隋成華,徐之力,徐丹陽

(1.浙江工業(yè)大學光學與光電子研究中心,杭州 310023;2.浙江工業(yè)大學生物與醫(yī)學物理信息技術協(xié)同創(chuàng)新中心,杭州 310023;3.浙江工業(yè)大學理學院,杭州 310023)

光功率計是用來測量光功率大小的儀器,既可用于光功率的直接測量,也可用于光衰減量的相對測量,大功率光功率計是激光加工、激光熔覆和激光武器等領域中研究、開發(fā)、生產以及維修等部門必備的基本測試儀器[1-3]。隨著光電檢測技術和傳感器技術的發(fā)展,對便于攜帶,操作簡潔,精度高的光功率計的需求與日俱增[4-7]。目前市場上的光功率計,大多采用串口、USB2.0以及藍牙的通信方式。串口及USB通信必須要使用傳輸線,無法實現移動式測量。藍牙是一種短距離無線通信技術,但其只能實現點對點傳輸,連接不夠穩(wěn)定,傳輸速度較慢。此外,目前市場上的光功率計,大多具有測量功率值低,精度不高,動態(tài)范圍小,檔位切換繁瑣等缺點,因此設計了一款基于Wi-Fi通信,以STM32為微控制器,采用熱電堆探測器來實現熱電轉換,滿足在0.19 μm～15.0 μm波長范圍內實現100 mW～100 W的激光功率測量,并利用多通道模擬開關CD4051,N溝道場效應管A03042和微功耗、低噪聲、斬波穩(wěn)零的運算放大器MAX4238實現測量功率范圍內的量程自動切換,同時還具備了通過脈沖寬度調制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強度,以及外觸發(fā)功能的光功率計[8-13]。該光功率計采用STM32內置的12位ADC來實現模數轉換,通過ESP8266Wi-Fi模塊同其他設備通信,進行數據傳輸,同時支持USB通信。

1 系統(tǒng)整體方案設計

光功率計整體設計方案如圖1(a)所示,電路設計原理如圖1(b)所示。熱電堆探測器將檢測到的光信號轉變?yōu)殡妷盒盘?電壓信號經過放大和濾波處理后由STM32的內置的12位ADC進行模數轉換。利用STM32判斷轉換數據的大小并控制放大電路切換到合適的量程以獲得可供計算顯示的數字量,通過ESP8266Wi-Fi模塊支持Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信并通過APP顯示測得的功率值,還可通過USB連接LCD屏幕進行數據顯示。同時通過脈沖寬度調制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強度,利用外觸發(fā)功能可以實現功率的單步測量等功能。

圖1 整體設計方案

2 光功率計硬件實現

2.1 熱電堆探測器

熱電堆傳感器的工作原理如圖2所示。當激光束擊中熱電堆傳感器的表面,入射輻射被所覆層吸收并轉化為熱。然后,該熱量流經從頂面至底部的傳感器,從而導致整個傳感器的溫度差。由于熱電效應,溫差引起的電壓施加到傳感器元件內積聚。該輸出電壓是正比于入射輻射的功率。熱電探測器的表面通常鍍有吸收涂層,吸收涂層決定了檢測到的輻射的光譜范圍。當使用具有平坦光譜的寬帶吸收器時,熱電堆傳感對所有波長的輻射敏感。

圖2 熱電堆傳感器的工作原理圖

入射到檢測器表面的激光功率與檢測器的電壓輸出成比例。其單位mW,并且使用式(1)計算:

φ=U/Z

(1)

式中:U代表探測器的輸出電壓,單位是V;Z是檢測器的輻射靈敏度,單位是mV/W。激光功率檢測器的靈敏度取決于使用它們的溫度水平。使用式(2)計算檢測器的溫度校正靈敏度:

Z=Z0+(T-T0)ZC

(2)

式中:Z0是校準溫度和校準波長下的輻射靈敏度,單位為mV/W;ZC是輻射靈敏度的線性校正因子,單位為(mV/W)/℃;T0為校準溫度(通常為20 ℃),單位為℃。T是散熱器溫度水平,可以用溫度傳感器測量,單位為℃。

