GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung und/oder der Energie eines Lichtstrahls, wie beispielsweise eines Laserstrahls. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung nach einem kalorimetrischen Funktionsprinzip, die außerdem kompakt, leicht transportabel und schnell einsatzbereit ist und keine Einrichtung zur Kühlung benötigt.The invention relates to a device for determining the power and / or the energy of a light beam, such as a laser beam. The invention particularly relates to a device according to a calorimetric principle of operation, which is also compact, easy to transport and quick to use and requires no means for cooling.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Die Bestimmung der Energie oder der Leistung eines Lichtstrahls mittels kalorimetrischer Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Das Grundprinzip besteht darin, den Lichtstrahl auf einen Körper mit hohem Absorptionsgrad und mit einer bestimmten Wärmekapazität, die sogenannte thermische Masse, zu richten und mittels eines Temperatursensors die Änderung der Temperatur des Körpers zu messen. Die momentane Leistung des Lichtstrahls ergibt sich dann aus dem zeitlichen Differential der Temperatur. Die mittlere Leistung des Lichtstrahls ergibt sich somit aus dem Quotienten aus der Differenz der End- und der Start-Temperatur der thermischen Masse und der Differenz des End- und des Start-Zeitpunktes der Bestrahlung der thermischen Masse. Als weitere Größen gehen der Absorptionsgrad der thermischen Masse und die Wärmekapazität der thermischen Masse in die Berechnung der Strahlleistung ein.The determination of the energy or the power of a light beam by means of calorimetric methods is known from the prior art. The basic principle is to direct the light beam to a body with a high degree of absorption and with a certain heat capacity, the so-called thermal mass, and to measure the change in the temperature of the body by means of a temperature sensor. The instantaneous power of the light beam then results from the temporal differential of the temperature. The mean power of the light beam thus results from the quotient of the difference between the end and the start temperature of the thermal mass and the difference between the end and the start time of the irradiation of the thermal mass. As additional variables, the absorption coefficient of the thermal mass and the thermal capacity of the thermal mass are included in the calculation of the beam power.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 629 845 A1 offenbart eine derartige Vorrichtung. Es wird ein Strahlleistungs-Messgerät in handlicher Größe beschrieben, welches eine thermische Masse, einen Temperatur-Sensor, einen Differentiator, einen Auswertungs-Schaltkreis und eine Anzeige beinhaltet. Aus der zitierten Veröffentlichung ist bekannt, dass durch die Wärmediffusion innerhalb der thermischen Masse der Temperatur-Anstieg zu Beginn nichtlinear ist. Das verursacht eine Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Start- und des End-Zeitpunktes der Bestrahlung und damit bei der Bestimmung der Leistung. Zur Verminderung dieses Problems wird in der zitierten Veröffentlichung vorgeschlagen, die thermische Masse mit einer Kammer zwischen der Strahl-Empfängerfläche und dem Temperatursensor zu versehen, wodurch die Diffusionszeit für die Energie erhöht wird, die nahe der Kammer eingestrahlt wird.The European patent application EP 0 629 845 A1 discloses such a device. A handy sized beam power meter is described which includes a thermal mass, a temperature sensor, a differentiator, an evaluation circuit, and a display. From the cited publication it is known that due to the heat diffusion within the thermal mass, the temperature increase at the beginning is non-linear. This causes an inaccuracy in the determination of the start and the end time of the irradiation and thus in the determination of the power. To alleviate this problem, it is proposed in the cited publication to provide the thermal mass with a chamber between the beam receiving surface and the temperature sensor, thereby increasing the diffusion time for the energy radiated near the chamber.
Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Leistung eines Lichtstrahls mittels kalorimetrischer Verfahren ist begrenzt, weil die Bestimmung des Start- und des End-Zeitpunktes der Bestrahlung aus der Temperatur-Messung an der thermischen Masse relativ ungenau sein kann, insbesondere bei kurzer Bestrahlungsdauer. Demgegenüber ist eine Bestimmung der Energie des Lichtstrahls oder des Lichtstrahl-Pulses prinzipiell einfacher, weil die Bestimmung der genauen Bestrahlungsdauer nicht erforderlich ist. Die Energie ergibt sich aus der Temperatur-Differenz vor und nach der Bestrahlung des Körpers.The accuracy in determining the power of a light beam by calorimetric methods is limited because the determination of the start and end times of the irradiation from the temperature measurement on the thermal mass can be relatively inaccurate, especially with a short irradiation time. In contrast, a determination of the energy of the light beam or the light beam pulse is in principle easier, because the determination of the exact irradiation time is not required. The energy results from the temperature difference before and after the irradiation of the body.
Aber auch die Genauigkeit bei der Bestimmung der Energie ist begrenzt, weil die thermische Masse nicht vollständig thermisch isoliert sein kann, es treten prinzipiell kleine thermische Flüsse auf durch Wärmeleitung in Halterungen, durch Konvektion der Umgebungsluft und durch Wärmestrahlung. Daher ist eine gute thermische Isolation der thermischen Masse bzw. des Absorbers besonders wichtig, um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen.But also the accuracy in determining the energy is limited because the thermal mass can not be completely thermally insulated, there are in principle small thermal flows on by heat conduction in brackets, by convection of the ambient air and by heat radiation. Therefore, a good thermal insulation of the thermal mass or the absorber is particularly important in order to achieve a high accuracy of measurement.
Bei hoher thermischer Isolation des Absorbers treten andere Schwierigkeiten auf. Bei dauerhafter oder wiederholter Bestrahlung der thermischen Masse würde die Temperatur immer weiter ansteigen. Zur kontinuierlichen Messung der Strahlleistung nach dem kalorimetrischen Prinzip ist deshalb eine Kühlung des Absorbers erforderlich. Zur Bestimmung der Strahlleistung muss dann der Wärmestrom in der Kühl-Einrichtung ermittelt werden. Vorrichtungen solcher Art sind unter anderem aus der DE 10 2014 012 913 A1 bekannt. Da ein Kühlmittel benötigt wird, sind derartige Vorrichtungen eher für den stationären Betrieb geeignet.With high thermal insulation of the absorber, other difficulties arise. With permanent or repeated irradiation of the thermal mass, the temperature would continue to increase. For continuous measurement of the beam power according to the calorimetric principle cooling of the absorber is therefore required. To determine the beam power then the heat flow in the cooling device must be determined. Devices of this kind are among others from the DE 10 2014 012 913 A1 known. Since a coolant is needed, such devices are more suitable for stationary operation.
Demgegenüber sind Vorrichtungen ohne Kühlmittel und mit isolierter thermischer Masse eher für gepulste Strahlung oder für kurze Messperioden geeignet und benötigen eine Abkühl-Phase nach einer gewissen Messzeit. Andererseits können solche Vorrichtungen besonders kompakt gebaut werden und sind daher transportabel und schnell einsatzfähig.In contrast, devices without coolant and with insulated thermal mass are more suitable for pulsed radiation or for short measuring periods and require a cooling phase after a certain measuring time. On the other hand, such devices can be built very compact and are therefore portable and quick to use.
So offenbart die DE 42 43 902 A1 ein Laserleistungsmessgerät, welches einen Laserstrahlenenergieabsorber, ein Mittel zum Erfassen der Temperaturänderung des Absorbers, und eine mit dem Absorber verbundene Bedienungs- und Kontrolleinheit mit einer Handgriffoberfläche aufweist. Das Gerät kann somit zur Durchführung von Messungen manuell kurzzeitig in den Strahl gehalten werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit bei einer Leistungsmessung wird dort vorgeschlagen, ein elektronisches Zeitmessungsmittel zu verwenden. Das Zeitmessungsmittel soll eine Zeitperiode festlegen, in welcher eine Temperaturänderung des Absorbers stattfindet. Problematisch kann hierbei sein, wenn die Pulsdauer des Lichtstrahls kürzer ist als die vom Zeitmessungsmittel festgelegte Zeitperiode.So revealed the DE 42 43 902 A1 a laser power meter having a laser beam energy absorber, a means for detecting the temperature change of the absorber, and an operation and control unit having a handle surface connected to the absorber. The device can thus be held manually for a short time in the beam to carry out measurements. To increase the accuracy in a power measurement, there is proposed to use an electronic time-measuring means. The timing means is to set a period of time in which a temperature change of the absorber takes place. In this case, it may be problematic if the pulse duration of the light beam is shorter than the time period defined by the time-measuring means.
