用于氣體檢測的近紅外半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)

方雁群 李冬 楊清永

摘 要：隨著半導(dǎo)體材料及工藝的進步，分布反饋式（DFB）半導(dǎo)體激光器性能得到大幅度提升，其線寬愈來愈窄，從而增強了對待測氣體的選擇性。借助于可調(diào)諧激光二極管光譜吸收法（TDLAS），通過改變激光器中心工作波長，可有效掃過待測氣體吸收峰，使用除光聲光譜法和直接光譜吸收法外，基于DFB激光器的TDLAS方法成為檢測水汽、甲烷、一氧化碳等氣體的常見方法。為了保證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，穩(wěn)定激光器的輸出波長尤為重要，為此，本文就針對用于氣體檢測的近紅外半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)展開分析與研究。

關(guān)鍵詞：氣體檢測;近紅外半導(dǎo)體;激光器溫控系統(tǒng)

導(dǎo)言：

與模擬溫控系統(tǒng)相比，數(shù)字式溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，但一般需采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來達到較高準(zhǔn)確度.當(dāng)系統(tǒng)工作負荷較大時，尤其是工作于對實時性要求嚴格的場合時，復(fù)雜算法的運算時間嚴重制約系統(tǒng)性能。現(xiàn)有的溫度控制器體積較大且價格昂貴，無法集成在便攜式氣體檢測系統(tǒng)中。研制出體積小、成本低、性能優(yōu)越的溫度控制器成為研制便攜式氣體檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 溫度控制系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖主要包括控制器模塊、溫度采集模塊、TEC、TEC控制模塊和液晶顯示模塊。系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程如下：溫度采集模塊通過蝶形封裝內(nèi)部的負溫度系數(shù)熱敏電阻及外置熱敏電阻實時采集被控器件的工作溫度，主控制器（STM32）將采集的器件工作溫度與設(shè)定值進行對比，采用數(shù)字比例-積分-微分（PID）算法處理，根據(jù)計算結(jié)果控制TEC電流控制器驅(qū)動TEC進而實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器的溫度控制;與主控制器類似，輔控制器（STM32）采集半導(dǎo)體器件工作溫度，經(jīng)PID數(shù)據(jù)處理后，輸出2路脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，分別控制由金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）組成的2路開關(guān)電路，進而控制兩片四級TEC（一片負責(zé)加熱，一片負責(zé)制冷）的通斷時間，保證半導(dǎo)體器件工作溫度的恒定。系統(tǒng)采用一塊1.44寸的彩色液晶屏，顯示2路器件的目標(biāo)溫度與當(dāng)前實時溫度，兩個控制器之間采用串行外設(shè)接口（SPI）方式進行數(shù)據(jù)交換。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 電源及抗干擾設(shè)計

溫控系統(tǒng)工作時，由于TEC驅(qū)動芯片正常工作時會產(chǎn)生500kHz的開關(guān)噪聲，且控制MOS管工作的PWM信號也會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，這都將影響系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。為了保證溫度控制的準(zhǔn)確度，需要對系統(tǒng)工作電源進行處理.系統(tǒng)采用12V供電，利用兩片低壓差可調(diào)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為兩路5V電壓，該穩(wěn)壓器最大電流可達7.5A，輸出電壓準(zhǔn)確度為1%，電源抑制比為72dB，可有效保證電源穩(wěn)定性。一路5V電壓為DAC及ADC供電，另一路為TEC驅(qū)動電路供電，各電源電壓輸入端口及各集成芯片電源引腳均并聯(lián)接入鉭電容及陶瓷電容來抑制電源紋波。對溫度采集電路及TEC驅(qū)動電路的地平面利用共模電感進行隔離，以確保ADC采集的準(zhǔn)確性及DAC輸出的精確性。

2.2 溫度采集電路

系統(tǒng)采用熱敏電阻RTD與外部電阻構(gòu)成惠斯通橋，儀表放大器具有高增益，低功耗，低噪聲等優(yōu)點，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號.該電壓信號送入采樣速率達到250ksp的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，用于控制器實時檢測被控器件的工作溫度.為保證ADC采集的準(zhǔn)確性，除為其單獨供電以及地平面隔離外，同時利用外部基準(zhǔn)芯片為其提供5v的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)芯片輸出電壓偏差<0，05%，溫度漂移為3ppm/℃，具有高準(zhǔn)確度及低溫漂系數(shù)。

