用于氣體檢測的近紅外半導體激光器溫控系統

方雁群 李冬 楊清永

摘 要：隨著半導體材料及工藝的進步，分布反饋式（DFB）半導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。為了保證測量系統的穩定性和可靠性，穩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體激光器溫控系統展開分析與研究。

關鍵詞：氣體檢測;近紅外半導體;激光器溫控系統

導言：

與模擬溫控系統相比，數字式溫控系統硬件結構簡單，但一般需采用復雜的數學算法來達到較高準確度.當系統工作負荷較大時，尤其是工作于對實時性要求嚴格的場合時，復雜算法的運算時間嚴重制約系統性能。現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中。研制出體積小、成本低、性能優越的溫度控制器成為研制便攜式氣體檢測系統的關鍵環節。

1 溫度控制系統概述

系統的整體結構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。系統功能實現過程如下：溫度采集模塊通過蝶形封裝內部的負溫度系數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定值進行對比，采用數字比例-積分-微分（PID）算法處理，根據計算結果控制TEC電流控制器驅動TEC進而實現對半導體激光器的溫度控制;與主控制器類似，輔控制器（STM32）采集半導體器件工作溫度，經PID數據處理后，輸出2路脈沖寬度調制（PWM）信號，分別控制由金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）組成的2路開關電路，進而控制兩片四級TEC（一片負責加熱，一片負責制冷）的通斷時間，保證半導體器件工作溫度的恒定。系統采用一塊1.44寸的彩色液晶屏，顯示2路器件的目標溫度與當前實時溫度，兩個控制器之間采用串行外設接口（SPI）方式進行數據交換。

2 溫度控制系統設計分析

2.1 電源及抗干擾設計

溫控系統工作時，由于TEC驅動芯片正常工作時會產生500kHz的開關噪聲，且控制MOS管工作的PWM信號也會產生開關噪聲，這都將影響系統電源的穩定性。為了保證溫度控制的準確度，需要對系統工作電源進行處理.系統采用12V供電，利用兩片低壓差可調穩壓器轉換為兩路5V電壓，該穩壓器最大電流可達7.5A，輸出電壓準確度為1%，電源抑制比為72dB，可有效保證電源穩定性。一路5V電壓為DAC及ADC供電，另一路為TEC驅動電路供電，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采集的準確性及DAC輸出的精確性。

2.2 溫度采集電路

系統采用熱敏電阻RTD與外部電阻構成惠斯通橋，儀表放大器具有高增益，低功耗，低噪聲等優點，將溫度信號轉換為電壓信號.該電壓信號送入采樣速率達到250ksp的16位模數轉換器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，同時利用外部基準芯片為其提供5v的基準電壓，該基準芯片輸出電壓偏差<0，05%，溫度漂移為3ppm/℃，具有高準確度及低溫漂系數。

2.3 半導體制冷器控制電路

針對激光器的內置TEC，本文采用TEC控制芯片為其驅動，通過5V供電，能夠提供±3A雙極性輸出，當外加電壓大于內置的1.5V基準電壓時，TEC電流正向流動，實現對激光器的加熱;反之，TEC電流反向，實現對激光器的制冷。主控制器STM32利用采集的溫度值與設定溫度值通過PID算法計算的結果，控制數模轉換器DAC輸出相應電壓控制可工作在-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，易產生熱量，使用時應注意散熱，否則會影響其正常工作。

2.4 半導體制冷器

TEC也稱熱電制冷片，利用半導體材料的帕爾貼效應制成.當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連結成的熱電偶對中有電流通過時，熱量從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端.為了使TEC兩端能夠承受更大的溫差，通常會對TEC進行級聯。相比于一級TEC，四級TEC具有更大的溫差，能夠實現更寬環境溫度范圍內的溫度調節。系統使用的四級TEC工作環境溫度范圍-50℃～80℃，最大溫差電流為3A，最大溫差≥107℃。TEC需要高效散熱，否則很難達到預期控溫效果，甚至損壞。

2.5 模擬PID電路設計

由于激光器工作環境溫度差異很大，散熱條件亦不相同，很難根據激光器工作環境及該環境下激光器的散熱情況構建精確的數學模型進行理論分析。當被控對象的精確模型難以得到時，經典控制理論也難以得到定性分析結果，使用PID控制器的電路結構及參量必須根據現場調試現象來確定.無論系統構成復雜與否，PID理論總是對系統誤差進行比例放大、積分及微分運算、輸出調節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，用于消除系統靜態誤差.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。設計中采用位置式PID算法。

3 實驗與結果研究

3.1 實驗測試裝置

對系統軟件和硬件集成后，所研制的半導體激光器溫度控制器利用該系統，對半導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

實驗中設定激光器的目標溫度為20℃，實驗室初始環境溫度為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。可以看到，激光器的實際溫度可達到所設定的理論值，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定狀態所需的時間約為1min。

3.3 光譜測試

固定激光器的驅動電流為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。可知，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象。

另一方面，固定激光器的工作溫度，逐漸增大其驅動電流，同時利用光譜儀測量激光器的輸出譜。可見在不同溫度下，隨著驅動電流的增加，激光器峰值激射波長與工作電流呈良好的線性關系。說明所研制的模擬PID溫度控制器具有較好的性能。

4 結語

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

參考文獻：

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