Aus der DE 102 53 905 A1 ist ein ähnliches Instrument zum Messen der Leistung einer kohärenten oder inkohärenten Strahlung bekannt. Das Instrument enthält eine Absorptionsmasse bekannter Wärmekapazität, die mit einem Haltekörper verbunden ist. Das Instrument umfasst Mittel zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Temperatur der Absorptionsmasse, wobei die Messzeit erheblich sein soll kürzer als die thermische Zeitkonstante der Absorptionsmasse. Es sind dazu zwei Temperaturfühler vorgesehen, die an verschiedenen Stellen der Absorptionsmasse angeordnet sind.From the DE 102 53 905 A1 is a similar tool for measuring the performance of a coherent or incoherent radiation. The instrument contains an absorption mass of known heat capacity, which is connected to a holding body. The instrument comprises means for detecting the temporal change in the temperature of the absorption mass, wherein the measurement time should be considerably shorter than the thermal time constant of the absorption mass. There are provided for this purpose two temperature sensors, which are arranged at different locations of the absorption mass.
Die US 7 077 564 B2 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Laserleistungsmessgerät. Das Gerät besitzt einen Absorber mit einem Temperaturfühler und eine Berechnungs- und Anzeige-Einheit. Der Absorber ist mittels einer Stange mit der Anzeige-Einheit verbunden. Mittels einer Differentiations-Schaltung wird die Änderungsrate der Absorber-Temperatur bestimmt. Ein Prozessor berechnet daraus zunächst eine eine geschätzte Leistung des Strahls und nachfolgend die Leistung des Strahls, basierend auf der geschätzten Leistung, der Temperatur, der Änderungsrate der Temperatur, und der Leistungs-bezogenen Verluste des Absorbers.The US Pat. No. 7,077,564 B2 shows another example of a laser power meter. The device has an absorber with a temperature sensor and a calculation and display unit. The absorber is connected to the display unit by means of a rod. By means of a differentiation circuit, the rate of change of the absorber temperature is determined. A processor first calculates an estimated power of the beam and subsequently the power of the beam based on the estimated power, the temperature, the rate of change of the temperature, and the power related losses of the absorber.
Die aus dem Stand der Technik bekannten handgehaltenen oder mobilen Messgeräte weisen verschiedene Nachteile auf. So ist beispielsweise der Absorber üblicherweise nicht geschützt vor Umgebungseinflüssen. Durch Wärme-Austausch mit der Umgebung wie beispielsweise Konvektion der Umgebungsluft, Wärmestrahlung und Wärmeleitung kann die Temperatur des Absorbers schwanken und die Messgenauigkeit beeinträchtigt werden. Durch Staub und Ablagerungen auf der Absorber-Oberfläche kann sich der Absorptionsgrad verändern. Der Bediener muss üblicherweise das Messgerät in der Hand halten, was bei Anwendungen in automatisierten Produktions-Anlagen nicht praktikabel ist. Ein Abstellen des Geräts würde typischerweise zu unkontrollierten Wärme-Zu- oder Abflüssen führen und die Messgenauigkeit verringern. Weiterhin muss der Messwert entweder am Gerät abgelesen werden oder das Messgerät muss mit einer entfernten Kontrolleinheit verbunden werden, was ebenso die Praktikabilität einschränkt. Die Bestimmung einer Strahlleistung ist meist weniger genau, weil die Gewinnung von Informationen über die Pulsdauer bzw. über die Bestrahlungsdauer mit Messfehlern verbunden ist.The hand-held or mobile measuring devices known from the prior art have various disadvantages. For example, the absorber is usually not protected against environmental influences. By heat exchange with the environment such as convection of the ambient air, heat radiation and heat conduction, the temperature of the absorber may fluctuate and the measurement accuracy may be affected. Dust and deposits on the absorber surface can alter the degree of absorption. The operator usually has to hold the meter in his hand, which is not practical in automated production equipment applications. Turning the unit off would typically result in uncontrolled heat inflows or outflows and reduce measurement accuracy. Furthermore, the measured value must either be read on the device or the measuring device must be connected to a remote control unit, which also limits the practicability. The determination of a beam power is usually less accurate because the extraction of information about the pulse duration or over the irradiation time is associated with measurement errors.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Strahlleistungs-Messgerät zur Verfügung zu stellen, welches hinsichtlich der Robustheit und Genauigkeit verbessert ist, besonders kompakt ist, einen breiten Einsatzbereich aufweist und Messungen ohne unmittelbare Interaktion mit einer Bedienperson ermöglicht.It is an object of this invention to provide a beam power meter which is improved in robustness and accuracy, is particularly compact, has a wide range of uses, and enables measurements without direct interaction with an operator.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung und/oder der Energie eines Lichtstrahls vorgeschlagen, welche einen Strahl-Absorber, mindestens einen ersten Temperatursensor, ein Gehäuse, eine elektronische Recheneinheit, eine drahtlose Schnittstelle, und einen elektrischen Energiespeicher zur Stromversorgung der Vorrichtung umfasst. Das Gehäuse weist einen Hohlraum auf mit einer Öffnung zu einer ersten Außenseite des Gehäuses. Der Strahlabsorber ist im Hohlraum thermisch isoliert aufgenommen. Der erste Temperatursensor ist mit dem Strahl-Absorber thermisch gekoppelt zur Erfassung einer ersten Temperatur. Die elektronische Recheneinheit ist ausgebildet zur Verarbeitung eines Signals vom ersten Temperatursensor. Die drahtlose Schnittstelle ist zum Datenaustausch mittels Funksignale ausgebildet.To achieve the object, a device for determining the power and / or the energy of a light beam is proposed, which includes a beam absorber, at least a first temperature sensor, a housing, an electronic processing unit, a wireless interface, and an electrical energy storage device for powering the device includes. The housing has a cavity with an opening to a first outside of the housing. The jet absorber is thermally insulated in the cavity. The first temperature sensor is thermally coupled to the jet absorber for detection of a first temperature. The electronic processing unit is designed to process a signal from the first temperature sensor. The wireless interface is designed for data exchange by means of radio signals.
In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung ist die drahtlose Schnittstelle ausgebildet ist zum Senden von Daten, die von der elektronischen Recheneinheit bereitgestellt sind, an ein externes Gerät.In one possible embodiment of the device, the wireless interface is configured to send data provided by the electronic processing unit to an external device.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die drahtlose Schnittstelle ausgebildet ist zum Empfang von Steuerbefehlen von einem externen Gerät.In a further embodiment of the device, the wireless interface is configured to receive control commands from an external device.
Die drahtlose Schnittstelle kann eine Schnittstelle nach dem Industriestandard IEEE 802.15.1 sein.The wireless interface can be an industry standard interface IEEE 802.15.1 be.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der an einer weiteren Außenseite des Gehäuses ein Display angeordnet ist.There is also provided an embodiment in which a display is arranged on a further outer side of the housing.
