大功率激光器溫度控制系統設計

李 曼，龐 博，金 雁

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

0 引言

傳統的大功率固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高的特點，被廣泛應用于工業、國防軍事領域[1]。大功率固體激光器的泵浦源由泵浦燈、晶體和激光腔組成[2]，由于泵浦燈發射的光譜只有一小部分被晶體棒所吸收并轉換成激光能量[3]，大部分注入電功率轉換成熱能，聚集在激光腔內，大量的熱導致激光晶體產生熱透鏡[4]，使激光光束質量變差，影響激光器的性能，過大的熱應力導致激光晶體炸裂[5]。發熱導致晶體產生的熱應力、熱透鏡效應，統稱為激光晶體的熱效應[6]。激光器的峰值功率越高，熱效應越嚴重[7]。因此，如何消除多余廢熱，解決冷卻問題是研制大功率固體激光器的關鍵技術之一[8]。

對于峰值功率較高的大功率固體激光器，通常采用的冷卻方式有：循環風冷散熱、循環液冷散熱和制冷循環系統[9]。制冷循環系統能對冷卻液溫度控制和調節，可將有限空間內大熱量及時散失掉[10]，其優點是噪音小、冷卻效果好，此冷卻方式在大功率固體激光器中得到了廣泛應用[11]。本文為制冷循環系統冷卻液提供一套高效的溫度控制系統。冷卻液采用去離子水和乙二醇的混合液，具有高導熱率、溫度分布均勻、高穩定性等特點[12]。冷卻液在壓力的作用下分別流經泵浦燈和激光晶體的側面，可有效消散熱量，提高光束質量和激光器性能[13]。

1 工作原理

冷卻系統由2個環路組成：一是制冷機外部環路，制冷劑是氟利昂；二是內部環路，制冷劑是水和乙二醇的混合液。內部環路與激光器相連，構成水冷系統。外部環路是整個系統的冷卻設備，吸收內部環路的熱量，全部熱量均由它帶走。內部環路由熱交換器、水泵、水箱、PT100、水流開關、液位開關、電磁閥、泵浦源和溫度控制單元組成。溫度控制單元由溫度采集、控制、溫度顯示、保護電路、鍵盤、水流指示燈和液位指示燈組成，負責對泵浦源冷卻。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統組成

系統通過鍵盤設置激光器工作溫度，水泵將內部水箱的水抽出流經泵浦源，水溫升高，經穩定性和線性度較好的鉑電阻PT100和XTR105自帶傳感器激勵源和內置線性化電路的變送器把電阻值轉換成電流再轉換成電壓值，送入溫度控制單元進行數據處理，獲得當前冷卻液的溫度，通過設置溫度與實際溫度的比較，控制電磁閥通斷，從而使外部環路的冷卻液流經熱交換器將內部環路的冷卻液的溫度帶走，如此循環不斷地帶走激光器產生的熱量，實現溫度控制。同時溫度控系統將采集到的溫度通過數碼管進行實時顯示，通過保護電路對水流、液位的狀態進行檢測，如果工作正常，輸出相應的狀態信號，如其中有一路故障，則輸出故障信號，對激光器進行保護。

1.1 溫度采集及控制

鉑電阻PT100具有精度高、穩定性好、抗干擾能力強等優點[14]，故內部環路冷卻液的測溫元件采用鉑電阻PT100。同時鉑電阻溫度特性是非線性的，這一特性會影響測溫精度[15]，因此本設計中采用XTR105溫度變送器，有效地克服了這一難題。

XTR105是美國BB(BURR-BROWN)公司生產的自帶傳感器激勵源和內置線性化電路的變送器芯片，直接與鉑電阻相連構成溫度傳感器/變送器電路。溫度采集原理圖如圖2所示。

圖2 溫度采集原理

XTR105用2個匹配的0.8 mA電流源對PT100進行激勵，R3為調零電阻。通過調零電阻，可測出PT100和R3之間的電位差。R3值為PT100的下限溫度值。RCM向XTR105提供一個共模電壓，RCM兩端并聯電容C1，可減小噪聲。電阻RG可根據設計的測溫范圍而設定，它決定著放大器的放大倍數。整個裝置的電壓、電流傳遞函數為：

(1)

式中，VLIN-1為pin2和pin13兩端的輸入電壓；RG為pin3和pin4兩端電阻。由式(1)可知，系統可實現4～20 mA的電流變送。

系統實現溫度采集范圍為0～40 ℃，PT100對應的阻值為100～115 Ω。鉑電阻PT100的阻值隨溫度變化量經XTR105轉換成電流的變化量，變化的電流值通過采樣電阻R29將電流值轉換成電壓值，經過放大電路對電壓信號進行放大[16]，將放大的電壓信號送入內部集成8路10位精度A/D轉換通道的PIC16F877 單片機進行數據處理，將電壓值轉換成對應的溫度值，完成溫度采集。控制單元選用單片機PIC16F877A作為核心部件能夠讓電路設計更為簡潔，提高電路的安全性和可靠性[17]。

