專利名稱：CO₂激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種C02激光加工系統(tǒng)光路中的鏡片溫度檢測系統(tǒng)，特別是涉 及一種大功率C02激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系統(tǒng)。
背景技術：
激光是二十世紀自然科學的重大發(fā)明之一。自從1960年世界上第一臺激 光器誕生以來，在近五十年里，激光科學技術以其獨有的特性和強大的生命 力在國防、科技、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、日常生活等幾乎所有領域得到了迅速 發(fā)展和廣泛應用。激光器的研制一方面朝著多種類激光器方向發(fā)展，例如從最初紅寶石激 光器(Rugby Laser)、氦-氖激光器(He-Ne Laser)發(fā)展到現(xiàn)在的半導體激光器 (Diode Laser) 、 二氧化碳激光器(C02 Laser)、氬離子激光器(Argon Ion Laser)、釹鋁石榴石激光器(Nd: YAG Laser)、染料激光器(Dye Laser)、準 分子激光器(Tunalbe Laser)等等；另 一方面朝著大功率方向發(fā)展，例如二氧 化碳激光器從最初輸出幾十瓦功率的玻璃管、封離管結構發(fā)展到現(xiàn)在的可輸 出幾百瓦以至于幾千瓦功率的橫向、縱向流動式結構，而目前正在研究的快 速軸流式結構的二氧化碳激光器輸出功率可達上萬瓦。隨著大功率C02激光器的產(chǎn)生、發(fā)展和應用，激光光路中鏡片的性能、工 作狀況以及使用壽命的問題越來越顯得突出并急待解決。C02激光器激光光路 中的鏡片按組成材料分主要分為純銅鏡、鉬鏡、硅鏡、銅基鍍金、銀、鎳、鉻、鉬鏡、鍺(Ge)晶體鏡、硒化鋅(ZnSe)晶體鏡、砷化鎵(GaAs)晶體鏡等； 按應用功能分主要分為諧振腔中的后反射鏡、輸出鏡，光路中的各級反射鏡、 聚焦透鏡、反射聚焦鏡等。所有這些鏡片均需要水冷卻。影響鏡片工作狀況及使用壽命的主要原因是鏡片的污染。鏡片受到污染 后，表面的透過率或者反射率明顯降低，而鏡片的吸收率則明顯升高，這將 影響到激光器的輸出功率和穩(wěn)定性。輕者導致激光輸出功率降低，重者導致 鏡片受熱嚴重變形直至燒毀。

發(fā)明內容
為了解決上述激光器鏡片因受到污染而導致激光輸出功率和穩(wěn)定性降低 甚至導致鏡片燒毀的問題，本發(fā)明提供一種大功率0)2激光器光路鏡片溫度檢 測及溫差超限報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器后反射鏡組件(1)、激光器諧振 腔(2)、激光器輸出鏡組件(3)、第一級直角反射鏡組件(5)、反射聚焦鏡 組件(6)、第二級直角反射鏡組件(7)以及它們之間的電連接，該系統(tǒng)還包 括信號處理組件(8),所述信號處理組件(8)主要由計算機溫度檢測及溫差 超限報警模塊(16 )、 ADAM-4520模塊(17 )及AD掘-4018模塊(18 )以及一 組熱電偶組件(11)構成；所述計算機溫度檢測及溫差超限4艮警模塊(16) 通過熱電偶組件(11)與各鏡片組件電連接；并將熱電偶組件(11)采集到 的水溫信號經(jīng)過ADAM-4018模塊(18)進行模擬/數(shù)字信號轉換后，再經(jīng)過 AD細-4S20模塊(17)進行RS-323/RS-485信號轉換，然后通過串口通信線纜 傳入計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)中，數(shù)據(jù)在計算機溫度檢測 及溫差超限報警模塊(16)中進行計算和處理，并將各個鏡片組件上的水溫 信號實時顯示在顯示器上，當溫差超限時報警。