Der elektrische Energiespeicher kann eine wieder aufladbare Batterie sein.The electrical energy store may be a rechargeable battery.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich eine elektrische Schnittstelle auf, die ausgebildet sein kann zum Datenaustausch. Die elektrische Schnittstelle kann auch zur Stromversorgung der Vorrichtung ausgebildet sein. Die elektrische Schnittstelle kann weiterhin zum Laden des elektrischen Energiespeichers ausgebildet sein.In a further embodiment, the device additionally has an electrical interface, which can be designed for data exchange. The electrical interface can also be designed to supply power to the device. The electrical interface can furthermore be designed to charge the electrical energy store.
Die elektrische Schnittstelle kann eine sogenannte USB-Schnittstelle sein.The electrical interface may be a so-called USB interface.
In einer möglichen Ausführungsform weist die Vorrichtung einen zweiten Temperatursensor auf, der zur Erfassung einer Temperatur außerhalb des Strahl-Absorbers ausgebildet sein kann. Der zweite Temperatursensor kann auch ausgebildet sein zur Erfassung einer Temperatur des Gehäuses.In one possible embodiment, the device has a second temperature sensor, which may be designed to detect a temperature outside the jet absorber. The second temperature sensor may also be designed to detect a temperature of the housing.
Die elektronische Recheneinheit kann weiterhin ausgebildet sein zur Verarbeitung eines Signals des zweiten Temperatursensors. The electronic processing unit can furthermore be designed to process a signal of the second temperature sensor.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Vorrichtung einen Lichtsensor beinhaltet zur Erfassung eines geringen Anteils eines auf den Strahl-Absorber gerichteten Lichtstrahls.An embodiment is also provided in which the device includes a light sensor for detecting a small proportion of a light beam directed onto the beam absorber.
Die elektronische Recheneinheit kann auch ausgebildet sein zur Verarbeitung eines Signals des Lichtsensors und zur Bestimmung einer Bestrahlungsdauer des Strahl-Absorbers durch den Lichtstrahl.The electronic computing unit can also be designed for processing a signal of the light sensor and for determining an irradiation duration of the beam absorber by the light beam.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:The invention will be described in more detail with reference to the following figures, without being limited to the embodiments shown. It shows:
1: Eine schematische Darstellung einer grundlegenden Ausführungsform der Erfindung. 1 : A schematic representation of a basic embodiment of the invention.
2: Eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Sensoren und mehreren Schnittstellen. 2 : A schematic representation of a possible embodiment of the invention with multiple sensors and multiple interfaces.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Gehäuse 20 hat einen Hohlraum 24. Der Hohlraum 24 ist zu einer Außenseite des Gehäuses 20 hin geöffnet. Im Hohlraum 24 ist ein Strahl-Absorber 30 angeordnet, der über eine Absorber-Halterung 34 mit dem Gehäuse 20 verbunden ist. Die Absorber-Halterung 34 hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass der Strahl-Absorber 30 weitgehend thermisch isoliert im Gehäuse 20 aufgenommen ist. Der Strahl-Absorber 30 hat eine Absorber-Oberfläche 31 mit einem hohen Absorptionsgrad für auftreffende Lichtstrahlen 10. Die Absorber-Oberfläche 31 ist zur Öffnung des Gehäuses 20 hin orientiert, so dass ein Lichtstrahl 10 durch die Öffnung des Gehäuses 20 hindurch auf die Absorber-Oberfläche 31 fallen kann. Ein erster Temperatursensor 51 ist mit dem Strahl-Absorber 30 thermisch gekoppelt. Die Vorrichtung umfasst innerhalb des Gehäuses 20 weiterhin eine elektronische Recheneinheit 40, eine elektrischen Energiespeicher 42 und eine drahtlose Schnittstelle 44. Die elektronische Recheneinheit 40 ist ausgebildet zur Verarbeitung des Signals des Temperatursensors 51. Die von der elektronischen Recheneinheit 40 berechneten Daten sind von der drahtlosen Schnittstelle 44 mittels Funksignale an ein externes Gerät übermittelbar. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention. A housing 20 has a cavity 24 , The cavity 24 is to an outside of the housing 20 opened. In the cavity 24 is a jet absorber 30 arranged over an absorber holder 34 with the housing 20 connected is. The absorber holder 34 has a low thermal conductivity, so the jet absorber 30 largely thermally insulated in the housing 20 is included. The jet absorber 30 has an absorber surface 31 with a high degree of absorption for incident light rays 10 , The absorber surface 31 is to the opening of the housing 20 oriented so that a ray of light 10 through the opening of the housing 20 through to the absorber surface 31 can fall. A first temperature sensor 51 is with the jet absorber 30 thermally coupled. The device includes within the housing 20 furthermore an electronic processing unit 40 , an electrical energy storage 42 and a wireless interface 44 , The electronic processing unit 40 is designed to process the signal of the temperature sensor 51 , The from the electronic processing unit 40 Calculated data is from the wireless interface 44 can be transmitted to an external device via radio signals.
In 2 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform weist die Erfindung zusätzlich zu den in 1 dargestellten Merkmalen der ersten Ausführungsform weitere Komponenten und Merkmale auf.In 2 another possible embodiment of the invention is shown. In this embodiment, the invention features, in addition to those in 1 illustrated features of the first embodiment further components and features.
Ein Schutzglas 15 ist an der Öffnung des Gehäuses 20 angeordnet und schützt den Hohlraum 24 und den im Hohlraum 24 angeordneten Strahl-Absorber 30 vor Umgebungseinflüssen. Das Gehäuse 20 weist an einer weiteren Außenseite des Gehäuses ein Display 28 auf, welches zur Anzeige der von der elektronischen Recheneinheit 40 berechneten Energie- oder Leistungswerte des Lichtstrahls 10 ausgebildet ist. Mittels eines Tasters 29 können verschiedene Funktionen der Vorrichtung gestartet oder gesteuert werden. Der Taster 29 kann an der selben Außenseite des Gehäuses 20 angeordnet sein wie das Display 28. Ein zweiter Temperatursensor 52 ist außerhalb des Strahl-Absorbers 30 angeordnet. Der zweite Temperatursensor 52 erfasst die Temperatur des Gehäuses 20 oder die Temperatur in der Umgebung des Strahl-Absorbers 30. Ein Lichtsensor 56 ist an den Hohlraum 24 angrenzend angeordnet und erfasst einen geringen Anteil des Lichtstrahls 10. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtsensor 56 im Gehäuse 20 hinter einer Bohrung 26 angeordnet, die in den Hohlraum 24 mündet. Der geometrische Licht-Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 umfasst wenigstens einen Teil der Absorber-Oberfläche 31. Der Lichtsensor 56 ist somit in der Lage Streulicht vom Lichtstrahl 10 zu erfassen, das von der Absorber-Oberfläche 31 gestreut wird. Die elektronische Recheneinheit 40 ist ausgebildet zur Verarbeitung der Signale vom ersten Temperatursensor 51, vom zweiten Temperatursensor 52 und vom Lichtsensor 56. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine elektrische Schnittstelle 46 und einen elektrischen Steckverbinder 47.A protective glass 15 is at the opening of the housing 20 arranged and protects the cavity 24 and in the cavity 24 arranged jet absorber 30 against environmental influences. The housing 20 has a display on another outside of the housing 28 on, which is used to display the electronic processing unit 40 calculated energy or power values of the light beam 10 is trained. By means of a button 29 Various functions of the device can be started or controlled. The button 29 can be on the same outside of the case 20 be arranged like the display 28 , A second temperature sensor 52 is outside the jet absorber 30 arranged. The second temperature sensor 52 detects the temperature of the housing 20 or the temperature in the vicinity of the jet absorber 30 , A light sensor 56 is to the cavity 24 arranged adjacent and detects a small proportion of the light beam 10 , In the embodiment shown here is the light sensor 56 in the case 20 behind a hole 26 arranged in the cavity 24 empties. The geometric light detection area of the light sensor 56 comprises at least part of the absorber surface 31 , The light sensor 56 is thus capable of stray light from the light beam 10 to capture that from the absorber surface 31 is scattered. The electronic processing unit 40 is designed to process the signals from the first temperature sensor 51 , from the second temperature sensor 52 and the light sensor 56 , The device further comprises an electrical interface 46 and an electrical connector 47 ,
