童建平,林 強(qiáng),楊 浩,汪 飛

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.杭州博源光電科技有限公司,浙江 杭州 311400)

激光功率測(cè)量方法分為光電型、熱釋電型、光輻射計(jì)型、體吸收型和流水式等[1-2]。最常用的激光探測(cè)器是光電型與體吸收型,光電型探測(cè)器適合小功率激光探測(cè)(<1 W),大功率激光探測(cè)器是體吸收型。半導(dǎo)體硅光電探測(cè)器采用半導(dǎo)體工藝制造,傳感器的響應(yīng)時(shí)間(0～95%)很短,例如美國(guó)OSI光電公司的半導(dǎo)體硅光電探測(cè)器典型的響應(yīng)時(shí)間為10～250 ns[3],世界著名的瑞士greenTEG公司生產(chǎn)的激光探測(cè)器是體吸收型,利用熱電堆來探測(cè)激光功率。熱電堆的核心部件是熱電偶,熱電偶就是將兩種不同的金屬連接成閉合回路,當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí),回路中將產(chǎn)生溫差電勢(shì),電勢(shì)的大小正比于溫差。如果熱電偶一端用激光功率照射,電勢(shì)的大小正比于吸收的激光功率值,從而可以進(jìn)行激光功率測(cè)量[4]。瑞士的GreenTEG公司傳感器為了提高響應(yīng)時(shí)間(最快可以小于0.48 s[5]),犧牲了熱電堆的功率損傷閾值與探測(cè)功率值(一般數(shù)十瓦)。大功率(數(shù)百瓦)的激光功率探測(cè)器也采用熱電堆,其響應(yīng)時(shí)間都比較長(zhǎng)[6],以世界上著名的熱電堆激光功率探測(cè)器制造商加拿大Gentec公司熱電堆激光功率探測(cè)器為例,它的UD25-350-H12 350 W的功率傳感器的響應(yīng)時(shí)間也要達(dá)到約7.9 s(典型)[7]。因此,為了減少功率計(jì)的測(cè)量時(shí)間,特別是應(yīng)用在閉環(huán)控制環(huán)節(jié),必須設(shè)計(jì)終值預(yù)測(cè)電路,放置在功率傳感器之后,對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,再進(jìn)行分檔放大與數(shù)模轉(zhuǎn)換,可將約7.9 s的功率傳感器的功率穩(wěn)定時(shí)間縮短到4 s以內(nèi)。

1 測(cè)量原理

1.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量過程熱電偶時(shí)間常數(shù)模型的建立

熱電偶利用熱效應(yīng)來測(cè)量激光功率[8]。由于質(zhì)量與熱慣性,利用激光加熱材料,可以認(rèn)為材料吸收的光能向熱能轉(zhuǎn)換是瞬時(shí)完成的,在加熱瞬間熱能僅局限于材料的激光輻照區(qū),然后能量通過熱傳導(dǎo)方式向材料內(nèi)部傳遞,產(chǎn)生一定的溫度場(chǎng)分布,達(dá)到加熱的目的[9-11]。利用激光可以適用于快速溫度傳感器的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[12-15],其輸出電壓值與激光引起的溫度變化有時(shí)間滯后,動(dòng)態(tài)誤差ΔT=Tg-T,由傅里葉導(dǎo)熱定理可得出熱電偶探頭的熱平衡方程為

(1)

式中:Tg為激光光功率引起的溫度;T為熱電偶接點(diǎn)的溫度;τ為與熱電偶結(jié)構(gòu)、材料有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。動(dòng)態(tài)誤差將取決于熱電偶的時(shí)間常數(shù)和接點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化率,將式(1)變換為

(2)

在初始時(shí)間t=0時(shí),假定熱接點(diǎn)的溫度等于熱電偶的初始溫度T=Tg,解式(2)的微分方程可得

隨著時(shí)間的增長(zhǎng),熱電偶的輸出是一個(gè)指數(shù)上升過程,這一點(diǎn)與一個(gè)直流電壓源通過一個(gè)電阻對(duì)電容充電過程類似,是一個(gè)電容對(duì)一個(gè)階躍函數(shù)的零狀態(tài)響應(yīng)。

