近红外连续激光功率计Word下载.docx

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另外，一般功率计的探头吸收激光后，探头表面会积聚大量的热量，如果散热不及时很容易造成光敏元件的损坏，所以对探头的散热效果要求较高，如果探头加上散热装置后整体体积较大。

本课题研究采用从强光束中按比例分出微弱光，对其进行功率测量从而反映强光束功率的方法，它不需要另外配备散热装置，再由于硅光电二极管本身体积很小，测量系统的探头部分完全可以封装到激光器内部，而且不再采用传统的数码管或独立的液晶屏显示，被测功率大小最终由PC机实时显示出来。

这是本次研究中的一个主要特点，由于探头完全封装在激光器内部，测量的是微弱光信号，从而有效地避免了背景噪声和电路热噪声的影响。

目录

1概述1

1.1选题的背景与意义1

1.2研究开发现状2

1.3课题的任务要求4

2总体方案论证4

3硬件设计6

3.1AT89C517

3.2探头的选择8

3.3电流电压转换电路9

3.4放大滤波电路12

3.5A/D转换电路14

3.6显示电路16

3.7电源18

4系统软件设计18

4.1系统软件总体设计18

4.2系统主程序设计19

4.3按键扫描程序设计20

4.4A/D转换程序设计21

4.5显示程序设计22

结论25

致谢26

参考文献27

附原理图28

1概述

随着技术的不断进步，激光技术在各行业中得到了广泛的应用，对激光功率的测量技术也提出了更高的要求。

传统的激光功率测量系统设计是在探测器输出信号后，经过放大，A/D转换，直接数字显示，同时有调零电路、定标电路，对于光电型，还有波长选择开关。

随着电子技术的发展，这种设计方法显然已经过时，当前的设计采用单片机技术，使用测量电路和微机接口、软件和硬件相结合，实现智能测量，使采集和处理测量数据有单片机来完成而不需要人来操作，可以在特殊的环境中完成测量。

此次设计是基于单片机的近红外连续激光功率计，完成本次设计的关键是解决探头选择、电流-电压转换电路、信号电压的放大和调理电路、A/D转换电路、单片机的选择、显示电路等问题。

1.1选题的背景与意义

激光在日常生活各个领域中有着广泛的应用，激光焊接、激光切割、激光测距、激光武器、激光治疗、激光热处理等等[13]。

1、在医学中，激光光谱像素激光是一种全新的激光换肤模式，由于这项技术具有无创、操作方法简便、手术后在家修养、效果显著的特点，在国外开展的十分广泛。

2、在军事上，装在枪上的激光瞄准器是用来瞄准的，能快速瞄准目标，提高出枪速度和准确度。

大功率的激光可以击毁导弹和卫星，用于反导和反卫星。

3、在激光检测方面，由于激光技术的精确性，在我们生活中激光检测应用越来越广泛。

例如激光散斑技术在农产品检测中的应用，激光散斑技术灵敏度高，操作简单，作为一种新颖的无损快速检测技术已经受到越来越多的关注。

4、在激光制造方面，随着激光制造技术的快速发展，激光技术已经在工业领域得到广泛的应用。

激光加工技术具有无接触、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,在切割、焊接、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用。

激光功率计是测量激光功率大小的仪器，是激光完成不同功能中必不可少的测量仪表。

随着我国激光技术的迅速发展，激光功率计的需求量与之剧增，特别是用于现场测量的便于携带、操作简单、性能稳定的激光功率计。

目前国内所需的激光功率计大多依靠进口，国外功率计普遍价格偏高，所需配件品种多，使用操作复杂；

而国内同类测量仪器存在价格偏高且测量精度偏低的不足[17]。

随着电子技术的发展，特别是单片机的出现和广泛应用，测量仪器领域正在发生一场新的技术革命，测量仪器的智能化已成为现代仪器仪表发展的主要方向。

本次设计就是应用单片机，模数转换器和显示电路设计的一种简单的激光功率计，这大大提高了功率计的测量精度和智能化水平。

1.2研究开发现状

为了满足不同激光输出的测量和激光功率计的标定，研究开发了不同类型的激光功率计以满足不同的类型激光功率测量的要求。

目前，已发展成熟的测量功率计主要有量热型、光电型和热释电型等[10]。

1、量热型激光功率计。

量热型激光功率能量计是利用吸收体吸收光之后转变为温升，通过测量温度变化来测量激光功率或能量。

量热型激光功率计主要应用于高功率连续波激光测量，其主要工作原理也是激光的热效应。

吸收体吸收全部入射激光辐射后，温度升高，通过测量洗后提的温度升高，再利用相应的计算公式得到激光功率能量值。

这类仪器的优点是结构简单、使用方便、测量波段宽、容易通过等效电加热进行校准。

其缺点是响应慢，测量周期长，高强度激光作用下容易破坏。

2、光电型激光功率计。

光电型激光功率计利用光电探测器（光电管、光电倍增管、光电池、光电二极管）做成的第二代激光测量仪器，具有响应速度快、灵敏度高等优点，特别适于脉冲激光测量。

对于普通的光电二极管，功率线性范围为纳瓦至毫瓦级，因此，光电型激光功率计主要用于激光小功率和微能量的检测[20]。

国外已发展了许多光电型能量计、功率计和综合测试仪。

近几年来,光电探头作为组合式仪器的一个可互换测量单元已大量推广使用。

如美国激光精密仪器公司的RS—5900系列带微机的辐射计就配有RSP595型硅探头。

RJ-7000系列带微机的能量计配用RJP765型硅探头，在0.3-1.1微米波段内可测最小能量达5xl0-13焦尔。

近几年来国内光电功率计、能量计也逐渐发展起来,已有了几种定型产品。

重庆市光机所研制的LEM-1型光电自积分激光能量计用快速光电二极管作光电转换元件，响应速度快，可测10毫焦尔至10焦尔单脉冲和重复脉冲的总能量，电表指示可长期保持。