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, eine Vorrichtung zur Messung der Energie oder der Leistung eines Lichtstrahls zu schaffen, welche besonders genaue und schnelle Messungen ermöglicht, einfach und universell einsetzbar ist und auch ohne unmittelbare Interaktion mit einer Bedienperson Messungen ermöglicht.It is a solution to the problem of providing a device for measuring the energy or the power of a light beam, which allows very accurate and fast measurements, is easy and universally applicable and allows without direct interaction with an operator measurements.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein Gehäuse 20, eine elektronische Recheneinheit 40, einen elektrischen Energiespeicher 42, eine drahtlose Schnittstelle 44, einen Strahl-Absorber 30, und einen ersten Temperatursensor 51 beinhaltet, wie in 1 gezeigt. Der Strahl-Absorber 30 ist in einem Hohlraum 24 angeordnet, der sich im Gehäuse 20 befindet und der eine Öffnung zu einer Außenseite des Gehäuses 20 aufweist. Der Strahl-Absorber 30 ist im Gehäuse 20 thermisch isoliert aufgenommen. Dazu ist der Strahl-Absorber 30 mittels einer oder mehrerer Absorber-Halterungen 34 mit dem Gehäuse 20 verbunden. Die Absorber-Halterungen 34 bestehen aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Stahl oder einem Kunststoff. Durch die Öffnung des Gehäuses 20 kann ein Lichtstrahl 10 auf den Strahl-Absorber 30 gerichtet werden. Der Strahl-Absorber 30 hat eine Absorber-Oberfläche 31 mit einem hohen Absorptionsgrad für auftreffende Strahlung wie den Lichtstrahl 10. Die Absorber-Oberfläche 31 ist zur Öffnung des Gehäuses 20 hin orientiert, um den durch die Öffnung einfallenden Lichtstrahl 10 aufzufangen. Dabei wird die Energie des Lichtstrahls 10 zum überwiegenden Teil in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur des Strahl-Absorbers 30 ansteigt. Der erste Temperatursensor 51 ist mit dem Strahl-Absorber 30 thermisch gekoppelt. Der Temperatursensor 51 kann beispielsweise mit dem Strahl-Absorber 30 verklebt sein oder auf eine andere Weise flächig mit dem Strahl-Absorber 30 verbunden sein. Der Temperatursensor 51 kann auch in einer Bohrung im Strahl-Absorber 30 aufgenommen sein. Der Temperatursensor 51 kann an einer Symmetrie-Achse des Strahl-Absorbers 30 angeordnet sein. Der Temperatursensor 51 erfasst somit die Temperatur des Strahl-Absorbers 30, die hier als erste Temperatur bezeichnet wird. Das Signal des ersten Temperatursensors 51 wird von der elektronischen Recheneinheit 40 registriert und aufgezeichnet. Die elektronische Recheneinheit 40 kann dazu einen Datenspeicher besitzen, in dem verschiedene Daten abgelegt werden können, wie beispielsweise digitalisierte Signale des ersten Temperatursensors 51 über einen bestimmten Zeitraum, und/oder von der elektronischen Recheneinheit 40 berechnete Werte. Aus dem zeitlichen Verlauf der ersten Temperatur berechnet die elektronische Recheneinheit 40 eine Leistung und/oder eine Energie eines auftreffenden Lichtstrahls 10. Die berechneten Daten können über die drahtlose Schnittstelle 44 an ein externes Gerät übermittelt werden. Die elektronische Recheneinheit 40, der elektrische Energiespeicher 42 und die drahtlose Schnittstelle 44 sind im Gehäuse 20 angeordnet. Die drahtlose Schnittstelle 44 kann beispielsweise eine sogenannte bluetooth-Schnittstelle sein, also eine Schnittstelle nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.1 . Die drahtlose Schnittstelle 44 kann auch ein anderes zum Daten-Austausch geeignetes Funkmodul sein. Das externe Gerät kann beispielsweise ein Computersystem, oder ein sogenannter Tablet-Computer, oder ein sogenanntes Smartphone sein. Das externe Gerät kann auch ein anderes datenverarbeitendes Gerät mit einer drahtlosen Schnittstelle sein.To solve the task, a device is proposed, which is a housing 20 , an electronic processing unit 40 , an electrical energy storage 42 , a wireless interface 44 , a jet absorber 30 , and a first temperature sensor 51 includes, as in 1 shown. The jet absorber 30 is in a cavity 24 arranged in the housing 20 located and an opening to an outside of the housing 20 having. The jet absorber 30 is in the case 20 thermally insulated. This is the jet absorber 30 by means of one or more absorber holders 34 with the housing 20 connected. The absorber mounts 34 consist of a material with low thermal conductivity, such as steel or plastic. Through the opening of the housing 20 can a ray of light 10 on the jet absorber 30 be directed. The jet absorber 30 has an absorber surface 31 with a high degree of absorption for incident radiation such as the light beam 10 , The absorber surface 31 is to the opening of the housing 20 oriented to the incident through the opening light beam 10 catch. Thereby the energy of the light beam becomes 10 for the most part converted into heat, reducing the temperature of the jet absorber 30 increases. The first temperature sensor 51 is with the jet absorber 30 thermally coupled. The temperature sensor 51 For example, with the jet absorber 30 be glued or otherwise flat with the jet absorber 30 be connected. The temperature sensor 51 can also be in a bore in the jet absorber 30 be included. The temperature sensor 51 can be attached to a symmetry axis of the jet absorber 30 be arranged. The temperature sensor 51 thus detects the temperature of the jet absorber 30 , which is referred to here as the first temperature. The signal of the first temperature sensor 51 is from the electronic processing unit 40 registered and recorded. The electronic processing unit 40 For this purpose, it can have a data memory in which various data can be stored, such as digitized signals of the first temperature sensor 51 over a period of time, and / or from the electronic processing unit 40 calculated values. From the time course of the first temperature calculates the electronic processing unit 40 a power and / or an energy of an incident light beam 10 , The calculated data can be sent via the wireless interface 44 transmitted to an external device. The electronic processing unit 40 , the electrical energy storage 42 and the wireless interface 44 are in the case 20 arranged. The wireless interface 44 may be, for example, a so-called bluetooth interface, so an interface to the industry standard IEEE 802.15.1 , The wireless interface 44 may also be another suitable for data exchange radio module. The external device may be, for example, a computer system, or a so-called tablet computer, or a so-called smartphone. The external device may also be another data processing device with a wireless interface.
