1、37山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）钢球表面缺陷检测用双光路光源稳定控制技术研究（济南大学机械工程学院，山东 济南 250024）高东东，李国平，陈 浩，李 猛 摘 要 半导体激光器作为光源产生器件进行钢球表面缺陷检测时，由于其自身的材质和结构，输出光功率受注入电流和温度变化的影响很大，光源很容易产生波动，这对检测结果产生了较大的干扰，影响钢球表面缺陷检测的准确率。本文设计了一种用于钢球表面质量检测的小功率半导体激光器功率稳定系统。通过上位机对单片机烧录程序实现对半导体激光器发光功率的自动控制，系统设计有光功率反馈模块、温度控制模块和光隔离模块，可以有效的消除电流浪涌
2、现象、温度变化和反射光干扰等因素对激光器输出功率的影响，保证激光器发出恒定功率的稳定光。最后对 1310 nm 的激光器进行了测试，该系统将光功率的不稳定度从 9.37%降低到 1.42%，为后续的钢球表面缺陷检测奠定了良好的基础。关键词 钢球表面缺陷检测；半导体激光器；反馈控制；温度控制 中图分类号 TN249 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0037-06DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.006 收稿日期 2022-09-13作者简介 高东东（1998），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生；李国平（1971），男，博士，济南
3、大学机械工程学院，教授，硕士生导师；陈浩（1998），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生；李猛（1998），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生。引 言缺陷钢球在受力情况恶劣的情况下，极易产生疲劳破坏，使得轴承的实际工作时间低于其基本额定寿命，造成轴承失效，严重情况下甚至会引起安全事故。在轴承失效的众多因素当中，钢球表面的缺陷是最重要的因素1。钢球表面缺陷分为斑点、麻点、擦痕、划条、凹坑五类缺陷，另外，在对成品滚动轴承关键零件钢球的检查中，工作表面粗糙度、显微组织、碳化物网状这三类缺陷也被作为检查项目。为减少缺陷钢球的产生，不仅要改进钢球制造工艺，引进先进的生产设备，而且必须要对钢球进行表面
4、质量检测2。而在众多钢球缺陷检测方法中3，光电检测法结构简单、检测速度快、可检测多种缺陷，具有其他方法无可比拟的优势，其中，高质量的光源是保证检测准确的必要条件4。反射强度法5检测钢球表面缺陷时，通常选用半导体激光器作为光源产生器件，为保证检测的准确性，需对光源的功率和波长进行稳定控制。赵斌等6等结合 PID 控制电路和单臂电桥设计出了一种激光器温度控制系统，有效保证了激光器温度和输出光波长的稳定。李峻灵等7基于单片机实现了对半导体激光器输出功率的自动控制，并设计了激光器保护电路，使得光源达到了很好的稳定度。本文在对半导体激光器的输出特性、38钢球表面缺陷检测用双光路光源稳定控制技术研究温度特
5、性进行学习后，设计了一套双光路光源稳定控制系统，并进行了系统测试。一、功率控制原理本文设计的半导体激光器功率稳定控制系统原理图如图 1 所示。STC89C52 单片机产生 PWM电压作为压控恒流源的电压输入，改变 PWM 电压的占空比即可改变激光二极管注入电流的大小，以此得到不同功率的光。激光二极管的光功率反馈是通过对恒流源电流的负反馈来实现的，光功率采集电路中，PD 将采集到的光转换成相应大小的电流，A/D 转换模块将电信号转变为数字量并输送至单片机，单片机调整输出的 PWM电压，实现光功率的调节；温度控制模块中，热敏电阻采集激光器内部的温度，单片机对采集到的温度信号进行处理，经 PID 运