该仪器采用通过式接收头，测量时不影响主光路使用。

由于使用了漫反射混光取样接收，解决了小元件接收大光斑的困难，大大提高了仪器的均匀性和耐辐射强度，也适于大功率脉冲激光能量测量。

3、热释电型功率计。

某些材料的自发极化随温度变化，当吸收外界辐射产生温升时，将引起电偶极矩变化，从而在材料表面产生电荷，形成电场，这就是“热释电效应”。

热释电性激光功率计是利用材料热释电效应进行探测。

探测器的热敏单元通常为热电晶体，它可以产生于吸收热量成正比的电荷。

国外对热释电探测器的研究非常重视。

美国激光精密仪器公司和NBS（美国国家标准局）联合研制的电校准热释电辐射计获得了1975年美国100项工业研究奖。

近几年来国外又发展了一批用微机运算和控制的新型热释电辐射计。

热释电探测器虽然对测量重复买车大于5000Hz激光非常有用，但这类探测器耐用性差。

因此，只要不是测量单脉冲激光功率，且激光平均功率满足要求，不要使用此类探测器。

为了满足不同波长、不同功率大小的激光的测量，研究开发了不同类型的激光功率计探头。

目前，已发展成熟的测量功率计探头有光电探头、热敏探头、热释电能量探头。

1.光电探头。

光电探头用于连续或者脉冲激光的低功率测量。

半导体光电二极管将入射的光子转换成载流子（电子和空穴），从而可以电压或者电流的形式探测。

光电二极管精度高、噪声低，是精确测量低功率的理想工具；

响应速度快，可以用来查看脉冲形状。

光电探头的饱和阈值大约是1mw/cm2,所以在测量高功率时应使用衰减片[18]。

光电探头的激光频谱响应范围非常窄，空间均匀性也大大地低过热敏探头，测量均匀性差或者指向稳定性差的光束时的重复精度较差。

2.热敏探头。

热敏探头适合测量连续激光的功率、脉冲激光的平均功率或者脉冲串的总能量。

热敏探头吸收入射激光辐射，转换成热量，热量最终传导到热沉当中，热沉由水或者空气冷却散热，从而温度能够维持相对的稳定[5]。

吸收点与热沉点处的温度差异通过热电偶结转换成电信号，反映入射激光功率。

热敏探头可接受的激光频谱宽度和功率范围都非常宽，空间均匀性也非常高，不受光斑尺寸、光点位置或光斑不均匀性的影响。

不采取任何补偿或加速措施的情况下，热敏探头的响应时间大约是1-45秒，根据探头的尺寸而有差异。

3.热释电探头。

热释电探头适合测量脉冲能量。

热释电探头采用铁电晶体，这些晶体的电偏振度是永久不变的，入射光加热晶体，改变偶极距，产生电流。

因为热释电探头只响应温度变化率，所以被测量的光源应当是脉冲的或者经过调制的。

热释电探头在测量能量时的表现就像电容，将脉冲积分，输出电信号，信号的峰值正比于脉冲能量。

1.3课题的任务要求

（1）探头的选择：

怎样根据我们要测量的激光的波长范围和功率大小来选择合适的激光探头。

（2）电流-电压转换电路：

怎样选择合适的电流-电压转换电路把光电探头输出的电流信号转换成电压信号。

（3）信号电压的放大和调理电路：

怎样选择合适的电压放大和调理电路使电压信号满足A/D转换器的输入要求。

（4）A/D转换电路：

根据选用的单片机，怎样选择合适的A/D转换器与之相匹配。

（5）单片机的选择：

根据接口资源、存储大小等因素选择合适的单片机。

（6）显示电路：

怎样选择合适的显示器对测量结果进行显示。

（7）键盘控制电路：

根据经济、使用等因素选择合适的键盘。

（8）最小单片机系统设计：

怎样设计最小单片机系统，才能使单片机正常工作。

2总体方案论证

此设计是利用单片机、A/D转换器和显示器再结合光电检测技术而设计了一种激光功率检测系统。

该系统特点是原理简单，造价低廉，智能操作，方便实用，误差小，精度高。

它采用单片机自动采集光功率信号，然后对采集的数据进行处理。

由于该系统与单片机的结合，实现了检测过程的智能化，因而操作方便。

它的系统组成框图如图1所示。

图2.1系统组成框图

1、本系统比较关键的部分是连续激光信号的采集，所以光电探头的选择直接影响了系统的精度和功能实现。

光电探头感受入射在其上面的光功率，并把这种光功率的变化转换成相应变化的电流。

目前，适合于激光功率测量的光电探头有光电二极管探头，光电晶体管探头，热敏探头，热释电探头。

由于本次设计是为了实现对数百毫瓦量级的连续近红外激光的功率大小检测，所以本设计采用光电二极管作为探头。

光电二极管受温度影响比较小，而且工作偏压低，不需要任何控制等优点，具有广泛的应用市场。

2、本系统采用AT89C51作为系统的核心控制单元。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的与MCS-51系列单片机完全兼容的高性能CMOS8位单片机，MCS-51系列单片机以其推出时间早、配套资源丰富、开发手段完善、性价比高等特点而得到了广泛的应