所述計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)是通過如下具體步驟實現(xiàn)的(l)溫差區(qū)間的標定，確定輸入、輸出冷卻水溫差的上限，即溫差超過 上限值時報警；(2 )鏡片污染信號提取，用熱電偶組件從鏡片冷卻水的入口和出口采集 溫度信號，從入口和出口溫度差變化情況中提取鏡片污染信號；(3 )鏡片污染信號傳輸，采用串口通信方式進行鏡片污染信號的傳輸； (4 )鏡片污染信號識別及報警，鏡片污染信號識別及報警采用計算機程 序控制，并對各路冷卻水溫度進行實時采集及顯示，對冷卻水溫差進行實時 計算及顯示，對冷卻水溫差超限進行聲音報警以及對采集數(shù)據(jù)進行存貯、分 析。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果為1. 本發(fā)明可以實現(xiàn)實時、迅速、準確地檢測出激光器光路系統(tǒng)中所有 鏡片的工作狀況，并且可及時、準確地進行鏡片污染指示及報警。2. 本發(fā)明由于實時檢測各級鏡片的工作狀態(tài)，可及時發(fā)現(xiàn)并處理受到 污染的鏡片，改善鏡片工作狀況從而提高其使用壽命。3. 本發(fā)明通過檢測激光光路鏡片輸入、輸出冷卻水溫差來判斷激光光 路鏡片吸收率變化情況，間接檢測鏡片的污染程度。此方法原理清晰、技術 簡化，非常適合在工程實踐中進行現(xiàn)場應用。4. 本發(fā)明采用熱電偶進行水溫檢測，靈敏度高、技術成熟、工作可靠、 性能穩(wěn)定，適合長時間連續(xù)檢測。5. 本發(fā)明采用ADAM-4018和ADAM-4520工業(yè)應用級商業(yè)模塊進行數(shù)據(jù) 處理，可靠性高、性能穩(wěn)定。6. 本發(fā)明采用串口通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，軟件開發(fā)簡單、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、抗干擾能力強、可靠性高。7. 本發(fā)明采用操作方便、界面友好、性能穩(wěn)定的計算積4呈序進行數(shù)據(jù) 的計算和視圖報警提示及聲音報警提示，方便用戶操作、便于系統(tǒng)的集成與 控制。


圖1本發(fā)明的結構示意圖；圖2為圖1中的第一級直角反射鏡組件結構示意圖；圖3為圖1中信號處理組件結構示意圖；圖4為圖1中熱電偶組件結構示意圖；圖5為圖3中溫度檢測及溫差超限報警模塊中的用戶界面；圖6本發(fā)明動態(tài)結構示意圖。
具體實施方式
參看圖1-圖6,本發(fā)明的C(U敫光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器后反射鏡組件1、激光器諧振腔2、激光器輸出鏡組件 3、第一級直角反射鏡組件5、反射聚焦鏡組件6、第二級直角反射鏡組件7 以及它們之間的電連接，該系統(tǒng)還包括信號處理組件8,所述信號處理組件8 主要由計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊16、 ADAM-4520模塊17及 MUM-4018模塊18以及一組熱電偶組件11構成；所述計算機溫度檢測及溫差 超限報警模塊16通過熱電偶組件11與各鏡片組件電連接；并將熱電偶組件 11采集到的水溫信號經(jīng)過ADAM-4018模塊18進行模擬/數(shù)字信號轉換后，再 經(jīng)過ADAM-4520模塊17進行RS-323/RS-485信號轉換，然后通過串口通信線 纜傳入計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊16中，數(shù)據(jù)在計算機溫度檢測及 溫差超限報警模塊16中進行計算和處理，并將各個鏡片組件上的水溫信號實時顯示在顯示器上，當溫差超限時報警。所述各鏡片組件包括激光器后反射鏡組件l、激光器輸出鏡組件3、第一級直角反射鏡組件5、第二級直角反射鏡組件7和反射聚焦鏡組件6。所述熱電偶組件11的組成結構主要為通過三通體21和置于其相應的兩端口的冷卻水輸入口快插管接頭20和冷卻水輸出口快插管接頭24與管路連接，熱電偶19的頂端從三通體21的另一端口伸入水腔中，通過密封橡膠圈22、調節(jié)螺母23密封固定。