摘要：目前，近红外半导体激光器在各行各业中，获得了十分广泛的应用。而激光器测量系统的性质与其输出波长密切相关，但输出波长却会随温度而漂移，而自身的运行也会产生一定的热量，所以，应严格控制温度变化。基于此，本主要探讨了用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统。
关键词：气体检测；近红外半导体；激光器；温控系统
现阶段，随着科学技术的快速进步以及现代工业的不断发展，人们对气体检测也提出了更高的要求。而用于气体检测的近红外半导体激光器引起了人们的广泛关注，具有十分广泛的应用前景。而在气体检测便携式系统中，选用的温度控制系统十分关键。为此，下文进行有关研究。
1 分析温度控制系统
设计温度控制系统包括DFB激光器、电阻温度检测器、半导体温度制冷器、主控模块、温度设置模块、温度采集模块、误差提取电路、控制模块模拟PID、tec控制模块等。主控芯片处理器使用的是三十二位的浮点型信号块。通过数模转换器，将直流电压输出，并设置控制温度；通过桥式电路，把热敏电阻转换为电压，再通过模数转换器，对该电压进行检测，进而监测激光器的温变。结合在激光器中封装的热敏电阻值，通过温度采集电路，将电压信号输出，并将这一电压信号输到温度检测电路，用于处理器对激光器温度值进行实时监测，同时将其输入显示单元。将误差提取电路输入另一路，从而将温度误差信号提取。
然后，在比例放大、积分和微分等电路，输入的同时处理温度误差的信号，然后再将处理比例放大、积分和微分信号，将其送入TEC控制的芯片中去。基于DSP控制，利用TEC控制芯片调整通过TEC的电流方向及大小，对其实行加热或制冷，将激光器的作业温度控制好。
2 设计系统中的重要模块
2.1 设计温度采集和误差输出电路
利用热敏电阻信号RTD和R1~R3形成桥路，并通过仪表放大器实现温度信号向电压信号的转变。然后，将一路电压信号送入ADC，用于检测激光器的作业温度，并及时处理过温或欠温等；将另一路信号向误差提取电路送入，电路核心为增益差动放大器，它的共模抑制比较高、温漂系数低。
RTD和由仪表放大器变换而得的电压之间的关系如下：
如图1可知，若激光器为10℃，则RTD和VTsig分别为20.31Ｋ和4.489Ｖ；若激光器为4℃，则RTD和VTsig 分别为5.298Ｋ和0.1428Ｖ，与设计温度一致。因为AD8276中集成了温度特征接近的电阻，所以不必通过电路外置以配置减法电路，按下式计算电压的误差值
图1 热敏电阻值与作业温度的关系图
2.2 模拟设计PID电路
在模拟PID电路中，将0.8V硅二极管作为D1、D2的前向导通电压，它和R2实现对比例V1的钳位。在D3中背靠背内置一对二极管，且前向导通电压是0.39V上下。因为二极管电流电压的增长呈ｅ指数关系，所以微弱的两端电压变化则会致使流过的电流发生急剧变化，当电流超过输入电流后，将烧毁输入级，威胁芯片功能，因而应通过串联电阻R4加以限制，从而限制积分器输出V2在±0.4V。D4、D5是0.3V导通电压的锗二极管，它和R6对微分电压V3实行钳位。P、I、D的输出电压分别为：
通过临界比例法，整定电路参量。调节电路的步骤如下：①激光器环境温度选为10℃；②仅控制比例环节，并调节比例系数，一直到误差信号开始反复震荡；③增加积分环节，并调节积分系数，一直到误差信号值变得最小；④增加微分环节，以减小误差。设置环境温度为50℃，重复以上步骤，将两者的最值作为比例系数，二者均值为微分系数及积分系数。认真进行调节，一直到微分系数和积分系数与要求一致。
2.3 设计TEC（半导体制冷器）驱动电路
