設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及吸收光譜測量技術領域，尤其涉及一種設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置。
【背景技術】
[0002]可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)，利用半導體激光器的波長可調諧和窄線寬特性，通過精確控制其注入電流和工作溫度調諧出光波長，獲得高分辨氣體特征吸收光譜，從而反演出氣體濃度、溫度等參數(shù)，具有結構緊湊、非侵入式、快速響應和現(xiàn)場實時測量等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能減排、火災早期預警、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程檢測控制等方面具有良好的應用前景。
[0003]用于反演氣體參數(shù)的吸收光譜和激光器出光波長有直接關系，在測量時，需要精確保持激光器工作溫度獲得穩(wěn)定的出光波長，提高測量準確度。但在實際工作中，隨著環(huán)境溫度的變化，可調諧半導體激光器存在波長漂移現(xiàn)象，其中一個主要原因是激光器控制電路中各個元器件的溫漂積累效應，導致激光器的設置溫度、注入電流、溫度PID控制環(huán)路參數(shù)改變等，從而引起最終輸出波長變化。
[0004]目前已有的激光器溫控技術中，單純依靠PID控制環(huán)路實現(xiàn)溫度控制，適用的溫度范圍普遍較窄(如10°c ~40°C)，大多沒有考慮到較大環(huán)境溫度變化(如0°C ~60°C)時的溫控精度問題，限制了該技術的應用場合；而已有的部分激光器鎖頻方案多采用閉環(huán)鎖定技術，采集到吸收光譜后，通過軟件判斷激光器波長漂移量和補償量，需要處理器介入和較復雜的光譜算法處理，時間復雜度較高，影響了實時性，不適用于快速處理場合。

【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種緊湊的設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置。解決當前激光器溫控方案中未考慮環(huán)境溫度大范圍變化時的激光器波長漂移問題和軟件控制閉環(huán)鎖頻方案中的耗時問題。
[0006]本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，包括激光器、用于對激光器溫度進行控制的內部集成有PID控制環(huán)路的激光器溫控模塊、與激光器溫控模塊信號輸入端相連接的數(shù)/模轉換器以及與數(shù)/模轉換器信號輸入端相連接的主控芯片；還包括一個用于采集激光器所在環(huán)境溫度的溫度傳感器；溫度傳感器的信號輸出端通過信號調理電路連接有模/數(shù)轉換器，模/數(shù)轉換器的信號輸出端與主控芯片的信號輸入端相連接。
[0007]所述激光器溫控模塊實現(xiàn)對激光器工作溫度的精確控制，根據(jù)輸入信號幅值將激光器控制到對應溫度，其內部集成PID控制環(huán)路，環(huán)路參數(shù)通過外圍電路調整以適應不同的熱負載狀況；溫度傳感器及其信號調理電路實現(xiàn)對環(huán)境溫度的轉換、調理，得到和環(huán)境溫度值對應的電信號量；模/數(shù)轉換器(ADC)實現(xiàn)對溫度對應模擬電信號的轉換采集；主控芯片完成對溫度值的計算和對外圍模/數(shù)轉換器(ADC)、數(shù)/模轉換器(DAC)的控制；高精度的數(shù)/模轉換器(DAC)實現(xiàn)生成激光器設置溫度信號，輸入到激光器溫控模塊。裝置結構如圖1。
[0008]進一步的，激光器、激光器溫控模塊、數(shù)/模轉換器、主控芯片、模/數(shù)轉換器、信號調理電路以及溫度傳感器均設置在同一個電路板上。
[0009]裝置中各部分集成設計在一塊電路板上。將溫度傳感器安裝在電路板上距離發(fā)熱器件較遠的位置，反映真實的環(huán)境溫度。通過溫度傳感器及其信號調理電路得到和溫度對應的電信號量后，使用高精度ADC采集并將數(shù)字信號發(fā)送給主控芯片，主控芯片根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過溫度傳感器的特性曲線，反算出當前環(huán)境溫度，再根據(jù)該環(huán)境溫度，確定是否需要補償激光器的設置溫度。
[0010]補償?shù)囊罁?jù)需事先通過高低溫實驗得出:將裝置放置在高低溫試驗箱中，通過連續(xù)改變試驗箱中的溫度，得到激光器波長漂移」和環(huán)境溫度?的對應曲線λ (t)=at+b，如圖2。主控芯片根據(jù)該曲線，在現(xiàn)有的比較程序支持下，通過簡單的比較和數(shù)學運算，確定在不同溫度下是否需要進行數(shù)字溫度補償和需要的補償量，通過重新設置DAC來實現(xiàn)對激光器波長的穩(wěn)定控制。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是:本發(fā)明考慮了環(huán)境溫度大范圍變化時激光器溫控路徑上各個器件的溫漂積累效應，通過數(shù)字溫度補償裝置，在不同溫度下實時補償激光器的工作溫度，解決了大部分激光器溫控模塊適用溫度范圍窄的問題；通過試驗事先獲取激光器波長漂移和環(huán)境溫度變化曲線，主控芯片讀取到環(huán)境溫度后，通過簡單的數(shù)學運算即可確定補償量，相比已有的閉環(huán)鎖頻方案，耗時更少，適用于響應速度高的實時處理場合。
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0013]圖2為本實用新型中的數(shù)字溫度補償曲線。
