Измеритель мощности лазера

Опубликовал | 09.04.2019
Захотелось мне купить китайский лазер для выжигания на станочке с ЧПУ. Предложений много, но много и плохих отзывов. В итоге перед покупкой лазера озадачился вопросом измерения его мощности. Повторил вот эту конструкцию с небольшими изменениями. При калибровке измерителя возникли некоторые вопросы, решением которых я и хочу поделиться.

Работает такой измеритель просто. Лазером светят на зачерненную сторону термоэлемента, что вызывает ее нагрев. Соответственно на термоэлементе появляется напряжение, пропорциональное мощности лазера. Резисторы, наклеенные на термоэлемент служат для калибровки. Выделяемую на них мощность легко вычислить, зная подаваемое напряжение. В статье, ссылка на которую приведена выше, описано подробнее.

Немного о сборке измерителя. В качестве термоэлемента использован TEC1-12706.

Размеры термоэлемента 40 x 40 мм. Надпись, как я понимаю, означает следующее: TEC — Termo Electric Cooler, количество термопар — 127, рабочий ток — 6А. Это самый распространенный термоэлемент на Aliexpress, соответственно и один из самых дешевых. К одной стороне термоэлемента на клей Алсил-5 приклеил радиатор 40x40x11mm. Спаял цепочку из 6 резисторов типоразмера 2512, сопротивлением 3.6 Ом и приклеил ее к другой стороне термоэлемента. В итоге получилась вот такая конструкция.

К какой стороне что клеить по моему все равно. Но я выбирал так, чтобы при нагреве стороны с резисторами на красном проводе термоэлемента появлялся плюс. В результате радиатор оказался приклеен к стороне с надписью. Резисторы я сначала спаял в цепочку и припаял к ним провода, а потом приклеил. Если паять уже приклеенные резисторы — не уверен, что клей не отвалится.

Далее занялся калибровкой измерителя. Подал на резисторы напряжение 5.61 Вольта с лабораторного источника питания и стал мерить напряжение на термоэлементе. Получилась вот такая зависимость от времени.

Синие точки — реальные данные. Красная кривая — аппроксимация этих данных кривой y = 0.07499 + 0.02387*exp(-0.001957*x) — 0.0994*exp(-0.1135*x). Видно, что наибольшая постоянная времени — 511 секунд. А значит для полного завершения переходного процесса неплохо бы подождать в три раза больше — 25 минут. Это очень долго. Можно подождать до достижения максимума — 48 секунд. Тоже не быстро, но более или менее приемлемо.

Модель переходного процесса
Откуда берется такая зависимость напряжения на термоэлементе от времени? У меня получилась вот такая эквивалентная тепловая схема:

В эквивалентной тепловой схеме температура в градусах заменена на напряжение в вольтах (0 — температура окружающей среды). Поток тепла в Ваттах заменен на ток в Амперах. Тепловое сопротивление (градус/Ватт) — на электрическое сопротивление Ом. Теплоемоксть (Дж/градус) — на электрическую емкость (Фарад). Резистор R1 отвечает за утечку тепла со стороны термоэлемента с резисторами (далее — мишень) в окружающую среду. С1 — теплоемкость мишени. R2 — тепловое сопротивление мишень — радиатор. C3 — теплоемкость пластины термоэлемента и радиатора. R3 — тепловое сопротивление радиатор — окружающая среда. Импульсный источник тока I1 — источник тепла заданной мощности. Напряжение на термоэлементе пропорционально разности температур на его пластинах. А значит нас интересует напряжение на резисторе R2. Номиналы я подобрал так, чтобы получилась похожая на экспериментальную зависимость.

Как видно, не зависимо от тока I1 максимум достигается через одно и тоже время. Напряжение в максимуме пропорционально току I1 (можно показать, что напряжение в любой точке схемы U=I1 * f(t), f(t) — некоторая функция от времени). Вроде бы все хорошо. Но есть проблема.

