矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統和方法與流程
2023-05-29 19:26:11
本發明涉及檢測技術領域，特別涉及一種通過精密控制的機械運動影響光電探測器所接收光照強度來檢測矩形雷射光斑的能量分布。
背景技術：
採用雷射橫向變形測量系統測量物體橫向變形時，光強度較易受到環境因素影響，導致雷射橫向變形測量將受到諸多環境因素影響。為保證變形測量精度，需要一種簡易的方法對變形測量系統進行快速、準確的標定；同時光斑強度分布的勻化程度對橫向變形的測量精度具有決定性的作用，因此檢測矩形雷射光斑強度的分布規律，確定光斑能量勻化分布區域，對提高雷射橫向變形測量系統的測量精度具有重要意義。
雷射光束的光強分布檢測方法主要有移動測量法以及傳感器陣列法兩大類。其中，移動測量法又可分為狹縫法、小孔法、刀口法；傳感器陣列法則主要有矽CCD和CMOS探測器陣列的相機測量法。
狹縫法是用一塊帶有一條狹縫的擋板去遮擋待測雷射束，使得待測光斑只有狹縫所在位置的能量能夠到達傳感器，通過比較狹縫的位置和探測器的信號，就能得出雷射束橫截面光斑能量分布；小孔法則是在擋板上開一個小孔，通過不斷平移小孔的位置得到光斑能量的分布情況，從而得到光斑能量的面分布，小孔法的測量精度通常取決於孔的大小以及移動的距離，孔越大，移動距離越大，測量結果誤差也隨之增大；刀口法採用的是總透射量的測量方法，將刀片固定在光學平移臺上，採用刃口平直的刀口沿與光束傳播方向垂直的方向切割光束，測量過程中需要通過慢慢調節平移臺，採用雷射功率計多次測量透過刃口邊緣的雷射功率，從而實現對光斑能量分布的測量。
採用矽CCD和CMOS探測器陣列的相機測量法檢測雷射束橫截面能量分布可以方便的獲取雷射剖面圖。測量時將光斑照射匯聚在探測器的工作區，通過光電效應，產生變化電流，從而對照射的光斑能量分布實現測量。
狹縫法可以比較方便地獲得雷射光斑離散的局部區域能量分布，但是不能直接得到整個光斑能量的全域面分布，根據數學原理，只有當各局部分布相互獨立時才能由局部分布準確地還原出光斑整體的二維面分布；小孔法(參見「一種原位測量聚焦雷射光斑能量分布的裝置及方法」，申請號：201010124758.8)的優點是只要孔徑足夠小就可以得到一個準確的雷射光斑能量分布情況。但該方法測量時間長,無法直接獲得整體光斑的能量分布，而且在小孔尺寸一定的情況下,無法測量尺寸小於或與之處於同一量級的光斑。總體來說，狹縫法和小孔法均需通過不斷的移動狹縫或者小孔的位置來記錄透過的光束能量，無法模擬材料受力後的橫向變形對光斑強度的影響，不適合用於雷射橫向變形測量系統的標定方法。
普通刀口法在測量過程中，為調節透過刀片邊緣的雷射功率，需要通過螺旋測微器慢慢移動光學平臺，調節速度緩慢，由於缺乏精密的機械運動控制，存在較大的人為控制機械誤差，同時，通過功率計來檢測未遮擋的光束能量，不能快速的得到雷射光束的光強分布曲線，無法快速確定矩形光斑能量勻化分布區域，限制其在雷射橫向變形測量系統中的快速標定應用。
傳感器陣列法通常採用面陣CCD/CMOS器件作為感光元件，具有很高的靈敏性，當曝光時間為一定值時，雷射光束中心的光強極易造成感光像元的過飽和，甚至溢出影響周邊區域像元的正常工作，同時能量較弱的邊緣區域卻處於欠曝光狀態，大大降低了動態測量的範圍，影響了雷射光斑能量分布測量的範圍和精確度。除此之外，由於感光元件較高的敏感性，導致傳感器陣列法所採用的硬體設備通常需要花費比其他測量方法更高的成本。另外傳感器陣列法無法模擬材料橫向變形影響，難以應用於雷射橫向變形測量系統的標定。
技術實現要素：
