甲烷气体检测中半导体激光器的温度控制

贺俊博, 曹家年, 王 琢

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,哈尔滨 150001)

甲烷气体检测中半导体激光器的温度控制

贺俊博, 曹家年, 王 琢

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,哈尔滨 150001)

采用可调谐半导体激光吸收光谱技术 (TDLAS)的气体浓度检测系统,其半导体激光器(LD)的输出波长在注入电流恒定的情况下受温度影响很大。高精度的 LD温度控制能够保证光源输出光谱的中心波长位于待测气体吸收峰。针对LD温度控制技术的特点,采用两级温度控制的思想,一级保证LD外部工作环境温度稳定在一个小的区间内,另一级是以LD组件热电制冷器 (TEC)和热敏电阻(RT)结合模拟的比例—积分(PI)环节来实现温度稳定。实验结果表明,设计的温度控制系统具有良好的稳定性,检测精度可达 0.01℃,满足实验的要求。

半导体激光器;温度控制;TDLAS;比例—积分

甲烷是常见的易燃易爆气体,也是造成我国煤矿事故频发的主要原因,还是温室效应的主要气体之一。及时、准确检测甲烷气体的产生源、浓度[1],对保护环境和维护矿工安全都有着重要的意义。

近年来,以可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)[2]为基础的甲烷气体检测系统得到了广泛应用。为实现甲烷气体浓度的精确测量,在波长扫描范围内,LD的输出中心波长与甲烷气体的吸收峰必须对准。系统提取吸收后的信号,计算出气体的浓度。LD的注入电流和温度变化都会引起其输出波长的变化[3],因此实际应用中应保持 LD工作温度的稳定。这是实现波长单独注入电流调制的关键。

1 吸收谱线及LD参数分析

根据朗伯 -比尔吸收定律,待测气体的浓度c为

式中:I0——输入光强;

L——气体吸收光程;

I(v)——通过吸收气室后输出光强;

α(v)——气体吸收系数。

根据 H ITRUN2004[4]数据库,选择甲烷在1 653.7 nm(6 046.955 0 cm-1)波长附近R(3)支转动跃迁。它包含了三条相距非常近的吸收线,其吸收谱线如图 1所示。

图 1 1 653.7 nm处 CH4谱线强度Fig.1 CH4spectral line intensity at 1 653.7 nm

三条吸收线分布在波长小于 0.01 nm范围内,可以近似的认为它们是线强为三条吸收线线强之和的一条吸收线,并以此作为检测的吸收线。其分子谱线强度约在 10-21cm/molecule数量级,谱线半宽γ=0.013 7 nm。

选用 VERT ILAS公司的垂直腔面发射激光器(VCSEL)VL-1654-1-SQ-H5。它可以提供一个以 1 653.72 nm为中心波长的窄带光谱。其波长调节范围可以达到几纳米,线宽 30 MHz。工作波长受温度和电流影响如图 2所示,温度调节系数为Δ λ/ΔT=0.127 nm/℃。

LD内部集成了负温度系数(NTC)热敏电阻RT和半导体制冷器(TEC),利用靠近 LD管芯热沉的RT反映温度,其阻值随温度的变化关系式为:

式中:A、B、C——RT的 Steinhart-Hart系数;

T——开氏绝对温度;

R——热敏电阻的阻值。

通过上述参数可以计算出该光源内部热敏电阻在 30℃的阻值应为 8.05 kΩ。LD组件 TEC是帕尔贴器件,当电流正向流过时,热量从冷端流向热端,实现对LD制冷;反之 TEC对LD制热。因此,控制流过TEC电流的大小和方向可实现对LD管芯温度的控制。

图2 VCSEL波长与温度和注入电流的关系Fig.2 VCSEL wavelength relationship with temperature and injection current

根据LD特性,设定温度为 30℃,注入电流为6.0 mA,输出中心波长为 1 653.7 nm,为了方便二次谐波和一次谐波平均值的数据采集和处理[5],中心波长的偏离应控制在半宽的十分之一内,温度控制在 0.01℃内。这样就要求激光器工作在 29.99～30.01℃内。由于温度范围较窄,要求控温精度较高。实际中采用两级温度控制,即激光器外部工作环境(机箱)温度控制和激光器内部温度控制相结合,其总体框图如图 3所示。

图3 LD温度控制框图Fig.3 Block of LD temperature control

2 机箱温度控制及实现

激光器置于机箱之内,其外部环境温度主要取决于机箱内温度。实现对激光器的温度的精确控制,需保证机箱内温度稳定在一个小的区间内。机箱温度控制原理如图 4所示。

图4 机箱温度控制原理Fig.4 Chassis temperature control principle

机箱温度采集由检测灵敏度较高、温度与输出电流成线性变化的温度传感器 AD590来实现。机箱温度每变化一摄氏度,流过其温度传感器 AD590的电流即变化 1μA,经电流/电压转换后机箱内部的温度将会转化电压值。根据激光器静态工作在30℃的特点,应将机箱内部温度控制在 ±2℃内,即保证温度控制在 28～32℃的区间内。机箱内部温度控制的电路原理如图 5所示。