Eine Messung kann beispielsweise dadurch ausgelöst werden, dass die elektronische Recheneinheit 40 eine zeitliche Veränderung der ersten Temperatur des Strahl-Absorbers 30 feststellt, die oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt. Ein Messzeitraum kann dadurch beendet werden, dass die zeitliche Änderung der ersten Temperatur des Strahl-Absorbers wieder unter eine vorgegebene Schwelle fällt. Aus der Differenz der ersten Temperaturen nach Ende des Messzeitraums und vor Beginn des Messzeitraums kann die Energie des Lichtstrahls bestimmt werden. Dazu wird in der elektronischen Recheneinheit die Temperaturdifferenz mit einem Kalibrierfaktor multipliziert. Der Kalibrierfaktor enthält im wesentlichen den Quotienten aus der Wärmekapazität des Strahl-Absorbers 30 und dem Absorptionsgrad der Absorber-Oberfläche 31.A measurement can be triggered, for example, by the electronic processing unit 40 a temporal change of the first temperature of the jet absorber 30 determines that is above a predetermined threshold. A measurement period can be terminated by the temporal change of the first temperature of the jet absorber again falling below a predetermined threshold. From the difference of the first temperatures after the end of the measurement period and before the start of the measurement period, the energy of the light beam can be determined. For this purpose, the temperature difference is multiplied by a calibration factor in the electronic processing unit. The calibration factor essentially contains the quotient of the heat capacity of the jet absorber 30 and the absorptivity of the absorber surface 31 ,
Die mittlere Leistung des Lichtstrahls 10 kann von der elektronischen Recheneinheit 40 bestimmt werden mittels Division der Energie durch die Dauer des Messzeitraumes. Der Messzeitraum kann definiert sein durch die Zeitpunkte, bei denen die Änderung der ersten Temperatur eine vorgegebene Schwelle übersteigt bzw. wieder unterschreitet. Die momentane Leistung des Lichtstrahls kann näherungsweise bestimmt werden durch Bildung des zeitlichen Differentials der ersten Temperatur und Multiplikation mit dem Kalibrierfaktor.The average power of the light beam 10 can from the electronic processing unit 40 be determined by dividing the energy by the duration of the measurement period. The measuring period can be defined by the times at which the change of the first temperature exceeds or falls below a predetermined threshold. The instantaneous power of the light beam can be approximated by forming the time differential of the first temperature and multiplying by the calibration factor.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die elektronische Recheneinheit 40 dazu ausgebildet sein, den zeitlichen Temperaturverlauf des Strahl-Absorbers 30 durch geeignete Funktionen zu approximieren. Der Temperaturverlauf kann in mehreren zeitlichen Teilbereichen approximiert werden. Ein erster zeitlicher Teilbereich kann der Verlauf der ersten Temperatur vor Beginn des Einstrahlens eines Lichtstrahls 10 sein. Ein zweiter zeitlicher Teilbereich kann der Verlauf der ersten Temperatur während des Einstrahlens des Lichtstrahls 10 sein. Ein dritter zeitlicher Teilbereich kann der Temperaturverlauf nach Ende des Einstrahlens des Lichtstrahls 10 sein. Die elektronische Recheneinheit kann dazu ausgebildet sein, die Schnittpunkte der approximierten Funktionen zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich sowie zwischen dem zweiten und dem dritten Teilbereich zu berechnen und den berechneten Schnittpunkten jeweils Zeitpunkte und Temperaturen zuzuordnen. Der Messzeitraum kann dann definiert sein durch die Differenz zwischen den beiden durch Schnittpunkt-Berechnung ermittelten Zeitpunkten. Die Temperaturdifferenz kann dann gebildet werden aus der Differenz zwischen den beiden durch Schnittpunkt-Berechnung ermittelten Temperaturen. Die zur Approximation geeigneten Funktionen können beispielweise lineare Verläufe und/oder Äste von Exponentialfunktionen mit negativem Exponenten sein.In one possible embodiment of the invention, the electronic processing unit 40 be designed to the temporal temperature profile of the jet absorber 30 to approximate by suitable functions. The temperature profile can be approximated in several time subregions. A first temporal subregion may be the course of the first temperature before the beginning of the irradiation of a light beam 10 be. A second temporal subregion may be the course of the first temperature during the irradiation of the light beam 10 be. A third temporal partial region can be the temperature profile after the end of the irradiation of the light beam 10 be. The electronic computing unit can be designed to calculate the intersections of the approximated functions between the first and the second subarea as well as between the second and the third subarea and to associate the calculated intersections with respective times and temperatures. The measuring period can then be defined by the difference between the two times determined by intersection calculation. The temperature difference can then be formed from the difference between the two temperatures determined by intersection calculation. The functions suitable for approximation can be, for example, linear courses and / or branches of exponential functions with negative exponent.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektronische Recheneinheit 40 dazu ausgebildet ist, den zeitlichen Verlauf der ersten Temperatur im ersten zeitlichen Teilbereich mittels der approximierten Funktion bis zum Endzeitpunkt des Messzeitraumes zu extrapolieren und dem Endzeitpunkt des Messzeitraumes eine virtuelle Anfangs-Temperatur zuzuordnen. Die Temperaturdifferenz kann dann gebildet werden aus der Differenz der durch Schnittpunkt-Berechnung ermittelten End-Temperatur, d. h. aus der Bestimmung des Schnittpunktes zwischen dem zweiten und dem dritten zeitlichen Teilbereich, und der virtuellen Anfangs-Temperatur. Eine derart ausgebildete elektronische Recheneinheit 40 ermöglicht selbst dann sehr genaue Messungen der Energie oder der Leistung eines Lichtstrahls 10, wenn der Strahl-Absorber 30 nicht in einem thermischen Gleichgewicht ist, also z. B. sich gerade in einer Abkühl-Phase nach einer vorangegangenen Messung befindet.In a further embodiment of the invention, it is provided that the electronic processing unit 40 is adapted to the temporal Course of the first temperature in the first temporal sub-range by means of the approximated function to extrapolate to the end time of the measurement period and to assign an initial virtual temperature to the end time of the measurement period. The temperature difference can then be formed from the difference between the final temperature determined by intersection calculation, ie from the determination of the intersection point between the second and the third temporal subarea, and the virtual initial temperature. Such a trained electronic processing unit 40 allows even very accurate measurements of the energy or the power of a light beam 10 when the jet absorber 30 is not in a thermal equilibrium, so z. B. is currently in a cooling phase after a previous measurement.
Die drahtlose Schnittstelle 44 kann auch dazu ausgebildet sein, Befehle und Daten zur Steuerung der elektronischen Recheneinheit 40 von einem externen Gerät zu empfangen bzw. mit einem externen Gerät auszutauschen. Dadurch können Beginn und/oder Ende einer Messung auch durch ein externes Gerät gesteuert werden.The wireless interface 44 may also be adapted to commands and data for controlling the electronic processing unit 40 from an external device or exchange it with an external device. As a result, the beginning and / or end of a measurement can also be controlled by an external device.
Der Strahl-Absorber 30 hat vorzugsweise eine axialsymmetrische Gestalt, beispielsweise in Form einer zylindrischen Scheibe. Die Absorber-Oberfläche 31 kann eben sein, konkav oder konvex gewölbt sein, eine Innen- oder Außen-Konusfläche aufweisen, oder eine sonstige, vorzugsweise axialsymmetrische Form aufweisen. Die Absorber-Oberfläche 31 kann zur Erhöhung des Absorptionsgrades beschichtet sein, beispielsweise mit einer keramischen Beschichtung. Die Absorber-Oberfläche 31 kann auch eine Struktur aufweisen, beispielweise eine Riffelung.The jet absorber 30 preferably has an axially symmetrical shape, for example in the form of a cylindrical disc. The absorber surface 31 may be flat, be concave or convex, have an inner or outer cone surface, or have another, preferably axially symmetric shape. The absorber surface 31 may be coated to increase the degree of absorption, for example with a ceramic coating. The absorber surface 31 may also have a structure, such as a corrugation.
Die Außenseiten des Gehäuses 20 sind vorzugsweise eben und rechtwinklig zueinander angeordnet. Das Gehäuse beispielsweise quader- oder würfelförmig gestaltet sein. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Vorrichtung auf allen Außenseiten des Gehäuses 20 abzustellen und damit die Öffnung des Gehäuses 20 bzw. den Strahl-Absorber 30 auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 10 auszurichten.The outsides of the case 20 are preferably arranged flat and at right angles to each other. The housing, for example, be cuboid or cube-shaped. This makes it possible in a simple manner, the device on all outer sides of the housing 20 shut off and thus the opening of the housing 20 or the jet absorber 30 on the propagation direction of the light beam 10 align.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf, wie nachfolgend aufgezeigt wird.The device according to the invention has numerous advantages over the devices known from the prior art, as will be shown below.