1.2 熱電堆功率傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量與驗(yàn)證

測(cè)量系統(tǒng)中激光器采用了英國(guó)SPI公司的SP-10P-0101-000脈沖激光器(輸出功率0～15 W可調(diào),波長(zhǎng)1 064 nm,重復(fù)頻率20 kHz)作為加熱熱源來實(shí)現(xiàn)功率傳感器的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量,設(shè)定輸出功率5 W,光功率探測(cè)器為加拿大Gentec公司350 W熱電堆激光功率探測(cè)器,光功率電流放大器為杭州博源光電科技有限公司的BIM-7001,采樣頻率1 kHz,50次平均低通濾波輸出,輸出頻率20 Hz,其輸出時(shí)間響應(yīng)如圖1所示。圖1中:橫軸已減去一個(gè)常量,以便于畫圖時(shí)從零開始;熱電堆功率傳感器的響應(yīng)時(shí)間(0～95%)約7.0 s,其響應(yīng)曲線與電容充電響應(yīng)曲線類似。

圖1 輸出響應(yīng)時(shí)間Fig.1 Response curve of output time

1.3 預(yù)測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于熱電偶測(cè)量光功率存在滯后效應(yīng),如果完全等熱平衡再測(cè)量,測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間太長(zhǎng)。如果應(yīng)用于激光切割、激光焊接等對(duì)溫度控制要求比較嚴(yán)的場(chǎng)合[16],或者需要激光功率反饋,這樣長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間顯然不行,因此需要預(yù)測(cè)電路進(jìn)行修正,以盡可能減少激光功率的穩(wěn)定測(cè)量時(shí)間。熱電堆功率傳感器響應(yīng)與電容充電響應(yīng)曲線類似,也就是說熱電堆功率傳感器的輸出信號(hào)可以表示為

(3)

圖2 終值預(yù)測(cè)電路Fig.2 Final value anticipation circuit

利用節(jié)點(diǎn)電壓法列出方程組,同時(shí)利用運(yùn)放的虛斷、虛短,并假定R1=R2,R5?R6可以導(dǎo)出

(4)

熱電偶與放大電路構(gòu)成系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)為

調(diào)整可調(diào)電阻R4的阻值,使得τ1=τ,則可得

可以說由于零極點(diǎn)的抵消,系統(tǒng)的頻響擴(kuò)大了1倍,與式(3)對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式相比,時(shí)間常數(shù)由τ減少為τ/2,對(duì)應(yīng)到時(shí)域,則功率傳感器的響應(yīng)時(shí)間可以減少1/2。

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真結(jié)果

將實(shí)際數(shù)據(jù)代入式(4),可得終值預(yù)測(cè)電路的系統(tǒng)函數(shù)為

根據(jù)圖1測(cè)得的熱電偶上升時(shí)間(0～95%),也就是激光功率4.75 W位置約為7.0 s,以電容充電響應(yīng)曲線去模擬,就是3τ位置,實(shí)際測(cè)量充電時(shí)間常數(shù)τ(0～63%)為2.8 s。與預(yù)測(cè)電路共同組成的系統(tǒng)函數(shù)為

(5)

利用Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算,R4的阻值變化范圍為0～10 kΩ。用0～10代入式(5),可以得到頻率的欠補(bǔ)償、臨界補(bǔ)償和過補(bǔ)償3種情況的響應(yīng)曲線。仿真計(jì)算轉(zhuǎn)換到時(shí)域,3種情況對(duì)輸入階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線如圖3～5所示。

圖3 欠補(bǔ)償?shù)碾A躍信號(hào)響應(yīng)曲線(R4=0 kΩ)Fig.3 Response curve of step signal in under compensated state (R4=0 kΩ)

圖4 臨界補(bǔ)償?shù)碾A躍信號(hào)響應(yīng)曲線(R4=4 kΩ)Fig.4 Response curve of step signal in critical compensation state (R4=4 kΩ)