2.3 半導(dǎo)體制冷器控制電路

針對激光器的內(nèi)置TEC，本文采用TEC控制芯片為其驅(qū)動，通過5V供電，能夠提供±3A雙極性輸出，當(dāng)外加電壓大于內(nèi)置的1.5V基準(zhǔn)電壓時，TEC電流正向流動，實現(xiàn)對激光器的加熱;反之，TEC電流反向，實現(xiàn)對激光器的制冷。主控制器STM32利用采集的溫度值與設(shè)定溫度值通過PID算法計算的結(jié)果，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出相應(yīng)電壓控制可工作在-40℃到+85℃溫度范圍，采用強散熱型的TSSOP-EP封裝，工作時電流較大，易產(chǎn)生熱量，使用時應(yīng)注意散熱，否則會影響其正常工作。

2.4 半導(dǎo)體制冷器

TEC也稱熱電制冷片，利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成.當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料連結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，熱量從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端.為了使TEC兩端能夠承受更大的溫差，通常會對TEC進行級聯(lián)。相比于一級TEC，四級TEC具有更大的溫差，能夠?qū)崿F(xiàn)更寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)使用的四級TEC工作環(huán)境溫度范圍-50℃～80℃，最大溫差電流為3A，最大溫差≥107℃。TEC需要高效散熱，否則很難達到預(yù)期控溫效果，甚至損壞。

2.5 模擬PID電路設(shè)計

由于激光器工作環(huán)境溫度差異很大，散熱條件亦不相同，很難根據(jù)激光器工作環(huán)境及該環(huán)境下激光器的散熱情況構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型進行理論分析。當(dāng)被控對象的精確模型難以得到時，經(jīng)典控制理論也難以得到定性分析結(jié)果，使用PID控制器的電路結(jié)構(gòu)及參量必須根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試現(xiàn)象來確定.無論系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜與否，PID理論總是對系統(tǒng)誤差進行比例放大、積分及微分運算、輸出調(diào)節(jié)量來使誤差量降到最低。比例放大控制器的輸出電壓正比于輸入信號電壓.積分控制器的輸出電壓是對輸入信號的積分，用于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差.微分控制器的輸出電壓是對輸入信號的微分，反映的是信號的變化程度。設(shè)計中采用位置式PID算法。

3 實驗與結(jié)果研究

3.1 實驗測試裝置

對系統(tǒng)軟件和硬件集成后，所研制的半導(dǎo)體激光器溫度控制器利用該系統(tǒng)，對半導(dǎo)體研究所研制的中心波長為1.862μm的DFB激光器（用于水汽檢測）做了溫度控制實驗。實驗中，一方面，利用光譜儀測量激光器的輸出光譜，另一方面，DSP將實時采集到的溫度信息傳遞給PC機，以此檢測激光器的工作溫度。

3.2 溫度控制實驗

實驗中設(shè)定激光器的目標(biāo)溫度為20℃，實驗室初始環(huán)境溫度為25℃。在零時刻啟動控溫過程后，實驗測得的激光器實時工作溫度?？梢钥吹剑す馄鞯膶嶋H溫度可達到所設(shè)定的理論值，溫度波動范圍為（0.05～+0.05℃.可知，從啟動控溫開始到溫度最終達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間約為1min。

3.3 光譜測試

固定激光器的驅(qū)動電流為50mA，利用溫度控制器使激光器工作在不同溫度下（20～30℃），同時測量激光器的輸出光譜?？芍?，隨著溫度的增加，激光器峰值輸出波長也隨之增大。在60和70mA的工作電流下，觀察到同樣的實驗現(xiàn)象。

另一方面，固定激光器的工作溫度，逐漸增大其驅(qū)動電流，同時利用光譜儀測量激光器的輸出譜?？梢娫诓煌瑴囟认?，隨著驅(qū)動電流的增加，激光器峰值激射波長與工作電流呈良好的線性關(guān)系。說明所研制的模擬PID溫度控制器具有較好的性能。

4 結(jié)語

綜上可知，為了降低軟件設(shè)計復(fù)雜度并提高分布反饋激光器發(fā)光波長的控制準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性，本文設(shè)計了一種基于模擬PID并用于氣體檢測的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)的溫度控制范圍為10℃～50℃，溫度控制的準(zhǔn)確度為±0.05℃，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間小于60s。當(dāng)激光器驅(qū)動電流一定時，改變激光器工作溫度可有效調(diào)諧激光器工作波長;當(dāng)激光器工作溫度一定時，測得的激光器峰值波長與驅(qū)動電流呈良好的線性關(guān)系。

參考文獻：

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