Durch den thermisch isolierten Einbau des Strahl-Absorbers 30 in das Gehäuse 20 ist der Strahl-Absorber 30 gekapselt und vor thermischen und anderen Umgebungseinflüssen geschützt. Damit sind die durch thermische Zeitkonstanten bedingte Temperaturänderungsraten, z. B. die Abkühlrate des Strahl-Absorbers 30 nach einer Messung, sehr gering und nicht von äußeren Umgebungsbedingungen abhängig. Damit kann das Gerät problemlos für eine Messung auf einer optischen Bank oder auf einer Arbeitsfläche einer Bearbeitungsanlage abgestellt werden, ohne dass dadurch die thermischen Flüsse verändert werden. Dadurch werden besonders genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht.Due to the thermally insulated installation of the jet absorber 30 in the case 20 is the jet absorber 30 encapsulated and protected against thermal and other environmental influences. Thus, the conditional by thermal time constants temperature change rates, eg. As the cooling rate of the jet absorber 30 after a measurement, very low and not dependent on external environmental conditions. This allows the device to be easily parked for measurement on an optical bench or on a work surface of a machining facility without altering the thermal flows. This allows particularly accurate and reproducible measurements.
Das erfindungsgemäße Strahlleistungs-Messgerät muss nicht von einer Bedienperson in den Strahlweg eines Lichtstrahls 10 gehalten werden, sondern kann einfach auf einer Arbeitsfläche abgestellt werden. Dies ist besonders vorteilhaft in automatisierten Produktions-Anlagen beispielsweise in der Lasermaterialbearbeitung, weil dort die Anlagen üblicherweise als Sicherheitszelle ausgeführt sind und ein Betreten der Anlage während der Emission der Laserstrahlung nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen zulässig ist.The beam power measuring device according to the invention does not have to be in the beam path of a light beam by an operator 10 can be held, but can be easily parked on a work surface. This is particularly advantageous in automated production systems, for example in the laser material processing, because there the plants are usually designed as a safety cell and entering the system during the emission of the laser radiation is only allowed under special security precautions.
Aufgrund der Datenübertragung mittels der drahtlosen Schnittstelle 44 ist es auch nicht erforderlich, dass die Mess-Ergebnisse an der Vorrichtung abgelesen werden müssen. Damit entfällt auch die Notwendigkeit der Verlegung von elektrischen Kabeln zum Daten-Austausch oder zur Energieversorgung der Vorrichtung.Due to the data transmission via the wireless interface 44 It is also not necessary that the measurement results must be read on the device. This eliminates the need for the installation of electrical cables for data exchange or power supply of the device.
Durch die Kapselung des Strahl-Absorbers 30 ist die Absorber-Oberfläche 31 auch vor Staub geschützt. Durch Staub kann der Absorptionsgrad der Absorber-Oberfläche 31 verändert werden, wodurch die Kalibrierung ungültig werden kann und die Ergebnisse der Messungen verfälscht werden können.By encapsulating the jet absorber 30 is the absorber surface 31 also protected from dust. Dust can increase the absorptivity of the absorber surface 31 which can invalidate the calibration and falsify the results of the measurements.
Die Erfassung der Temperaturdifferenz vor und nach dem Einstrahlen eines Lichtstrahls 10 durch die elektronische Recheneinheit 40 ermöglicht die Ausführung mehrerer Messungen nacheinander.The detection of the temperature difference before and after the irradiation of a light beam 10 through the electronic processing unit 40 allows you to take multiple measurements in succession.
Die Erfindung kann entsprechend der nachfolgend aufgeführten Ausführungsformen und den weiteren aufgeführten Merkmalen auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt zu sein.The invention can advantageously be further developed according to the embodiments listed below and the other features listed in various ways, without being limited to the illustrated embodiments.
An der Außenseite des Gehäuses 20 mit der Öffnung zum Hohlraum 24 kann ein Schutzglas 15 angeordnet sein, welches die Öffnung zum Hohlraum 24 abschließt. Dadurch ist der Strahl-Absorber 30 noch besser vor Staub geschützt und der thermische Austausch des Strahl-Absorbers 30 mit der Umgebung, wie beispielsweise durch Konvektion, wird noch weiter reduziert. Das Schutzglas kann wechselbar angeordnet sein, um es bei eventuellen Beschädigungen oder Verschmutzungen leicht austauschen zu können.On the outside of the case 20 with the opening to the cavity 24 can a protective glass 15 be arranged, which is the opening to the cavity 24 concludes. This is the jet absorber 30 even better protected from dust and the thermal exchange of the jet absorber 30 with the environment, such as by convection, is further reduced. The protective glass can be arranged changeable in order to easily replace it in case of damage or contamination.
An einer weiteren Außenseite des Gehäuses 24 kann ein Display angeordnet sein, welches zur Anzeige von Messwerten, Mess-Ergebnissen wie Energie und/oder Leistung, die durch die elektronische Recheneinheit 40 bestimmt wurden, und anderen Daten ausgebildet ist. Beispielsweise kann auch die Temperatur des Strahl-Absorbers 30 angezeigt werden oder bei zu hoher Temperatur des Strahl-Absorbers 30 eine Warnung ausgegeben werden. On another outside of the housing 24 For example, a display can be arranged which is used to display measured values, measurement results such as energy and / or power produced by the electronic processing unit 40 were determined, and other data is formed. For example, the temperature of the jet absorber 30 be displayed or at too high temperature of the jet absorber 30 a warning will be issued.
Zur Steuerung und Bedienung der Vorrichtung kann ein Taster 29 an einer Außenseite des Gehäuses 20 vorgesehen sein. Der Taster 29 kann an derselben Seite angeordnet sein wie das Display 28. Der Taster 29 kann zur Steuerung verschiedener Funktionen ausgebildet sein wie beispielsweise zum Ein- oder Aus-Schalten, zum Starten oder Beenden einer Messung, und/oder zum Abruf von Mess-Ergebnissen und anderen Daten.For controlling and operating the device can be a button 29 on an outside of the housing 20 be provided. The button 29 can be located on the same side as the display 28 , The button 29 can be designed to control various functions such as on or off, to start or stop a measurement, and / or to retrieve measurement results and other data.