图5 机箱温度控制电路Fig.5 C ircuit of chassis temperature control

3 LD温度控制及实现

为实现LD组件的温度控制,将热敏电阻RT作为其中一臂组成桥式电路。桥压差经过多级放大后,输出电压为:

式中:K——电路的放大系数;

UI——电桥电压;

ΔR——热敏电阻的变化量。

温度控制的原理是:传感器检测到的温度与设定温度(设定电压)进行比较,当检测的温度不等于设定温度时,电桥输出一个很小的压差信号。该信号经过多级放大后驱动 TEC并控制帕尔贴的电流大小和方向,从而控制其制冷量或制热量,达到温度控制的目的。为了实现温度控制的稳定,采用 PI控制环节来实现[6]。选取UI=5 V,将温度变化控制在 0.01℃内,保证 0.01℃的温度变化能够驱动 TEC工作,计算得到系统多级放大倍数K=1 000。同时,由于 TEC所允许的最大电流Imax=0.9 A。为保证 TEC不被损坏在其后端加入限流电阻。电路原理如图 6所示。

图6 LD组件TEC温度控制电路Fig.6 C ircuit of LD component TEC temperature control

4 实验结果及波长稳定度分析

实验检测条件为在实验室条件下每隔 15 min用温度计读取机箱内的温度值,连续 2 h。实测结果机箱温度稳定在 28～32℃,满足实验要求。

对LD温度稳定度的检测一般通过光谱仪观察输出波长是否变化来判断温度是否稳定。这种方法较为直观,但需要昂贵的检测设备。TDLAS检测系统可以通过一次谐波幅度时域图分析出温度稳定度。采用 TDLAS方法所得到的一次谐波波形是吸收线型的微分,其形状如图 7所示。它是由注入电流改变激光器输出波长并对气体吸收线进行扫描获得的。在温度稳定的情况下,图中过零点 A、B对应扫描电流的中心值。

图7 调制电流与一次谐波曲线关系Fig.7 Relationship between modulation current and first harmon ic curve

进而由激光器的温度调节系数可以计算出温度的偏移量ΔT=Δ λ/0.127,从而得出温度控制的精度。当Δ λ<0时,根据波长与温度和注入电流的关系可知温度向低于设定值偏移;当Δ λ>0时温度则向高于设定值偏移。在实验室条件下,示波器输出的调制电流与一次谐波曲线如图 8所示,计算得到温度控制精度达 0.01℃,满足实验要求。

图 8 实验条件下的调制电流与一次谐波曲线Fig.8 M odulation current and first harmon ic curve under exper imental conditions

5 结束语

为满足 TDLAS气体检测系统对半导体激光器温度控制的要求,设计了一种高精度的LD温度控制系统。实验证明该系统的温度稳定度达到了 0.01℃,实现了对温度高精确控制的要求,并在实际实验中取得了满意的效果。该系统具有小型化、成本低、控制精度高等特点,可以运用于其他类型的半导体激光器温度控制中。

[1] 王艳菊,王玉田,王忠东.光纤甲烷气体检测系统的研究[J].压电与声光,2007,29(2):148-149,152.

[2] DUFF IN K,MCGETTR ICKA J,JOHNSTONE W.Tunable diodelaser spectroscopywith wavelength modulation:a calibration-free approach to the recovery of absolute gas absorption line shapes[J]. Journal ofLightwave Technology,2007,25(10):3 114-3 125.

[3] 王肖飞,伊红晶,钱龙生.半导体温控系统设计[J].长春理工大学学报,2005,28(1):20-22.

[4] ROTHMANN L S,JACQUE MARTD,BARBE A,et al.The HITRUN 2004 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative SpectroscopyAnd Radiative Transfer,2005,96(2):139-204.

[5] 王 敏,张玉钧,刘文清,等.可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究[J].光学技术,2005,31(02):279-281.

[6] 江孝国,王婉丽,祁双喜.高精度 P ID温度控制器[J].电子与自动化,2000(5):13-15.

Sem iconductor laser temperature control in methane gas detection system

HE Junbo,CAO Jianian,WANG Zhuo
(College of Infor mation and Communication Engineering,Harbin EngineeringUniversity,Harbin 150001,China)

In the gas concentration detection system adopting tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS),the outputwavelength of the diode laser(LD)is subjected to great impact by temperature under a constant injection current,and high-precision temperature control can ensure that the center wavelength can be located on the gas absorption peak.This paper introduces the use of two-stage temperature control,as required by the characteristics of LD temperature control,one capable of allowing the external environmental temperature ofLD to be stabilized at a small interval,and the other capable of achieving temperature stability based on LD components of thermoelectric cooler(TEC)and the rmistor (RT)combined with proportion-integral(PI)links.Experimental results show that the temperature control system with a better stability and measurement accuracy up to 0.01℃is up to the test requirements.

semiconductor laser;temperature control;TDLAS;PI

TN248.4

A

1671-0118(2010)02-0138-04

2009-12-23

贺俊博(1984-),男,湖南省永州人,硕士,研究方向:光纤气体检测,E-mail:hejunbok1@163.com。

(编辑晁晓筠)