熱電堆功率探測器可以檢測0.19 μm～15.0 μm波長范圍,滿足100 mW～100 W激光功率測量,并且內部集成EEPROM存儲校準數據。設計中選擇國外某公司的熱電探測器,其主要性能指標如表1所示。

表1 熱電探測器主要性能參數

2.2 信號采樣及AD轉換電路

光功率計的輸入信號動態(tài)范圍通常比較大,為了提高測量精度,智能儀器根據測量范圍設置多個量程,并能在各個量程上自動切換。量程自動轉換的過程,就是微處理器根據輸入信號的大小,自動選擇程控放大器的放大系數或程控衰減系數,使經過處理后的輸出電壓能滿足ADC對輸入的要求。熱電堆探測器輸出的信號非常微小,因此選用程控放大器來控制信號放大倍數,從而實現量程的自動選擇[14-15]。程控放大器一般由模擬開關、電阻網絡、運算放大器及控制電路組成。根據可以測量的光功率范圍將量程劃分為6段,因此選用美國無線電公司生產的CD4051,它是一種具有低截止漏電流和低導通阻抗的單端雙向8選1模擬開關。對于高檔量程,由于反饋電阻較小必須要考慮模擬開關導通電阻的影響。為了提升高量程的選擇靈敏度,設計中采用導通電阻足夠大的N溝道增強型場效應管A03402代替導通電阻較小的通道。運放MAX4238的反向輸入和輸出端通過反饋電阻連接。STM32通過控制PB0,PB1,PB2的狀態(tài)選通I2,I3,I4,I5的導通或閉合,同時判斷輸入的信號大小控制A3和A4的通斷,實現量程自動切換,且每個通道呈10倍遞增關系[16-17]。程控放大原理圖如圖3所示。

圖3 程控放大原理圖

圖4 ESP8266狀態(tài)機圖

探測器檢測到的信號經過程控放大電路后送入STM32進行AD轉換,STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數字轉換器。它有18個通道,可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。

2.3 Wi-Fi通訊模塊設計

ESP8266Wi-Fi模塊主要用于短距離的數據無線傳輸領域,便于具有Wi-Fi功能的PC機相連,也可以實現兩個模塊之間的數據互通。此模塊遵循TCP/IP協(xié)議,完全遵循802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC協(xié)議和Wi-Fi Direct標準,支持UART接口,自身內置了存儲控制器,包含ROM和SRAM,支持使用SPI接口的外置Flash最大支持16 Mbyte的SPI Flash。具有高度集成、低功耗、性能穩(wěn)定等優(yōu)點[18-19]?？梢詰迷诩彝プ詣踊?、傳感器網絡、無線位置感知設備和可穿戴電子產品等方面。

ESP8266狀態(tài)機圖如圖4所示。上電后Wi-Fi模塊會進入待機模式或者回連模式。當Wi-Fi模塊進入待機模式時,進行開機和正常待機超時設置,接下來判斷是否連接成功。如果連接成功則進入連接模式;如果連接失敗判斷待機時間是否超時,若未超時則重新進行開機和正常待機超時設置,若超時則進入空閑模式。當Wi-Fi模塊進入回連模式時進行回連超時設置,當設置成功判斷設備是否連接成功。如連接成功則進入連接模式;若連接失敗判斷回連是否超時,如果回連超時則進入待機模式;如果回連未超時則重新進行回連超時設置。當Wi-Fi模塊處于連接模式即可進行數據的傳輸。如果因為連接丟失導致Wi-Fi斷開,則進行連接丟失設置,可以設置為待機模式或回連模式;如果由于遠程設備掉落而導致Wi-Fi斷開,那么Wi-Fi模塊進入待機模式;如果由于主機MCU丟棄導致Wi-Fi斷開,則Wi-Fi模塊進入空閑模式。