Zusätzlich zum ersten Temperatursensor 51 können weitere erste Temperatursensoren am Strahl-Absorber 30 angeordnet sein und mit dem Strahl-Absorber 30 thermisch gekoppelt sein. Die ersten Temperatursensoren können in einer symmetrischen Anordnung am Strahl-Absorber 30 angebracht sein. Die elektronische Recheneinheit 40 ist in diesem Fall ausgebildet zum Registrieren und Aufzeichnen der Signale aller ersten Temperatursensoren oder zum Registrieren und Aufzeichnen eines Mittelwertes der Signale der ersten Temperatursensoren.In addition to the first temperature sensor 51 can be further first temperature sensors on the jet absorber 30 be arranged and with the jet absorber 30 be thermally coupled. The first temperature sensors can be in a symmetrical arrangement on the jet absorber 30 to be appropriate. The electronic processing unit 40 is in this case designed to register and record the signals of all first temperature sensors or to register and record an average value of the signals of the first temperature sensors.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter Temperatursensor 52 vorgesehen, der außerhalb des Strahl-Absorbers 30 angeordnet ist. Der zweite Temperatursensor 52 ist ausgebildet zur Erfassung einer Temperatur in der Umgebung des Strahl-Absorbers 30 oder einer Temperatur des Gehäuses 20. Dazu kann der zweite Temperatursensor 52 beispielsweise im Hohlraum 24 auf der von der Absorber-Oberfläche 31 abgelegenen Seite angeordnet sein, ohne mit dem Strahl-Absorber 30 verbunden zu sein. Der zweite Temperatursensor 52 kann auch mit dem Gehäuse 20 verbunden sein. Die elektronische Recheneinheit 40 ist in dieser Ausführungsform ausgebildet zum Registrieren und Aufzeichnen des Signals des ersten Temperatursensors 51 und des Signals des zweiten Temperatursensors 52. Die elektronische Recheneinheit 40 kann ausgebildet sein zum Vergleichen der Temperaturen des ersten Temperatursensors 51 und des zweiten Temperatursensors 52. Aus dem Vergleich der Temperaturen können Rückschlüsse gezogen werden auf die zu erwartende Temperaturdrift des Strahl-Absorbers 30. Dadurch kann genauer unterschieden werden, ob eine Signal-Änderung auf die Einstrahlung eines Lichtstrahls 10 zurückzuführen ist oder auf einem thermischen Ungleichgewicht zwischen Strahl-Absorber 30 und der Umgebung beruht. Die Bestimmung der Energie oder der Leistung des Lichtstrahls 10 kann dadurch noch genauer erfolgen. Statt eines einzelnen zweiten Temperatursensors 52 können auch mehrere zweite Temperatursensoren vorgesehen sein, die im Gehäuse 20 oder im Hohlraum 24 verteilt sind.In a further embodiment of the invention is a second temperature sensor 52 provided outside the jet absorber 30 is arranged. The second temperature sensor 52 is designed to detect a temperature in the vicinity of the jet absorber 30 or a temperature of the housing 20 , For this purpose, the second temperature sensor 52 for example, in the cavity 24 on the from the absorber surface 31 be located on the remote side, without using the jet absorber 30 to be connected. The second temperature sensor 52 can also with the case 20 be connected. The electronic processing unit 40 is formed in this embodiment for registering and recording the signal of the first temperature sensor 51 and the signal of the second temperature sensor 52 , The electronic processing unit 40 may be configured to compare the temperatures of the first temperature sensor 51 and the second temperature sensor 52 , From the comparison of the temperatures conclusions can be drawn on the expected temperature drift of the jet absorber 30 , This makes it possible to differentiate more precisely whether a signal change is due to the irradiation of a light beam 10 is due or due to a thermal imbalance between jet absorber 30 and the environment is based. The determination of the energy or the power of the light beam 10 This can be done even more precisely. Instead of a single second temperature sensor 52 It is also possible to provide a plurality of second temperature sensors which are located in the housing 20 or in the cavity 24 are distributed.
Die Vorrichtung kann weiterhin mit einem Lichtsensor 56 ausgestattet sein. Der Lichtsensor 56 ist ausgebildet zur Erfassung eines geringen Anteils eines auf den Strahl-Absorber 30 gerichteten Lichtstrahls 10. Bei dem geringen Anteil des Lichtstrahls 10 kann es sich beispielsweise um Streulicht handeln, das zu einem kleinen Anteil an der Absorber-Oberfläche 31 erzeugt wird, wenn der Lichtstrahl 10 auf den Strahl-Absorber 30 fällt. Vorzugsweise ist der Lichtsensor 56 so angeordnet, dass die Absorber-Oberfläche 31 wenigstens teilweise im geometrisch-optischen Licht-Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 kann dazu beispielsweise im Gehäuse 20 fluchtend mit einer Bohrung 26 angeordnet sein, wobei die Bohrung 26 in einen Teil des Hohlraums 24 mündet, der sich zwischen dem Strahl-Absorber 30 und der Öffnung im Gehäuse 20 befindet. Zwischen dem Lichtsensor 56 und dem Hohlraum 24 mit dem Strahl-Absorber 30 kann auch ein Lichtleiter angeordnet sein. Die elektronische Recheneinheit 40 ist in dieser Ausführungsform ausgebildet zum Registrieren und Aufzeichnen des Signals des ersten Temperatursensors 51 und des Signals des Lichtsensors 56, sowie gegebenenfalls des Signals des zweiten Temperatursensors 52. Mit dem Signal des Lichtsensors 56 steht der elektronischen Recheneinheit 40 ein Signal zur Verfügung, welches näherungsweise proportional zur Leistung des eingestrahlten Lichtstrahls 10 ist. Als Lichtsensor 56 kann beispielsweise eine Fotodiode verwendet werden. Eine Fotodiode hat eine sehr kurze Signal-Anstiegszeit und liefert somit Signale mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung. Anhand des Signals des Lichtsensors 56 kann die elektronische Recheneinheit 40 den Beginn und das Ende eines Lichtpulses oder eines Bestrahlungszeitraumes sehr genau registrieren und damit die Leistung des Lichtstrahls 10 mit noch höherer Genauigkeit bestimmen.The device may further include a light sensor 56 be equipped. The light sensor 56 is designed to detect a small proportion of one on the jet absorber 30 directed light beam 10 , With the small proportion of the light beam 10 For example, it may be stray light, resulting in a small amount of the absorber surface 31 is generated when the light beam 10 on the jet absorber 30 falls. Preferably, the light sensor 56 arranged so that the absorber surface 31 at least partially in the geometrical-optical light detection area of the light sensor 56 lies. The light sensor 56 can do this, for example, in the housing 20 in alignment with a hole 26 be arranged, with the bore 26 into a part of the cavity 24 which flows between the jet absorber 30 and the opening in the housing 20 located. Between the light sensor 56 and the cavity 24 with the jet absorber 30 can also be arranged a light guide. The electronic processing unit 40 is formed in this embodiment for registering and recording the signal of the first temperature sensor 51 and the signal of the light sensor 56 , and optionally the signal of the second temperature sensor 52 , With the signal of the light sensor 56 is the electronic processing unit 40 a signal is available which is approximately proportional to the power of the incident light beam 10 is. As a light sensor 56 For example, a photodiode can be used. A photodiode has a very short signal rise time and thus provides signals with a very high temporal resolution. Based on the signal of the light sensor 56 can the electronic processing unit 40 register the beginning and the end of a light pulse or an irradiation period very accurately and thus the power of the light beam 10 determine with even higher accuracy.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die elektronische Recheneinheit 40 dazu ausgebildet sein, den Anfangszeitpunkt und den Endzeitpunkt des Einstrahlens des Lichtstrahls 10 auf den Strahl-Absorber 30 aus dem Signal des Lichtsensors 56 zu ermitteln. Die elektronische Recheneinheit 40 kann dazu ausgebildet sein, den Verlauf der ersten Temperatur des Temperatursensors 51 bzw. des Strahl-Absorbers 30 in dem ersten zeitlichen Teilbereich vor dem ermittelten Anfangszeitpunkt zu approximieren und über den ermittelten Anfangszeitpunkt hinaus zu extrapolieren. Die elektronische Recheneinheit 40 kann weiter dazu ausgebildet sein, den Verlauf der ersten Temperatur des Temperatursensors 51 bzw. des Strahl-Absorbers 30 in dem dritten Teilbereich nach dem ermittelten Endzeitpunkt zu approximieren und in den Bereich vor dem ermittelten Endzeitpunkt zu extrapolieren. Aus dem ermittelten Anfangszeitpunkt und dem ermittelten Endzeitpunkt können geeignete Zeitmarkierungen bestimmt werden. Geeignete Zeitmarkierungen können beispielsweise der Anfangszeitpunkt, der Endzeitpunkt, oder der Mittelzeitpunkt aus Anfangs- und Endzeitpunkt sein. Aus den approximierten und extrapolierten Verläufen der ersten Temperatur im ersten und im dritten zeitlichen Teilbereich können an den geeigneten Zeitmarkierungen extrapolierte Temperaturen bestimmt werden und eine Temperaturdifferenz aus der extrapolierten Temperatur des dritten zeitlichen Teilbereichs und der extrapolierten Temperatur des ersten zeitlichen Teilbereichs gebildet werden. Aus der Temperaturdifferenz kann die Energie des Lichtstrahls 10 bestimmt werden. Aus der Temperaturdifferenz und der Differenz aus Endzeitpunkt und Anfangszeitpunkt kann die Leistung des Lichtstrahls 10 bestimmt werden.In a further embodiment of the invention, the electronic processing unit 40 be adapted to the start time and the end time of the irradiation of the light beam 10 on the jet absorber 30 from the signal of the light sensor 56 to investigate. The electronic processing unit 40 may be adapted to the course of the first temperature of temperature sensor 51 or of the jet absorber 30 in the first temporal subregion before the determined starting time to approximate and to extrapolate beyond the determined starting time. The electronic processing unit 40 may be further adapted to the course of the first temperature of the temperature sensor 51 or of the jet absorber 30 in the third sub-range after the determined end time to approximate and extrapolate into the range before the determined end time. From the determined starting time and the determined end time suitable time marks can be determined. Suitable timestamps may be, for example, the start time, the end time, or the middle time from the start and end times. From the approximated and extrapolated gradients of the first temperature in the first and in the third temporal subarea, extrapolated temperatures can be determined at the suitable time markings and a temperature difference can be formed from the extrapolated temperature of the third temporal subarea and the extrapolated temperature of the first temporal subarea. From the temperature difference can the energy of the light beam 10 be determined. From the temperature difference and the difference between the end time and the starting time, the power of the light beam can 10 be determined.