圖5 過補(bǔ)償?shù)碾A躍信號(hào)響應(yīng)曲線(R4=8 kΩ)Fig.5 Response curve of step signal in over compensated state (R4=8 kΩ)

從圖3～5可以看出:在欠補(bǔ)償?shù)那闆r下,上升時(shí)間(0～95%)為4.8 s;在臨界補(bǔ)償情況下,上升時(shí)間(0～95%)為3.5 s;在過補(bǔ)償情況下,上升時(shí)間(0～95%)為5.5 s。對(duì)于一階傳感器的激光功率測(cè)量系統(tǒng),可以通過零極點(diǎn)補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)頻率域的擴(kuò)展,即串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié),重新調(diào)整極點(diǎn)的位置,消去原來不符合要求的極點(diǎn)以改善傳感器的動(dòng)態(tài)特性,從理論上講,應(yīng)用零極點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)可任意展寬系統(tǒng)的工作頻帶。但在實(shí)際中,如果無限展寬頻帶會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲放大,甚至?xí)蜎]測(cè)量信號(hào),使測(cè)量無法進(jìn)行。因此實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償有一定的限度必須考慮噪聲的影響或使噪聲幅度在允許的范圍內(nèi)。實(shí)際進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),需要多次調(diào)整參數(shù)的值,以獲取最佳補(bǔ)償效果。顯然從仿真結(jié)果可以推得臨界補(bǔ)償是最優(yōu)的。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將終值預(yù)測(cè)電路串接在加拿大Gentec公司350 W熱電堆激光功率探測(cè)器之后,功率探測(cè)器采用鋁外殼散熱并強(qiáng)制風(fēng)冷,用英國(guó)SPI公司的SP-10P-0101-000脈沖激光器發(fā)出5 W、波長(zhǎng)1 064 nm、重復(fù)頻率20 kHz的激光,激光功率預(yù)先用Ophir F150A-BB-26功率計(jì)校正。調(diào)整激光功率探測(cè)器的位置使激光照射在激光功率探測(cè)器中心點(diǎn)。用激光阻擋物間斷阻擋激光,模擬階躍響應(yīng),調(diào)整阻值,使得終值預(yù)測(cè)電路與350 W熱電堆激光功率探測(cè)器參數(shù)相匹配,即處在臨界補(bǔ)償狀態(tài),以該方式測(cè)量激光功率探測(cè)器的響應(yīng),測(cè)量結(jié)果如圖6所示,探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間(0～95%)縮短到3.6 s左右,與理論值吻合,滿足了大功率的激光功率測(cè)量要求。

圖6 時(shí)間響應(yīng)(有預(yù)測(cè)電路)Fig.6 Responsecurveof output time (anticipated)

3 結(jié) 論

由于功率傳感器的熱慣性,輸出不能瞬時(shí)反映輸入信號(hào)的變化,因而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差?？梢栽趥鞲衅鞯妮敵龃?lián)一個(gè)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié),修正功率傳感器的頻率響應(yīng),雖然不能變成一個(gè)理想的線性放大,頻率延伸到無窮大,但是從另一個(gè)角度來說,加入一個(gè)慣性環(huán)節(jié),時(shí)間常數(shù)能夠減少,降低了功率傳感器的響應(yīng)時(shí)間,這樣對(duì)傳感器的修正也是值得的。根據(jù)這個(gè)研究思路,設(shè)計(jì)了實(shí)際電路,修正了加拿大Gentec公司UD25-350-H12 350 W熱電堆激光功率探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。用5 W功率激光器測(cè)量驗(yàn)證(對(duì)于預(yù)測(cè)電路,已經(jīng)可以說明問題,不需要大功率激光測(cè)試,大功率激光實(shí)際測(cè)試主要測(cè)試散熱設(shè)計(jì)),與理論值吻合得相當(dāng)好,功率傳感器的響應(yīng)時(shí)間從原來約7.0 s減少到3.6 s左右,基本滿足了大功率的激光功率快速測(cè)量要求。