6、算后输出 PWM电压至驱动电路，MAX1968 芯片驱动 TEC 制冷或制热来保证激光器工作在稳定的温度下。整个系统中，由单片机进行控制，上位机通过 USB 接口向单片机烧录程序。此外，系统还设计有激光器保护电路、光调制电路、光隔离模块、模式指示灯和调节按键等电路。微机电源带隔离的激光器钢球单片机光功率反馈压控恒流源光纤传感器上位机TEC驱动电路温度采集图 1 功率稳定控制系统的原理框图二、电路设计1激光器模块的结构本文中，光路设计为一种同轴稀疏波分复用双激光发射模块。激光器模块集成有激光二极管（LD）、光电二极管（PD）、NTC 热敏电阻、半导体制冷器（TEC）及光隔离器。光隔离器安装在光纤
7、纤端及透镜之间，用来抑制检测系统产生的反向光对 LD 发光功率的影响8。两激光器通过波分复用器耦合连接，尾纤配备光纤连接器，如图 2 所示。图 2 激光器模块的结构及管脚定义2.光功率反馈控制电路光功率控制基于负反馈原理，利用反馈环路来控制激光二极管 LD 的驱动电流。实验中涉及发光波长为1310 nm和1550 nm的两种激光器9。两种激光器达到相同光功率所需的注入电流大小不同，故需要设计两路驱动电路。驱动电路由二阶 RC 滤波电路、压控恒流源39山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）电路组成，如图 3 所示。C52 单片机作为电压输入源，输出两路 PWM 电压。二阶 R
8、C 低通滤波电路，抑制输入源高频信号的干扰。本设计中，单片机产生的 PWM 电压频率为 1 kHZ。滤波电路中，截止频率为 1 kHZ，电阻 R 取为 10 k，由此计算得电容值为 15.92 nF，故电路中，电容 C1、C2、C27、C28 向下取为 15 nF。压控恒流源通过改变电压的大小来控制电流的变化，获得可调的电流。电路中，运算放大器采用的是德克萨斯仪器公司生产的 LM358，设计为在 5 V 单电源下工作。Q2、Q3 采用的是S8050 NPN型三级管，具有很好的电流放大特性。R4 和 C4 可以在输入电压和激光二极管瞬间变化时保持电路的稳定。R5 为高精密电阻，阻值为 100，额
9、定功率 1/4 W，精度为 0.1%，温漂系数为 25 ppm。流过 LD 的电流计算公式为：ILD=VIN/R5。根据激光器产品的测试报告，产生 2 mW 的光时，1310 nm 和 1550 nm 的 LD 所需要的理论工作电流分别为:式中，ES 为 LD 的斜率效率，单位为 mW/mA，它表征注入电流每增加 1 mA，LD 输出功率增加的 mW 值。由激光器产品的数据手册，两LD 的斜率效率分别为 0.12 mW/mA 和 0.14 mW/mA。由公式：ILD=VIN/R5，可得两路 LD 驱动电路的输入电压 VIN 分别为 2.23 V 和 2.25 V。C52单片机可输出不同占空比的
10、 PWM 电压，等效为05 V，完全满足实验要求，所对应电流的调节范围为 050 mA。此外，系统中 D1、C5、KEY4 和 D2、C8、KEY5 与 LD 并联组成 LD 保护电路，具有保护和滤除高频干扰电流的作用；函数信号发生器连接J3、SN74S04 逻辑非门芯片及 NMOS 管 Q4 组成光调制电路，可使 LD 发出调制的脉冲光。图 3 LD 驱动电路光功率反馈电路由光功率采集模块、电压放大模块和 A/D 转换模块组成，电路图如图 4 所示。激光器内部中，InGaAs PIN 光电二极管将LD 的发光功率转换为相应大小的电流，采样电阻R10、R13（阻值1 K，额定功率1/4 W,精
11、度0.1%，温漂系数 25 ppm）与 PD 串联，采集采样电阻一端的电压。由产品数据手册，LD发光功率为23 mW时，PD 的监测电流范围为 200400 uA，此时，采样电阻采集到的电压约为 0.20.4 V。设计同相比例运算电路将采集到的电压进行放大，电压的放大倍数计算公式如下。（1）由于ADC0832的输入通道电压范围为05 V，故放大倍数可取为 12、11、10 等，为保证采样精度，并且考虑到器件的安全，实验中选取的放大倍数为 11。R11 和 R14 为 20 k 的电位器，满足电压放大倍数的要求。A/D 转换模块采用的是美国国家半导体公司生产的 ADC0832芯片，它支持单端输入