雷射橫向變形測量系統是新近發明的一種新型的變形測量方法(專利申請號：201610504094.5)，系統在實際變形測量中為保證測量精度需要快速進行測量精度的標定。本發明提出了一種通過精密控制的機械運動遮擋射向光電探測器的矩形光斑，從而改變光電探測器所接收的光照強度以檢測光斑能量分布情況及光照強度與對應的運動位移關係，檢測光斑能量分布的均勻性。藉助精密控制的機械運動來模擬材料的橫向變形，為形變測量提供便利的檢測和標定方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下：
本發明涉及的矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統和方法的結構布置如圖1所示。
矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統，包括半導體雷射器，方形光纖，支撐架，光纖頭安裝座，準直透鏡，檢測平臺(包括絲槓、導軌)，遮擋板，移動平臺，聚焦透鏡，光電探測器，BNC連接線，數字存儲示波器，STP網線，計算機，42步進電機，控制線，步進電機控制器；所述準直透鏡和聚焦透鏡的幾何中心保持在一條軸線上，且主平面互相平行；所述光電探測器、數字存儲示波器和計算機電連接；所述步進電機和步進電機控制器電連接；所述遮擋板平面平行於準直透鏡、光電探測器主平面，其運動方向亦與他們保持平行。
所述半導體雷射器用於發射雷射，雷射經過方形光纖和準直透鏡勻化後照射到光電探測器；
所述方形光纖和準直透鏡用於勻化雷射強度分布；
所述聚焦透鏡用於會聚雷射束於光電探測器的感光區域；
所述光電探測器用於接收聚焦後的雷射照射並感知光強度信號，通過光電轉換獲得光強度信號對應的電信號；
所述檢測平臺由步進電機控制器、42步進電機、導軌和絲槓、移動平臺和遮擋板組成，用於雷射光斑強度分布檢測以及橫向變形測量標定；
所述步進電機控制器通過調節驅動器的細分結合設計程序使42步進電機平滑運轉，減少振動和噪聲提高運轉精度，並驅動絲槓帶動移動平臺和遮擋板按照指定的運動方式精確運動；
所述42步進電機用於驅動絲槓以及移動平臺和遮擋板的運動；
所述導軌用於支撐移動平臺並保證遮擋板的運動始終平行於準直透鏡和光電探測器的主平面；
所述絲槓用於驅動移動平臺並精確控制移動平臺和遮擋板的移動位移；
所述移動平臺通過絲槓的精密驅動，為與其連接的遮擋板提供精確的移動位移；
所述遮擋板隨移動平臺沿垂直於雷射束的方向運動以改變光電探測器所接收的矩形雷射光斑強度，檢測雷射光斑的能量分布情況；
所述數字存儲示波器和計算機用於對電信號進行計算和顯示。
本發明的有益效果是：矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統，其特徵在於，所述步進電機控制器通過採用不同的控制程序實現控制遮擋板以不同的運動模式運動。能夠以多種不同方式檢驗矩形雷射光斑能量勻化與分布情況，並可以模擬各種橫向變形模態，為橫向變形測量提供快速、準確和可靠的標定；本發明具有較高的檢測精度，能夠快速準確的檢測光斑強度的勻化分布狀態；同時也能夠模擬材料橫向變形特徵，為材料橫向變形測量提供快速準確的標定。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
進一步的，所述的用於驅動移動平臺的42步進電機可以換裝更為精密的伺服電機，以提高檢測系統的檢測精度。
採用上述進一步方案的有益效果是：採用伺服電機可以提高控制絲槓運動的精度，為移動平臺提供更為精準的移動位移控制。
進一步的，所述絲槓的精度決定了移動平臺移動位移的精度，採用更高精度的絲槓能夠提高檢測平臺的檢測精度。
採用上述進一步方案的有益效果是：可以提高光斑強度檢測精度，同時提高橫向變形測量標定的精度。
矩形雷射光斑能量分布快速檢測方法，包括以下步驟：