[0014]圖3為本實用新型實現(xiàn)的補償效果圖。
[0015]1-激光器，2-激光器溫控模塊，3-數(shù)/模轉換器，4-主控芯片，5-模/數(shù)轉換器，
6-信號調理電路，7-溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0016]一種設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，包括激光器1、用于對激光器溫度進行控制的內部集成有PID控制環(huán)路激光器溫控模塊2、與激光器溫控模塊2信號輸入端相連接的數(shù)/模轉換器3以及與數(shù)/模轉換器3信號輸入端相連接的主控芯片4 ;還包括一個用于采集激光器I所在環(huán)境溫度的溫度傳感器7 ;溫度傳感器7的信號輸出端通過信號調理電路6連接有模/數(shù)轉換器5，模/數(shù)轉換器5的信號輸出端與主控芯片4的信號輸入端相連接。
[0017]如圖1所示，將整個裝置設計在一塊電路板上。溫度傳感器7選用AD590，測溫范圍-55°C _150°C，非線性誤差0.3°C，滿足測溫精度要求。信號調理電路6使用高輸入阻抗的儀用運放AD627，完成對其弱電流信號的1-V轉換，該信號調理電路6經過溫度標定后，即可真實反映環(huán)境溫度。
[0018]模/數(shù)轉換器ADC選用ADS1113，分辨率16位，采樣頻率860sps，，小封裝，低功耗，內部集成電壓參考，和主控芯片4之間通過I2C接口傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)/模轉換器DAC選用DAC8830，分辨率16位，轉換速率lMsps，和主控芯片4間采用SPI協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，電壓輸出，可直接輸出到激光器溫控模塊2，用于控制激光器溫度。
[0019]主控芯片選用ARM Cotex-M4內核的STM32F407處理器，168MHz時鐘頻率，192KBSRAM,片上集成豐富的通訊接口，方便與各外圍器件進行數(shù)據(jù)傳輸。其自帶的程序可以將溫度補償曲線固化到程序存儲器中，用于隨時調取，完成一次溫度補償操作耗時約為0.5ms，響應速度滿足大多數(shù)實時處理場合。
[0020]為保證在不同溫度下的DFB激光器出光穩(wěn)定性，激光器溫控模塊要求高的精確度，溫漂為100ppm/°C ;激光器溫控模塊最大輸出2.5A，溫度穩(wěn)定性為0.01°C。激光器為商用蝶形封裝DFB激光器，底部加熱沉保證良好散熱。
[0021]使用前將裝置先放置在高低溫箱中，首先確定激光器設置溫度不變，改變箱內溫度0°C~60°C，記錄每個溫度?下的激光器輸出波長漂移』，繪制出如圖2所示曲線，將該曲線做最小二乘擬合，按照一次關系得出Λ (t)=at+b。根據(jù)該函數(shù)關系，確定需要補償?shù)臏囟乳g隔(如每變化5°C補償一次)和補償量，實現(xiàn)在整個溫度變化范圍內的階梯式溫度補償。補償后的激光器波長漂移如圖3，0°C ~60°C變化時，從補償前的65pm降低到補償后的約10pm，在較低的系統(tǒng)硬件開銷下，實現(xiàn)了較高的溫波長穩(wěn)定控制。
【主權項】
1.一種設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，包括激光器(I)、用于對激光器(I)溫度進行控制的內部集成有PID控制環(huán)路的激光器溫控模塊(2 )、與激光器溫控模塊(2)信號輸入端相連接的數(shù)/模轉換器(3)以及與數(shù)/模轉換器(3)信號輸入端相連接的主控芯片(4);其特征在于，還包括一個用于采集激光器(I)所在環(huán)境溫度的溫度傳感器(7);溫度傳感器(7)的信號輸出端通過信號調理電路(6)連接有模/數(shù)轉換器(5)，模/數(shù)轉換器(5)的信號輸出端與主控芯片(4)的信號輸入端相連接。
2.如權利要求1所述的設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，其特征在于，激光器(1)、激光器溫控模塊(2)、數(shù)/模轉換器(3)、主控芯片(4)、模/數(shù)轉換器(5)、信號調理電路(6)以及溫度傳感器(7)均設置在同一個電路板上。
3.如權利要求1或2所述的設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，其特征在于，數(shù)/模轉換器(3)選用DAC8830，模/數(shù)轉換器(5)選用ADS1113，信號調理電路(6)使用高輸入阻抗的儀用運放AD627，溫度傳感器(7)選用AD590。
【專利摘要】一種設有數(shù)字溫度補償裝置的可調諧半導體激光溫控裝置，包括有溫度傳感器及其信號調理電路，ADC，主控芯片，高精度DAC，激光器溫控模塊，激光器。其中激光器溫控實現(xiàn)對激光器工作溫度的精確控制；溫度傳感器及其信號調理電路實現(xiàn)對環(huán)境溫度的轉換、調理；ADC實現(xiàn)對溫度對應模擬電信號的轉換采集；主控芯片完成對溫度值的計算和對外圍ADC、DAC的控制；高精度DAC實現(xiàn)生成激光器設置溫度信號，輸入到激光器溫控模塊。裝置根據(jù)試驗得到的波長漂移Δ和環(huán)境溫度t關系曲線Δ(t)，主控芯片通過實時采集當前環(huán)境溫度，確定是否需要補償和補償量，在很少的耗時下實現(xiàn)大范圍環(huán)境溫度變化時的激光器出光波長穩(wěn)定。
【IPC分類】H01S5-068
【公開號】CN204481323
【申請?zhí)枴緾N201520231560
【發(fā)明人】袁松
【申請人】山西中科華儀科技有限公司
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月17日