12、和差分输入两种方式，作为单通道信号输入时，其输入电压精度可达（5/256）V，约 19.53 mV。实验中，ADC0832芯片的 CH0 和 CH1 引脚分别接收两路电压信号，经过转换后，输出至单片机。此外，利用40钢球表面缺陷检测用双光路光源稳定控制技术研究ADC0832 将采集到的电压值转换为对应的十进制数，并用液晶显示屏将此数值显示出来，还可监测 LD 的发光功率。此数值乘以（5/256），即为 ADC0832 采集到的电压值，它可以间接的表示 LD 的发光功率。图 4 光功率采集电路3.激光器温度控制电路温度控制系统为闭环控制，对激光器工作时的温度进行控制，以稳定 LD 的发光功率和光
13、波长。系统主要由温度采集电路、A/D 转换器、单片机系统和 TEC 驱动电路构成。温度控制系统的原理图如图 5 所示。图 5 温度控制系统原理图温度采集电路中，NTC 热敏电阻器负责采集激光器的温度，它体积小，作为温度传感器封装在激光器内部。不同温度下，NTC 热敏电阻的阻值计算公式如下:（2）式中，R 是 NTC 在 T 温度下的阻值，RRef是在温度 TRef 下的标称阻值，T 和 TRef 都是开尔文温度，是热敏电阻的材料常数。当激光器的工作温度变化 T 时，热敏电阻R 的阻值就会产生 R 的变化。将 NTC 与三个精密电阻相连接，构成单臂电桥，通过测量电桥的输出电压，便可采集到激光器的
14、温度。电桥采用电压 Vb 进行供电，产生的电压差为 Vout，二者的关系为：（3）其中，R1 为热敏电阻，R2、R3、R4 为普通精密电阻10。为了便于计算，实验中取 R1/R2=R3/R4=1。当激光器的工作温度变化量 T为 0 时，热敏电阻 R1 的阻值变化量 R 也为 0，此时电桥处于平衡状态，Vout 为 0；当激光器的工作温度发生变化时，热敏电阻 R1 的阻值就会产生 R1 的改变，此时：（4）其中，T为电阻温度系数，在TRef=25时，10 k 热敏电阻的 T=3.885%/。在激光器工作温度 T 变化 1时，Vout 仅有几十毫伏，输出电压值很小，需要对此电压进行放大。电路中，仪
15、表放大器选用的是 AD623，设计为在 5 V 单电源下工作，将其正负输入端与电桥输出端相连接，构成差分放大电路，接法如图 6 所示。图 6 温度采集电路41山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）根据产品数据手册，查得 AD623 的差分输出电压为：（5）式中，RG 为增益设置电阻，电路中用电位器作为 RG，通过调节 RG 的大小，即可获得不同增益的电压。再由ADC0832接收此电压信号，经过 A/D 转换后，输出至单片机进行处理。当激光器温度在 1040时，温度变化量 T 最大为 15（TRef=25），由式（4）可知，此时电桥输出电压 Vout 的最大值为 0.73 V
16、，对应最大放大倍数为 6，此时 RG 为 20 k。TEC 驱动电路。本设计中采用 MAX1968芯片对 TEC 进行驱动。MAX1968 芯片由两个开关降压调节器组成，工作时会在 TEC 上产生一个差分电压，可提供双向输出电流通过TEC。一般地，其 OS1 引脚接 TEC 的负极，OS2 引脚接 TEC 的正极，输出电流的方向主要通过 CTLI 引脚的电压来控制。其功能框图如图 7 所示。图 7 MAX1968 的内部结构简图通过 TEC 的电流 ITEC 与 CTLI 引脚处的电压 VCTLI 的传递函数如下所示。（6）其中，VREF 为参考电压，为 1.5 V，RSENSE为 TEC 的电流检测电阻,根据产品数据手册，TEC 的最大电流为 0.9 A，因此，设计中检测电阻阻值选定为 0.5。当 CTLI 引脚的电压等于1.5V 时，ITEC 为 零，TEC 不 工 作；当 CTLI 引脚的电压大于 1.5 V 时，ITEC 大于零，电流从OS2 流向 OS1，TEC 制冷；否则，TEC 则制热。本设计中，由单片机采用 PID 算法，不断调整输出 PWM 电压的占空比，再经过二级低