步驟S1、將勻化矩形光斑對軸照射到光電探測器；
步驟S2、根據遮擋板(7)所需的檢測運動特徵要求，編制步進電機控制器(17)的控制程序；
步驟S3、由步進電機控制器輸入指令，控制42步進電機的轉動；
步驟S4、由42步進電機帶動絲槓(6-②)運動；
步驟S5、通過絲槓控制移動平臺(8)按設定運動特徵精確運動，使光電探測器接收的光照強度由於遮擋板的運動而發生改變；通過光電轉換獲得光強度發生變化前後所對應的電信號；
步驟S6、採用數字存儲示波器或他測量方法檢測光電探測器輸出的電信號；
步驟S7、將電信號進行計算和顯示，得到電壓和遮擋板移動位移關係曲線。在遮擋板勻速運動或等距移動條件下，線性關係曲線說明矩形光斑強度分布均勻，強度勻化作用較為理想；非線性關係曲線代表矩形光斑強度分布不均，強度勻化效果不佳。
附圖說明
圖1為本發明矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統和方法結構裝置示意圖；
圖2為本發明矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統和方法實施流程簡圖；
圖3為本發明遮擋板等步移動靜態遮光過程數字萬用表記錄輸出電壓所得電壓位移曲線圖；
圖4為本發明遮擋板等步移動靜態退出遮光過程數字萬用表記錄輸出電壓所得電壓位移曲線圖；
圖5為本發明遮擋板勻速遮光過程數字存儲示波器記錄輸出電壓波形圖；
圖6為本發明遮擋板勻速退出遮光過程數字存儲示波器記錄輸出電壓波形圖；
圖7為本發明數字存儲示波器和數字萬用表所得曲線圖中關鍵點在矩形光斑中位置分布圖；
附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
1、半導體雷射器；2、方形光纖；3、支撐架；4、光纖頭安裝座；5、準直透鏡；6、檢測平臺；6-①、導軌；6-②、絲槓；7、遮擋板；8、移動平臺；9、聚焦透鏡；10、光電探測器；11、BNC連接線；12、數字存儲示波器；13、STP網線；14、計算機；15、42步進電機；16、控制線；17、步進電機控制器。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的方法、原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
本發明的檢測方法是：將半導體雷射器發出的雷射束照射在光電探測器上，通過精密控制的機械運動，使垂直於雷射束的遮擋板在光束中以精確的微小位移移動，以期改變照射在光電探測器上的光斑強度，引發光電轉換的輸出電壓產生變化。通過數字存儲示波器採集並顯示電壓信號，根據採集的電壓信號以及遮擋板精確移動的位移，獲得電壓與位移之間的變化關係，實現對矩形雷射光斑強度分布情況的檢測與標定。
本發明的檢測原理為：系統運行時，通過步進電機控制器使42步進電機帶動遮擋板沿精密導軌逐步遮擋雷射束，而半導體雷射器通過固定好的準直透鏡將矩形光斑照射到聚焦透鏡並會聚到光電探測器的感應區；隨著雷射光束被逐步遮擋，導致光電探測器因接收的光照面積減小而改變輸出電壓，變化的電壓通過BNC連接線將信號傳輸到數字存儲示波器進行波形分析、顯示和存儲，最終通過STP網線傳送到計算機對波形作進一步分析。通過數字存儲示波器捕獲的波形，可以分析光電探測器輸出電壓和遮擋板移動距離之間存在的線性關係標定變形測量，並以此檢測矩形雷射光斑的能量分布，確定能量勻化區域。如圖2所示為矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統和方法實施流程簡圖。
本發明所涉及檢測系統特徵及實驗實例描述：
(1)本發明所涉及檢測系統的組成