所述計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊16是通過如下具體步驟實現(xiàn)的(l)溫差區(qū)間的標定，確定輸入、輸出冷卻水溫差的上限，即溫差超過 上限值時報警；(2 )鏡片污染信號提取，用熱電偶組件從鏡片冷卻水的入口和出口采集 溫度信號，從入口和出口溫度差變化情況中提取鏡片污染信號；(3)鏡片污染信號傳輸，采用串口通信方式進行鏡片污染信號的傳輸； (4 )鏡片污染信號識別及報警，鏡片污染信號識別及報警采用計算機程 序控制，并對各路冷卻水溫度進行實時采集及顯示，對冷卻水溫差進行實時 計算及顯示，對冷卻水溫差超限進行聲音報警以及對采集數(shù)據(jù)進行存貯、分 析。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
參看圖6,本發(fā)明的大功率C02激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警 系統(tǒng)結構主要包括激光器后反射鏡組件l、激光器諧振腔2、激光器輸出鏡組 件3、第一級直角反射鏡組件5、反射聚焦鏡組件6、第二級直角反射鏡組件 7、信號處理組件8以及它們之間的電連接。激光束4在激光器諧振腔2中的激光器后反射鏡組件1和激光器輸出鏡組件3之間經(jīng)過受激輻射放大后，由激光器輸出鏡組件3輸出，經(jīng)過第一級直角反射鏡組件5、第二級直角反射鏡 組件7反射后，經(jīng)過.良射聚焦鏡組件6聚焦在加工表面上。激光器后反射鏡 組件l、激光器輸出鏡組件3、第一級直角反射^:組件5、第二級直角反射鏡 組件7和反射聚焦鏡組件6的溫度信號經(jīng)過信號處理組件8處理后，實現(xiàn)激 光器光路鏡片溫度的實時檢測和溫差超限報警。參看圖2,以第一級直角反射鏡組件5為例，其主要結構包括冷卻水輸出 口 9、冷卻水輸入口 10、熱電偶組件11、鏡體冷卻水腔12和鏡面14。入射 激光束15照射到鏡面14上之后， 一方面反射形成反射激光束13,另一方面 部分激光能量被鏡面14吸收，加熱冷卻水腔12中的冷卻水。冷卻水由冷卻 水輸入口 10流入，經(jīng)過冷卻水輸入口 10處的熱電偶組件11時采集到冷卻水 輸入口10處的水溫；經(jīng)過鏡體冷卻水腔12后被鏡面14吸收的能量加熱，從 冷卻水輸出口 9流出；冷卻水輸出口 9處的熱電偶組件11采集到冷卻水輸出 口 9處的水溫。參看圖3，圖1中信號處理組件8的組成結構主要包括計算機溫度檢測及 溫差超限報警模塊16、 ADAM-4520模塊17、 ADAM-4018模塊18。熱電偶19采 集到的水溫信號經(jīng)過ADAM-4018模塊18進行模/數(shù)轉換后，再經(jīng)過ADAM-4520 模塊17進行RS-323/RS-485信號轉換，然后通過串口通信線纜傳入計算機溫 度檢測及溫差超限報警模塊16中，數(shù)據(jù)在計算機溫度檢測及溫差超限報警模 塊16中進行計算和處理，將各個鏡片組件上的水溫信號實時顯示在計算機溫 度檢測及溫差超限報警模塊16的顯示器上。參看圖4,圖2中熱電偶組件11的組成結構主要包括冷卻水輸入口快插 管接頭20、三通體21、熱電偶19、密封橡膠圈22、調節(jié)螺母23和冷卻水輸出口快插管接頭24。冷卻水從冷卻水輸入口快插管接頭20流入，在三通體21的水腔中沖刷熱電偶19的頂端，再從冷卻水輸出口快插管接頭24流出。 熱電偶19將冷卻水的溫度轉變成電勢信號傳輸出去。密封橡膠圈22經(jīng)過調 節(jié)螺母23預緊后可以與熱電偶19緊密相連， 一方面可以起到迅速密封作用， 另 一方面可以對熱電偶19頂端在三通體21中的伸入量進行微量調節(jié)。參看圖5,圖3中計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊16的溫度檢測及 溫差超限報警界面包括溫度采集控制區(qū)、溫度數(shù)值顯示區(qū)、溫度超限視圖報 警區(qū)和溫度曲線視圖顯示區(qū)。溫度數(shù)據(jù)的記錄、保存、顯示設置以及串口的 啟動、關閉等控制功能均集中排布在溫度采集控制區(qū)內。溫度數(shù)據(jù)的實時數(shù) 值顯示、熱電偶的選擇集中排布在溫度數(shù)值顯示區(qū)內。