已减去一个常量,以便于画图时从零开始;热电堆功率传感器的响应时间(0～95%)约7.0 s,其响应曲线与电容充电响应曲线类似。

图1 输出响应时间Fig.1 Response curve of output time

1.3 预测电路设计

由于热电偶测量光功率存在滞后效应,如果完全等热平衡再测量,测量稳定时间太长。如果应用于激光切割、激光焊接等对温度控制要求比较严的场合[16],或者需要激光功率反馈,这样长的稳定时间显然不行,因此需要预测电路进行修正,以尽可能减少激光功率的稳定测量时间。热电堆功率传感器响应与电容充电响应曲线类似,也就是说热电堆功率传感器的输出信号可以表示为

(3)

图2 终值预测电路Fig.2 Final value anticipation circuit

利用节点电压法列出方程组,同时利用运放的虚断、虚短,并假定R1=R2,R5≫R6可以导出

(4)

热电偶与放大电路构成系统的系统函数为

调整可调电阻R4的阻值,使得τ1=τ,则可得

可以说由于零极点的抵消,系统的频响扩大了1倍,与式(3)对应的频域表达式相比,时间常数由τ减少为τ/2,对应到时域,则功率传感器的响应时间可以减少1/2。

2 仿真结果与实验验证

2.1 仿真结果

将实际数据代入式(4),可得终值预测电路的系统函数为

根据图1测得的热电偶上升时间(0～95%),也就是激光功率4.75 W位置约为7.0 s,以电容充电响应曲线去模拟,就是3τ位置,实际测量充电时间常数τ(0～63%)为2.8 s。与预测电路共同组成的系统函数为

(5)

利用Matlab进行仿真计算,R4的阻值变化范围为0～10 kΩ。用0～10代入式(5),可以得到频率的欠补偿、临界补偿和过补偿3种情况的响应曲线。仿真计算转换到时域,3种情况对输入阶跃信号的响应曲线如图3～5所示。

图3 欠补偿的阶跃信号响应曲线(R4=0 kΩ)Fig.3 Response curve of step signal in under compensated state (R4=0 kΩ)

图4 临界补偿的阶跃信号响应曲线(R4=4 kΩ)Fig.4 Response curve of step signal in critical compensation state (R4=4 kΩ)

图5 过补偿的阶跃信号响应曲线(R4=8 kΩ)Fig.5 Response curve of step signal in over compensated state (R4=8 kΩ)

从图3～5可以看出:在欠补偿的情况下,上升时间(0～95%)为4.8 s;在临界补偿情况下,上升时间(0～95%)为3.5 s;在过补偿情况下,上升时间(0～95%)为5.5 s。对于一阶传感器的激光功率测量系统,可以通过零极点补偿方式来实现频率域的扩展,即串联一个补偿环节,重新调整极点的位置,消去原来不符合要求的极点以改善传感器的动态特性,从理论上讲,应用零极点补偿的动态补偿技术可任意展宽系统的工作频带。但在实际中,如果无限展宽频带会导致高频噪声放大,甚至会淹没测量信号,使测量无法进行。因此实际系统的动态补偿有一定的限度必须考虑噪声的影响或使噪声幅度在允许的范围内。实际进行补偿时,需要多次调整参数的值,以获取最佳补偿效果。显然从仿真结果可以推得临界补偿是最优的。

2.2 实验验证

将终值预测电路串接在加拿大Gentec公司350 W热电堆激光功率探测器之后,功率探测器采用铝外壳散热并强制风冷,用英国SPI公司的SP-10P-0101-000脉冲激光器发出5 W、波长1 064 nm、重复频率20 kHz的激光,激光功率预先用Ophir F150A-BB-26功率计校正。调整激光功率探测器的位置使激光照射在激光功率探测器中心点。用激光阻挡物间断阻挡激光,模拟阶跃响应,调整阻值,使得终值预测电路与350 W热电堆激光功率探测器参数相匹配,即处在临界补偿状态,以该方式测量激光功率探测器的响应,测量结果如图6所示,探测器的响应时间(0～95%)缩短到3.6 s左右,与理论值吻合,满足了大功率的激光功率测量要求。

图6 时间响应(有预测电路)Fig.6 Responsecurveof output time (anticipated)

3 结 论

由于功率传感器的热惯性,输出不能瞬时反映输入信号的变化,因而产生动态误差。可以在传感器的输出串联一个预测环节,修正功率传感器的频率响应,虽然不能变成一个理想的线性放大,频率延伸到无穷大,但是从另一个角度来说,加入一个惯性环节,时间常数能够减少,降低了功率传感器的响应时间,这样对传感器的修正也是值得的。根据这个研究思路,设计了实际电路,修正了加拿大Gentec公司UD25-350-H12 350 W热电堆激光功率探测器的响应时间。用5 W功率激光器测量验证(对于预测电路,已经可以说明问题,不需要大功率激光测试,大功率激光实际测试主要测试散热设计),与理论值吻合得相当好,功率传感器的响应时间从原来约7.0 s减少到3.6 s左右,基本满足了大功率的激光功率快速测量要求。