При выключении источника тока начинается довольно длительный переходной процесс. Если не дождаться его окончания, во втором цикле значение в максимуме окажется меньше. Можно из напряжения в максимуме вычитать напряжение до включения источника тока. Ситуация немного улучшается, но все равно (13.4717 — 0) не равно (12.9568 + 0.6108). То есть по хорошему, после измерения мощности лазера нужно ждать, пока напряжение на термоэлементе упадет до нуля. Это долго ~20 минут. В качестве упрощенного варианта можно измерять разницу между напряжением в максимуме и напряжением до включения лазера. Но тут появляется систематическая погрешность.

Калибровка происходил так. Установил измеритель в удобное положение. Подождал, пока модуль напряжения на термоэлементе упадет ниже 0.5 мВ. Записал начальное значение. Подключил к резисторам источник напряжения. Подождал по секундомеру приблизительно 48 сек. Измерил напряжение на термоэлементе. Выключил источник напряжения. Подождал пока остынет конструкция. Повторил для другого напряжения. Получились вот такие результаты:

  1.413 В -  92 мВт -   5.7+0.2 мВ - 15.67 мВт/мВ  2.063 В - 197 мВт -  12.4+0.5 мВ - 15.27 мВт/мВ  3.272 В - 496 мВт -  31.8+0.5 мВ - 15.35 мВт/мВ  10.29 В - 4.90 Вт - 326.3+0.4 мВ - 15.0  мВт/мВ  

Первый столбец — подаваемое напряжение на резисторы. Второй — вычисленная мощность, выделяемая на резисторах. Третий — напряжение на термоэлементе в максимуме минус напряжение до подачи тепла (оно было отрицательное всегда, поэтому стоит плюс). Четвертый — коэффициент передачи измерителя. В целом до 5 Вт зависимость можно считать линейной с коэффициентом 15.3.

Далее нужно зачернить мишень. Вообще-то лучше было бы откалибровать уже зачерненный измеритель. Но повторять измерения не хотелось. Я просто закоптил мишень на свечке. Коптится поверхность только если пламя ее касается. Чтобы уменьшить риск перегрева я закоротил выход термоэлемента. Теплопередача на радиатор при этом улучшается. Но все равно есть риск испортить термоэлемент. В документации написано, что максимальная температура горячей стороны термоэлемента не должна превышать 100 градусов Цельсия. Вот фото измерителя после чернения.

Далее — попытка измерения мощности китайского красного лазерного фонарика с заявленной мощностью 200 мВт. Разместил лазер и измеритель на расстоянии ~20 см так, чтобы луч попадал на зачерненную область измерителя и чтобы ничего не нужно было держать. Подождал немного. Измерил напряжение на термоэлементе. Включил лазер. Подождал 48 сек. Измерил напряжение еще раз. Выключил лазер. Вот результат:
12.2+0.0 мВ -> 187 мВт
С учетом неидеальности чернения похоже на честные 200 мВт.

Кстати. После чернения, при размещении ладони на расстоянии 10 см на измерителе появляется напряжение чуть больше 1 мВ. То есть он чувствует тепловое излучение ладони. Ну и, естественно, на него влияют сквозняки.

Меня этот измеритель вполне устроил и переделывать его я не буду. Но, может быть, кому-нибудь пригодятся мои мысли по его улучшению: Для ускорения теплового переходного процесса при включении источника тепла лучше применить термоэлемент поменьше. Радиатор лучше использовать побольше — меньше будет снижение напряжения после прохождения максимума. А вообще, лучше использовать радиатор в виде стакана, внутри которого разместить термоэлемент. Это должно снизить чувствительность (что плохо) но зато снизит и влияние сквозняков и нагретых предметов, стоящих в стороне. И, я думаю, сделает практически незаметным падение напряжения после прохождения максимума.

Добавить в избранное 0

(c) 2017 Источник материала

Рекламные ссылки