控制單元通過單片機PIC16F877對數據處理，將采集的溫度值與設置溫度進行比較，來控制電磁閥通斷，從而實現對冷卻液溫度的控制。由于單片機的I/O接口的驅動電流為25 mA[18]，不能直接驅動電磁閥，光電耦合器在本電路中實現電平轉換驅動MOS管Q1，Q1驅動電磁閥的通斷。同時完成了信號的傳遞，又實現了信號電路與接收電路之間的隔離，割斷了噪聲的傳遞[19]。電磁閥控制原理圖如圖3所示。

圖3 電磁閥控制原理

電磁閥狀態變化示意圖如圖4所示。當采集的溫度高于設置溫度(T)+2 ℃時，單片機I/O輸出高電平，電磁閥打開，外部環路水箱冷卻液流入熱交換器；當采集的溫度低于設置溫度(T)時，單片機I/O輸出低電平，電磁閥斷開，外部環路水箱冷卻液斷開。同時可避免電磁閥的頻繁通斷，有效地保護電磁閥的壽命。

1.2 溫度顯示電路

溫度顯示原理圖如圖5所示。采用單片機的SPI串行接口與LED驅動器芯片MC14489的SPI串行接口直接連接，MC14489通過SDO(串行數據輸出)、SCK(串行時鐘輸出)管腳與PIC連接，用軟件的方法實現串行數據的輸入和輸出。接收到數據后，進行譯碼、掃描輸出和驅動顯示數碼管顯示。

MC14489是MOTOROLA公司產的串行接口LED譯碼/驅動芯片，芯片內部集成了數據接收/譯碼/掃描輸出/驅動顯示所需的全部電路，具有接口簡單，經濟實用的特點。不需要外接驅動三極管就可直接驅動5位LED數碼管[20]。在本設計中驅動4位，顯示分辨率為0.1 ℃。

圖5 溫度顯示原理

1.3 保護電路

該系統還具備水流、液位監測報警功能，可有效保護大功率激光器關鍵部件，保護電路原理圖如圖6所示。保護電路通過繼電器K1、K2的兩組開關量，對水流開關和液位開關進行檢測[21]。通過SL1、SL2和SL3、SL4與水流開關和液位開關連接，當水流和液位正常時，繼電器吸合，同時繼電器的2組開關也吸合，一組開關量與單片機的I/O連接，當單片機檢測到高電平時，工作正常，同時點亮人機界面的水流和液位指示燈；當檢測到低電平時，輸出故障，熄滅水流和液位指示燈，輸出報警故障。另外一組開關量通過K1，K2串聯連接輸出CD1，CD2，送到激光器的控制單元進行檢測，正常工作時CD1，CD2時為常閉狀態，水流開關和液位開關只要有一個出現故障，輸出狀態為常開，此時激光器控制單元停止激光發射，從而對激光器起到保護作用。

圖6 保護電路原理

2 軟件設計

系統的軟件部分主要由主程序和溫度采集程序組成。

主程序主要完成的功能為數據采集與處理，通過開關信號控制電磁閥的通斷，以及讀取溫度實現溫度顯示。根據大功率激光器泵浦源的工作特性，泵浦源的最佳工作溫度為20～22 ℃，通過這種控制方式將內部環路冷卻液的溫度控制在20±2 ℃。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程

由鉑電阻PT100測溫后，經過數據處理后得到的是直流電壓值，將直流電壓送入單片機PIC的A/D轉換器，為了提高數據采集的精度，本程序循環采集100個數據，取平均值，計算出溫度值，將當前溫度與設置溫度比較后，實現溫度顯示，通過運用此算法，可提高溫度控制精度。溫度采集流程圖如圖8所示。

圖8 溫度采集流程

3 測試結果分析

3.1 控制精度測試

在0～40 ℃有效測試范圍內，將模擬電阻箱接入溫度控制系統，通過電阻箱模擬9個溫度點，得到對應溫度值與測試溫度值的測試結果如表1所示，溫度測試有效誤差小于±1 ℃，滿足控制精度的要求。

表1 測試結果記錄表

溫度點/(℃)PT100/Ω測試溫度/(℃)絕對誤差/(℃)0100．000．30．35101．954．80．210103．9010．40．415105．8515．30．320107．7920．40．425109．7324．70．330111．6730．50．535113．6135．30．340115．5440．40．4

3.2 光束質量測試

該溫度控制系統已應用于某大功率激光器項目中，在激光器的調試過程中，通過選擇不同的溫度點對光束質量進行了驗證，實驗結果如圖9所示，結果表明溫度控制在19 ℃左右時，該激光器的光束質量最佳。

圖9 不同溫度下的光束質量

3.3 穩定性測試

該溫度控制系統在某大功率激光器應用中，激光器工作溫度為19 ℃時，連續工作5 h記錄溫度值，測試結果如圖10所示，該系統工作穩定可靠。

圖10 溫度穩定性測試

4 結束語

本文介紹了一種以PIC為核心的大功率激光器溫度控制系統，試驗結果表明該系統溫度控制精度優于±1 ℃，有效測試范圍為0～40 ℃；可有效提高激光器可靠性，并改善了光束質量；完善的狀態報警、保護電路在故障輸出時有效地對激光器進行保護。應用在某大功率激光器中，該系統工作穩定可靠。

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