Weiterhin kann die elektronische Recheneinheit 40 aus dem Signal des Lichtsensors 56 den zeitlichen Verlauf der Intensität des Lichtstrahls 10 registrieren. Anhand des zeitlichen Verlaufs der Intensität des Lichtstrahls 10 können weitere Parameter berechnet werden, beispielsweise eine Spitzenleistung des Lichtstrahls 10.Furthermore, the electronic processing unit 40 from the signal of the light sensor 56 the time course of the intensity of the light beam 10 to register. Based on the time course of the intensity of the light beam 10 Further parameters can be calculated, for example a peak power of the light beam 10 ,
Die Vorrichtung kann weiterhin eine elektrische Schnittstelle 46 umfassen. Die elektrische Schnittstelle 46 ist ausgebildet zur Übertragung von Daten und/oder Steuerbefehlen zu oder von einem externen Gerät. Die elektrische Schnittstelle 46 kann ausgebildet sein zur Energieversorgung der Vorrichtung und/oder zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 42 der Vorrichtung. Zur Herstellung einer Verbindung mit der elektrischen Schnittstelle 46 ist am Gehäuse 20 ein elektrischer Steckverbinder 47 angeordnet. Die elektrische Schnittstelle 46 kann beispielsweise eine sogenannte USB-Schnittstelle sein.The device may further comprise an electrical interface 46 include. The electrical interface 46 is designed for transmitting data and / or control commands to or from an external device. The electrical interface 46 can be designed to power the device and / or to charge the electrical energy storage 42 the device. To connect to the electrical interface 46 is on the case 20 an electrical connector 47 arranged. The electrical interface 46 For example, it can be a so-called USB interface.
Bei Überschreitung einer maximalen Temperatur des Strahl-Absorbers 30 kann ein Warnsignal ausgegeben werden. Das Warnsignal kann als Interlock-Signal verwendet werden, um eine weitere Leistungsabgabe einer Lichtquelle oder Laserquelle zu blockieren.When exceeding a maximum temperature of the jet absorber 30 a warning signal can be issued. The warning signal can be used as an interlock signal to block another power output from a light source or laser source.
Der elektrische Energiespeicher 42 kann beispielsweise eine Batterie oder eine wieder aufladbare Batterie sein. Der elektrische Energiespeicher 42 kann auch eine sogenannte Lithiumzelle sein.The electrical energy storage 42 For example, it may be a battery or a rechargeable battery. The electrical energy storage 42 may also be a so-called lithium cell.
Die ersten Temperatursensoren 51 und die zweiten Temperatursensoren 52 können temperaturabhängige Widerstände sein, wie beispielsweise Pt100 oder Pt1000. Als Temperatursensoren 51, 52 können auch Thermoelemente oder Halbleiter-Sensoren verwendet werden.The first temperature sensors 51 and the second temperature sensors 52 may be temperature dependent resistors, such as Pt100 or Pt1000. As temperature sensors 51 . 52 Thermocouples or semiconductor sensors can also be used.
Der Strahl-Absorber 30 kann aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Als Material kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium zum Einsatz kommen.The jet absorber 30 may consist of a material with high thermal conductivity. As a material, for example, copper or aluminum can be used.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr kompakt aufgebaut sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 20 eine rechteckige Form aufweisen, dessen Abmessungen innerhalb eines Würfels mit der Kantenlänge 80 mm liegen.The device according to the invention can be constructed very compact. For example, the housing 20 have a rectangular shape whose dimensions are within a cube with the edge length 80 mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls verwendet werden. Der Laserstrahl kann beispielsweise von einem Festkörperlaser, einem Faserlaser, einem Diodenlaser, einem Gaslaser, oder von einem anderen Lasersystem emittiert werden.The device according to the invention can be used for measuring the power or the energy of a laser beam. The laser beam can be emitted, for example, from a solid-state laser, a fiber laser, a diode laser, a gas laser, or from another laser system.
Der Lichtstrahl 10 oder der Laserstrahl kann kohärent, inkohärent oder teilkohärent sein. Der Lichtstrahl 10 oder der Laserstrahl kann divergent, konvergent oder kollimiert sein.The light beam 10 or the laser beam may be coherent, incoherent or partially coherent. The light beam 10 or the laser beam may be divergent, convergent or collimated.
Die Vorrichtung kann die Messung der Leistung von Lichtstrahlen oder Laserstrahlen in einem Bereich von bis zu 10 kW ermöglichen.The device can enable the measurement of the power of light beams or laser beams in a range of up to 10 kW.
Die erfindungsgemäße Strahlleistungs-Messvorrichtung kann eingesetzt werden zur Bestimmung der Laserleistung eines von einem Bearbeitungskopf in der Bearbeitungszone einer Lasermaterialbearbeitungsanlage ausgestrahlten Laserstrahls.The beam power measuring device according to the invention can be used to determine the laser power of a laser beam emitted by a machining head in the machining zone of a laser material processing installation.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1010
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Lichtstrahlbeam of light
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1515
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Schutzglasprotective glass
-
2020
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Gehäusecasing
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2424
-
Hohlraumcavity
-
2626
-
Bohrungdrilling
-
2828
-
Displaydisplay
-
2929
-
Tasterbutton
-
3030
-
Strahl-Absorber-Ray absorber
-
3131
-
Absorber-OberflächeAbsorber surface
-
3434
-
Absorber-HalterungAbsorber bracket
-
4040
-
Elektronische RecheneinheitElectronic processing unit
-
4242
-
Elektrischer Energiespeicher (Batterie)Electric energy storage (battery)
-
4444
-
Drahtlose Schnittstelle (Funkmodul)Wireless interface (wireless module)
-
4646
-
Elektrische SchnittstelleElectrical interface
-
4747
-
Elektrischer SteckverbinderElectrical connector
-
5151
-
Erster TemperatursensorFirst temperature sensor
-
5252
-
Zweiter TemperatursensorSecond temperature sensor
-
5656
-
Lichtsensorlight sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 0629845 A1 [0003] EP 0629845 A1 [0003]
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DE 102014012913 A1 [0006] DE 102014012913 A1 [0006]
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DE 4243902 A1 [0008] DE 4243902 A1 [0008]
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DE 10253905 A1 [0009] DE 10253905 A1 [0009]
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US 7077564 B2 [0010] US 7077564 B2 [0010]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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IEEE 802.15.1 [0016] IEEE 802.15.1 [0016]
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IEEE 802.15.1 [0032] IEEE 802.15.1 [0032]