溫度超限視圖報警區(qū) 采用不同顏色的視圖標識溫度狀況。溫度曲線視圖顯示區(qū)可直觀地、實時動 態(tài)地顯示各個熱電偶的溫度狀況以及各個鏡片組件的溫差狀況。工作原理通過安裝在各光路鏡片組件的輸出和輸入冷卻水上的熱電偶組件11,與 信號處理組件8中的ADAM-4520模塊17、 ADAM-4018模塊18及計算機溫度檢 測及溫差超限報警模塊16電連接；通過熱電偶組件11采集的水溫信號經(jīng)過 ADAM-4018模塊18進行模擬/數(shù)字信號轉換后，再經(jīng)過ADAM-4520模塊17進 行RS-323/RS-485信號轉換，然后通過串口通信線纜傳入計算機溫度^r測及 溫差超限報警模塊16中，根據(jù)預先標定的溫差值來判斷激光光路鏡片吸收率 變化情況，間接檢測鏡片的污染程度，實現(xiàn)激光器光路鏡片溫度的實時檢測 和溫差超限報警。實施例(1)溫差區(qū)間的標定；標定溫差區(qū)間是為了確定輸入、輸出冷卻水溫差的上限，即溫差超過多 少值時報警。溫差區(qū)間的標定與鏡片污染容忍程度、激光輸出功率、冷卻水 流量等因素相關，需要通過試驗分析來確定。(2) 鏡片污染信號提取，采用熱電偶從鏡片冷卻水的入/出口，采集到 的溫度差變化情況中提取鏡片污染信號；由于鏡片受到污染后對激光的吸收率顯著增加，因而造成鏡片組件溫度 升高，進而使輸出的冷卻水溫度升高。設輸入的冷卻水溫度為T八，輸出的冷 卻水溫度為T a，則輸入與輸出的冷卻水溫差AT-T rT人。設鏡片吸收激光 的熱量為Q，由于冷卻水的比熱容c^4. 2xl03(J/Kg 。C)為恒值，單位時間 內流過冷卻腔的冷卻水質量m(Kg)也為恒值，則^4居物理熱量^^式Q-c .m △ T可知，鏡片吸收激光的熱量與輸入、輸出冷卻水溫差成正比H叚設鏡片吸收 激光的熱量全部被冷卻水吸收)。溫差越大，鏡片吸收熱量越多，說明鏡片污 染程度越重。根據(jù)這一原理，鏡片污染程度信號可以采用熱電偶從鏡片冷卻 水的溫度差變化情況中提取。(3) 鏡片污染信號傳輸，采用串口通信方式進行鏡片污染信號的傳輸； 由于激光器設備龐大、鏡片數(shù)目較多且分布分散，因此采用開發(fā)簡單、傳輸距離較遠的串口通信方式進行鏡片污染信號的傳輸。其技術方案的實現(xiàn)方法是采用臺灣研華公司生產(chǎn)的ADAM-4018模塊進行熱電偶信號的釆集及模/數(shù)轉換，釆用ADAM-4520模塊進行RS-323/RS-485信號轉換和傳輸。每個模塊可同時采集8支熱電偶信號，每塊鏡片需2支熱電偶，根據(jù)鏡片數(shù)目配備模塊的數(shù)目。(4 )鏡片污染信號檢測及報警；鏡片污染信號檢測及報警采用計算機通過程序來完成。計算機程序具備如下功能各路冷卻水溫度的實時采集及顯示、冷卻水溫差的實時計算及顯 示、冷卻水溫差超限聲音報警、釆集數(shù)據(jù)的存貯以及方便、友好的操作界面。 本發(fā)明技術指標參考1. 溫度4全測區(qū)間0°C-100°C。冷卻水溫低于0。C的凝固與高于IO(TC的 沸騰均設置極限水溫報警。2. 溫度檢測頻率范圍0. 1秒/次-60秒/次。根據(jù)要求可以在頻率范圍 內任意調節(jié)。3. 溫度檢測精度溫度檢測精度主要取決于所選取的熱電偶的精度性 能。本發(fā)明中采用K型、鎧裝、銅-銅鎳熱電偶，溫度檢測精度高于士O. 5°C。4. 連續(xù)工作時間大于24小時。溫度數(shù)據(jù)在計算機內存中采用鏈表的 數(shù)據(jù)結構形式進行記錄。該數(shù)據(jù)結構節(jié)約內存，提高連續(xù)工作時間；方便管 理、便于搜索，容易實現(xiàn)各種顯示功能。
權利要求