Wi-Fi模塊串口電路如圖5所示。短按開關喚醒,當5號引腳為低電平時串口配置使能有效。當Wi-Fi模塊處于串口工作模式時,1號引腳為串口數據輸出引腳,2號引腳為串口數據輸入引腳。通過配置13號引腳的電平信號,可以設置Wi-Fi斷開連接進入空閑模式,配置14號引腳的電平,可以設置Wi-Fi斷開進入配對模式。

圖5 Wi-Fi模塊串口電路圖

圖7 Wi-Fi模塊機械結構圖

2.4 結構設計

設計的光功率計的硬件結構包括探頭部分和Wi-Fi模塊兩部分,這兩部分通過航空插頭GX12-5連接在一起并用螺絲固定。光功率計探頭部分機械結構如圖6所示,探頭部分設計有熱電探測器和散熱裝置。因為采用的是熱電堆探測器,為防止因為溫度過高而導致探測器損壞的情況發(fā)生,因而在探測器底部設計有散熱器和風扇進行散熱。Wi-Fi模塊機械結構如圖7所示,因為金屬殼對信號有屏蔽作用,所以金屬殼體之外引出一根天線提升信號強度。除支持Wi-Fi傳輸外,模塊還配有USB接口支持和表頭的數據連接。光功率計整體機械結構如圖8所示。

圖6 探頭部分機械結構圖

圖8 光功率計整體機械結構圖

3 軟件的實現

3.1 STM32控制流程

光功率計上電后首先進行MCU和Wi-Fi初始化操作。STM32初始化包括初始化系統(tǒng)時鐘、外部中斷、端口等操作。選擇設置的波長和默認檔位后,STM32開始對探測器輸出的電壓信號進行模數轉換,選擇合適的量程計算出測得的光功率值。經過Wi-Fi初始化操作后,Wi-Fi處于工作狀態(tài)等待從STM32傳輸過來的數據并送入到遠程設備顯示,目前Wi-Fi支持同Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信。此外,設計的光功率計還支持USB數據傳輸方式。MCU主程序流程圖如圖9所示。

圖9 MCU主程序流程圖

圖10 量程自動切換流程圖

3.2 量程自動切換控制流程

熱電堆探測器的測量范圍為100 mW～100 W,設計中將量程劃分為6段。量程自動切換流程圖如圖10所示。根據模數轉換后的數值和默認的量程進行判斷,若轉換后的數值小于設置的參數,接下來判斷當前檔位是否為最低檔位。如果當前檔位不是最低檔位則進行減檔位操作,如果當前檔位是最低檔位,表明此時測得的信號不在探測器的探測范圍。若轉換后的數值大于設置的參數,接下來判斷當前檔位是否為最高檔位。如果當前檔位不是最高檔位則進行加檔位操作,如果當前檔位是最高檔位,表明此時測得的信號已經超過探測器的探測范圍,此時很有可能會使得探頭損壞。

4 實驗結果

為了驗證設計的光功率計是否可以準確測量激光功率,需要對其進行校準。方法如下:使用額定功率為10 W的激光器分別在1 064 nm及10 640 nm波長下分別用30%、50%和70%強度的光同時入射標準光功率計和設計樣機,分別記錄測量數據并進行比較,測得的數據見表2和表3。從測得的數據看,設計的光功率計和標準光功率計的誤差控制在2%以內,可以準確地測量激光功率。

表2 1 064 nm激光測試數據

表3 10 640 nm激光測試數據

5 總結

介紹了一種基于Wi-Fi通訊的大功率光功率計的設計原理和實現方法。該光功率計以STM32為微控制器,使用熱電堆探測器來實現熱電轉換,實現測量功率范圍內的量程自動切換。同時,采用STM32內置的12位ADC來實現模數轉換,支持ESP8266Wi-Fi和USB傳輸模式同Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信。實際測試得到的數據表明,設計的光功率計和標準光功率計的誤差小于2%,可以準確地測量激光功率。并且通過脈沖寬度調制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強度,利用外觸發(fā)功能可以實現功率的同步測量等功能。該光功率計不但可以很好地滿足工程應用中大功率激光器輸出功率的檢測與控制,并且實現了基于Wi-Fi無線通信方式的移動式測量。