采用珀尔帖效应研制TEC的材料。当两种半导体的回路通过直流电时，它们接触面会按电流流向分别释放或吸收热能。文中通过TEC控制芯片恒温控制DFB激光器。其中内置基准电压源1.5V，如果外加电压比基准电压高，TEC中电流流向为正，并加热激光器；如果外加电压比基准电压低，则TEC中电流流向为反，并制冷激光器。效果由电流值和珀耳帖系数决定。
图2 DFB稳定性测试图
3 分析实验和结果
3.1 测试装置
系统集成软件和硬件以后，研制出温度控制器。通过该系统，对某中科院研究所研发的DFB激光器（中心波长为1.862μm且用于检测水汽）予以温控实验。在实验中，首先，通过光谱仪将激光器输出光谱测出，然后，通过DSP将实时获得的温度信息传入PC机，并以此测出激光器的作业温度。
3.2 温控实验
在本次试验中，将激光器温度设置为20℃，且环境初始温度为25℃。刚好在零时刻，控温过程启动，并实时测出激光器工作温度。制作成图后发现，激光器温度完全可以达到理论设定值，且温变范围为-0.05至＋0.05℃。同时，从开始启动控温一直到最终达到温度稳定状态，约耗时１min。
3.3 测试光谱仪器
将激光器驱动电流固定为50mA，通过温度控制器，让激光器在各种温度（20～30℃）条件下工作。与此同时，对激光器输出光谱进行测量。分析测量数据后可知，随着温度的不断增高，峰值输出波长也逐渐增大。当工作电流分别为60A和70mA时，观察到的实验现象也与其一致。
此外，把激光器的工作温度调整固定，并将电流逐步增加，同时，通过光谱仪器对激光器输出谱进行测量。分析数据后发现，基于不同温度，随着驱动电流的不断增加，峰值激射波长和作业电流的关系呈良好的线性。由此可见，研发的模拟温度控制器PID的性能较好。
图3 和商用控制器比较
3.4 稳定性
在检测气体时，为了将检测的可靠性和准确度提高，则应保证激光器发光的稳定性，这由其温度控制系统决定。通过所研制的这个系统，接连4天测量了相同激光器所输出的光谱，见图2，设定工作温度为24℃、驱动电流为60mA。由图可见，所测得的4条光谱线路重合相对较好，说明该种温度控制的系统稳定性能好。
3.5 与商用温控器比较
将本文研制的温控器与美国某公司制造的商用温控器进行比较：同时将二者激光器作业温度设定为24℃。分别在驱动电流为50mA及60mA的时候，检测具体的激光器发光谱，见图3。看见二者发光强度的差异不大，但完全重合了发光峰位。这也说明，这种温度控制器与商用仪器指标较一致。
4 结 语
综上所述，经过实验已经证明，文中设计的用于检测气体的近红外半导体激光器温控系统，控温精度高且效果稳定，是可以有效控制温度的一种智能控制系统，而且性能也具有可比拟，提供了一种有效解决温控问题的方案。该产品经现场使用X年，运行稳定、测量准确、可靠。
参考文献：
[1]刘昱峰.采用VCSEL光源的新型TDLAS甲烷气体检测系统研究[D].中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2018.
[2]贺春贵，张玉钧，刘国华，唐七星，鲁一冰，尤坤，何莹，刘文清.半导体激光器温度控制电路设计及实验研究[J].电子测量技术，2017，40（08）：27-31+41.
[3]王宇.应用于CO气体检测的DFB激光器驱动及温控电路的设计[D].吉林大学，2015.
[4]刘欣.TDLAS的高精度多环路PID数字温控系统[D].山东大学，2015.
[5]于莎莎.基于TDLAS气体检测系统中光源波长锁定的关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2012.
论文作者:彭军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
标签：激光器论文; 温度论文; 电压论文; 电流论文; 电路论文; 误差论文; 信号论文; 《基层建设》2018年第34期论文;