矩形雷射光斑能量分布快速檢測系統主要由矩形雷射斑發射系統、機電控制系統、光電轉換系統、信號分析系統四部分組成。
矩形雷射斑發射系統由半導體雷射器、方形光纖、準直透鏡、光纖頭安裝座組成。
機電控制系統由42步進電機、控制線、步進電機控制器、支撐架、檢測平臺(含導軌、絲槓)、移動平臺、遮擋板組成。
光電轉換系統由聚焦透鏡、光電探測器、BNC連接線組成。
信號分析系統由數字存儲示波器、STP網線、計算機組成。
(2)本發明所涉及檢測系統關鍵部件型號選定
矩形雷射斑發射系統：半導體雷射器波長為635nm、輸出功率範圍0-500mw；方形光纖芯徑200um、數值孔徑0.22；準直透鏡焦距10mm；光纖頭安裝座由鋁材定製加工而成。
機電控制系統：42步進電機步距角1.8°；步進電機控制器中驅動器採用Leadshine公司M420型號，支持128倍細分，可通過調節八位撥碼開關組，設定動態工作電流(共8等級)、靜態減流和細分精度，並且採用RIGOL公司DP1308A電源來提供穩定的24v供電電壓；支撐架由20*20mm鋁型材搭建；導軌、絲槓直徑均為10mm，絲槓導程2mm；遮擋板由1.5mm鋁板高精度雷射切割而成。
光電轉換系統：光電探測器採用THORLABS公司的PDA8A/M型號固定增益矽探測器，其響應波長320-1000nm、帶寬50MHz、噪聲等效功率6.5pW、具備BNC信號輸出。
信號分析系統：數字存儲示波器採用RIGOL公司DS4024型號示波器，具備200MHz模擬帶寬、4模擬通道。
(3)本發明所涉及檢測系統的檢測參數設定
半導體雷射器功率：100mw；矩形光斑長度：4mm；遮擋板前進速度：0.1mm/按鍵(靜態等步長)，0.25mm/s(動態勻速)；數字存儲示波器水平時基：2s，時基模式：Y-T模式，垂直電壓：500mv/div，採樣方式：高解析度，運行方式：Auto；步進電機供電電壓：24v；步進電機控制器：M420驅動器8位撥碼開關1、2、3、6、7為OFF狀態，4、5、8為ON狀態(2.00A，全流電流設定，64倍細分，12800步數/圈)。
(4)實驗實例分析
本發明為了滿足模擬材料的橫向變形需要，為其提供高精度標定，通過對步進電機控制器輸入不同的控制程序來改變遮擋板的運動模式；因此，所涉及的檢測系統和方法在本實驗實例驗證中，根據遮擋板運動信號特徵分別採用了數字萬用表採集等步長移動的靜態檢測信號，數字存儲示波器採集勻速移動的動態檢測信號。當遮擋板通過等步長移動定位於矩形光斑的不同位置時，與光電探測器連接的電壓數字萬用表能夠方便的直接讀出信號電壓，了解電壓值的變化；而當遮擋板勻速運動時，數字存儲示波器能夠持續採集遮擋板運動的電壓信號，獲得矩形光斑的能量分布曲線，快速確定強度勻化區域。本實驗通過兩種數據採集方法的對比分析，旨在進一步說明本發明所涉及的檢測系統和方法可以實現矩形雷射光斑強度分布情況的不同檢測方式，在非接觸橫向變形測量系統的測量標定中具有的適用性和有效性。
①等步長移動靜態檢測數字萬用表結果分析
等步長移動靜態檢測通過BM8300L數字萬用表來記錄光電探測器的輸出電壓。採用數字萬用表檢測時，半導體雷射器功率為100mw，通過控制程序的編寫，使步進電機每次按鍵轉過18°，由於採用2mm導程絲槓，因而每次按鍵遮擋板前進0.1mm，而光斑長度為4mm，因而記錄40個不同位置時的輸出電壓值，並根據獲取的電壓值繪製遮擋板靜態等步長遮擋光斑過程的電壓位移曲線(參見圖3)。當按鍵40次，即完成整個光斑長度的檢測；採用同樣的方式，再通過逐次按下步進電機反轉鍵，並記錄不同位置輸出電壓值，繪製遮擋板等步長靜態退出遮擋光斑過程的電壓位移曲線圖，如圖4所示。