1、CO2激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器后反射鏡組件(1)、激光器諧振腔(2)、激光器輸出鏡組件(3)、第一級直角反射鏡組件(5)、反射聚焦鏡組件(6)、第二級直角反射鏡組件(7)以及它們之間的電連接，其特征在于還包括信號處理組件(8)，所述信號處理組件(8)主要由計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)、ADAM-4520模塊(17)及ADAM-4018模塊(18)以及一組熱電偶組件(11)構成；所述計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)通過熱電偶組件(11)與各鏡片組件電連接；并將熱電偶組件(11)采集到的水溫信號經(jīng)過ADAM-4018模塊(18)進行模擬/數(shù)字信號轉換后，再經(jīng)過ADAM-4520模塊(17)進行RS-323/RS-485信號轉換，然后通過串口通信線纜傳入計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)中，數(shù)據(jù)在計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)中進行計算和處理，并將各個鏡片組件上的水溫信號實時顯示在顯示器上，當溫差超限時報警。
2、 根據(jù)權利要求1所述的C02激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警 系統(tǒng)，其特征在于'.所述各鏡片組件包括激光器后反射鏡組件(1)、激光器 輸出鏡組件(3)、第一級直角反射鏡組件(5)、第二級直角反射鏡組件(7) 和反射聚焦鏡組件(6 )。
3、 根據(jù)權利要求1所迷的C02激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警 系統(tǒng)，其特征在于所述熱電偶組件(11)的組成結構主要為通過三通體(21) 和置于其相應的兩端口的冷卻水輸入口快插管接頭(20)和冷卻水輸出口快 插管接頭(24)與管路連接，熱電偶(19)的頂端從三通體(21)的另一端口伸入水腔中，通過密封橡膠圈(22)、調節(jié)螺母(23)密封固定。
4、根據(jù)權利要求1所述的C02激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系統(tǒng)，其特征在于所述計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊(16)是通過 如下具體步驟實現(xiàn)的(l)溫差區(qū)間的標定，確定輸入、輸出冷卻水溫差的上限，即溫差超過 上限值時報警；(2 )鏡片污染信號提取，用熱電偶組件從鏡片冷卻水的入口和出口采集 溫度信號，從入口和出口溫度差變化情況中提取鏡片污染信號；(3 )鏡片污染信號傳輸，采用串口通信方式進行鏡片污染信號的傳輸； (4)鏡片污染信號識別及報警，鏡片污染信號識別及報警釆用計算機程 序控制，并對各路冷卻水溫度進行實時采集及顯示，對冷卻水溫差進行實時 計算及顯示，對冷卻水溫差超限進行聲音報警以及對采集數(shù)據(jù)進行存貯、分 析。
全文摘要
為解決激光器鏡片受污染導致激光輸出功率和穩(wěn)定性降低或導致鏡片燒毀等問題，而提供了CO₂激光器光路鏡片溫度檢測及溫差超限報警系統(tǒng)，它由信號處理組件中的計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊、ADAM-4520模塊、ADAM-4018模塊及一組熱電偶組件與激光器的各鏡片組件電連接構成；通過串口通信線纜將采集的溫度信號傳入計算機溫度檢測及溫差超限報警模塊中進行計算和處理，并將各個鏡片組件上的水溫信號實時顯示在顯示器上，當溫差超限時聲音報警。效果能實時、迅速、準確地檢測出激光器光路系統(tǒng)中各鏡片的工作狀況，并可及時、準確地進行鏡片污染報警。改善了鏡片工作狀況，提高其使用壽命。性能穩(wěn)定，適合長時間連續(xù)檢測。數(shù)據(jù)傳輸距離遠、抗干擾能力強、可靠性高。操作方便、界面友好、便于系統(tǒng)的集成與控制。
文檔編號G08C19/00GK101241041SQ200810010578
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者麗 回, 尚曉峰, 維 王 申請人:沈陽航空工業(yè)學院