圖3、圖4中a、b、c、d四點為便於結果分析而添加的區域分界點。圖3顯示光斑未遮擋時光電探測器的輸出電壓為1.10v，矩形光斑ab段(左端0.5mm)和cd段(右端0.5mm)(參見圖7)光強分布極其微弱,輸出電壓基本不變；隨著遮擋板進入bc段，電壓顯示非線性變化，說明光強分布仍不均勻；進入bc段的中間部分(中心1mm分布區域)所記錄的電壓與遮擋板移動位移之間呈現出較為明顯的線性關係，說明光強勻化程度較高；待矩形光斑被全部遮擋時，輸出電壓降為0。
圖4為等步長靜態退出遮光過程數字萬用表所記錄的遮擋板處於不同位置時輸出的電壓值，檢驗系統機械運動的精準度。圖4中，電壓位移曲線與圖3光斑強度分布曲線具有較好的一致性，dc段(右端0.5mm)和ba段(左端0.5mm)光強分布極其微弱,同樣進入cb段電壓顯示非線性變化，說明光強分布不均勻，cb段的中間部分(中心1mm部分)顯示退出遮光過程遮擋板移動位移和輸出電壓之間具有較為明顯的線性關係；待完全退出遮光時，輸出電壓升至1.10v。
數字萬用表等步長移動靜態檢測能夠方便的獲得遮擋板處於矩形光斑不同位置時光電探測器的輸出電壓值。通過檢測不同位置點的電壓值，繪製遮擋板的位移電壓曲線能夠檢測矩形光斑的能量分布。
②勻速移動動態檢測的數字存儲示波器結果分析
勻速移動動態檢測通過編寫控制程序，使遮擋板以勻速運動遮擋矩形光斑。圖5為數字存儲示波器記錄的遮擋板勻速運動遮光過程電壓波形圖。理論上如果遮擋速度為0.25mm/s，需要16s時間遮擋長度為4mm的矩形光斑；圖5結果顯示AD之間的時間間隔恰為16s，說明步進電機0.25mm/s速度控制的準確度。勻速遮擋過程顯示，未遮擋時A點峰值電壓為1.10v，矩形光斑AB段(左端0.5mm)和CD段(右端0.5mm)光強分布極其微弱，輸出電壓基本不變；而隨著遮擋板進入BC段，電壓顯示非線性變化，在BC段中間部分(中心1mm區段)電壓呈明顯線性關係，待全部遮擋電壓降為0。
圖6為遮擋板勻速退出遮光過程數字存儲示波器記錄的波形圖，再次驗證了系統機械運動的精準度，從D點開始遮擋板勻速退出遮擋至完全退出位置A點。勻速退出遮擋過程在D點完全遮擋電壓為0，矩形光斑DC段(右端0.5mm)輸出電壓基本不變，而BC段的起始部分，電壓仍呈非線性變化，只有中間段(中心1mm區域)呈現明顯線性關係；待退出至B點，電壓升至1.10v，BA段(左端0.5mm)電壓基本不變，說明光強分布極其微弱。
數字存儲示波器勻速運動動態檢測通過採集遮擋板在矩形雷射光斑中勻速運動時的連續輸出電壓，顯示實時波形；能夠準確、快速的得到電壓位移曲線，檢驗矩形雷射光斑的能量分布狀況。為材料橫向變形測量提供準確標定。
③兩種檢測結果對比分析
圖7為遮擋板遮光和退出遮光過程中數字存儲示波器記錄波形的A、B、C、D四個關鍵點和數字萬用表測量波形中a、b、c、d四個關鍵點在矩形光斑中對應位置分布圖。表1為靜態和動態兩種測試方法獲得的矩形光斑能量分布狀態測試結果。
表1 數字存儲示波器與數字萬用表檢測結果對比分析表
表1結果表明，對於長度為4mm的矩形光斑遮擋板在同一運動模式下(等步長運動或勻速運動)，其遮光過程和退出遮光過程得到的光斑能量分布完全一致，驗證了系統機械機構運動具有的精準度；等步長運動和勻速運動這兩種不同運動的檢測結果說明系統能夠對光斑能量分布進行有效和準確的檢測。
結論：
a.4mm長度的矩形光斑能量呈對稱性分布，左右各0.5mm的能量分布極其微弱，光電探測器沒有能量感應信號；
b.4mm矩形光斑中心段(1mm區域)的位移電壓之間具有明顯的線性關係，表明該區域中矩形雷射光斑能量勻化程度較高，呈均勻分布狀態。
本發明所涉及的步進電機控制器可以根據需要輸入不同的控制程序，為遮擋板提供不同的運動模式；本發明能夠快速檢測矩形光斑能量分布，確定勻化區域範圍，實現了矩形雷射光斑強度分布情況的檢測與標定，具有較高的檢測精度，可直接應用於標定橫向變形測量系統的測量。