用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统

方雁群 李冬 杨清永

摘 要：随着半导体材料及工艺的进步，分布反馈式（DFB）半导体激光器性能得到大幅度提升，其线宽愈来愈窄，从而增强了对待测气体的选择性。借助于可调谐激光二极管光谱吸收法（TDLAS），通过改变激光器中心工作波长，可有效扫过待测气体吸收峰，使用除光声光谱法和直接光谱吸收法外，基于DFB激光器的TDLAS方法成为检测水汽、甲烷、一氧化碳等气体的常见方法。为了保证测量系统的稳定性和可靠性，稳定激光器的输出波长尤为重要，为此，本文就针对用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统展开分析与研究。

关键词：气体检测;近红外半导体;激光器温控系统

导言：

与模拟温控系统相比，数字式温控系统硬件结构简单，但一般需采用复杂的数学算法来达到较高准确度.当系统工作负荷较大时，尤其是工作于对实时性要求严格的场合时，复杂算法的运算时间严重制约系统性能。现有的温度控制器体积较大且价格昂贵，无法集成在便携式气体检测系统中。研制出体积小、成本低、性能优越的温度控制器成为研制便携式气体检测系统的关键环节。

1 温度控制系统概述

系统的整体结构框图主要包括控制器模块、温度采集模块、TEC、TEC控制模块和液晶显示模块。系统功能实现过程如下：温度采集模块通过蝶形封装内部的负温度系数热敏电阻及外置热敏电阻实时采集被控器件的工作温度，主控制器（STM32）将采集的器件工作溫度与设定值进行对比，采用数字比例-积分-微分（PID）算法处理，根据计算结果控制TEC电流控制器驱动TEC进而实现对半导体激光器的温度控制;与主控制器类似，辅控制器（STM32）采集半导体器件工作温度，经PID数据处理后，输出2路脉冲宽度调制（PWM）信号，分别控制由金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）组成的2路开关电路，进而控制两片四级TEC（一片负责加热，一片负责制冷）的通断时间，保证半导体器件工作温度的恒定。系统采用一块1.44寸的彩色液晶屏，显示2路器件的目标温度与当前实时温度，两个控制器之间采用串行外设接口（SPI）方式进行数据交换。

2 温度控制系统设计分析

2.1 电源及抗干扰设计

温控系统工作时，由于TEC驱动芯片正常工作时会产生500kHz的开关噪声，且控制MOS管工作的PWM信号也会产生开关噪声，这都将影响系统电源的稳定性。为了保证温度控制的准确度，需要对系统工作电源进行处理.系统采用12V供电，利用两片低压差可调稳压器转换为两路5V电压，该稳压器最大电流可达7.5A，输出电压准确度为1%，电源抑制比为72dB，可有效保证电源稳定性。一路5V电压为DAC及ADC供电，另一路为TEC驱动电路供电，各电源电压输入端口及各集成芯片电源引脚均并联接入钽电容及陶瓷电容来抑制电源纹波。对温度采集电路及TEC驱动电路的地平面利用共模电感进行隔离，以确保ADC采集的准确性及DAC输出的精确性。

2.2 温度采集电路

系统采用热敏电阻RTD与外部电阻构成惠斯通桥，仪表放大器具有高增益，低功耗，低噪声等优点，将温度信号转换为电压信号.该电压信号送入采样速率达到250ksp的16位模数转换器ADC，用于控制器实时检测被控器件的工作温度.为保证ADC采集的准确性，除为其单独供电以及地平面隔离外，同时利用外部基准芯片为其提供5v的基准电压，该基准芯片输出电压偏差<0，05%，温度漂移为3ppm/℃，具有高准确度及低温漂系数。

2.3 半导体制冷器控制电路

针对激光器的内置TEC，本文采用TEC控制芯片为其驱动，通过5V供电，能够提供±3A双极性输出，当外加电压大于内置的1.5V基准电压时，TEC电流正向流动，实现对激光器的加热;反之，TEC电流反向，实现对激光器的制冷。主控制器STM32利用采集的温度值与设定温度值通过PID算法计算的结果，控制数模转换器DAC输出相应电压控制可工作在-40℃到+85℃温度范围，采用强散热型的TSSOP-EP封装，工作时电流较大，易产生热量，使用时应注意散热，否则会影响其正常工作。

2.4 半导体制冷器

TEC也称热电制冷片，利用半导体材料的帕尔贴效应制成.当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成的热电偶对中有电流通过时，热量从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端.为了使TEC两端能够承受更大的温差，通常会对TEC进行级联。相比于一级TEC，四级TEC具有更大的温差，能够实现更宽环境温度范围内的温度调节。系统使用的四级TEC工作环境温度范围-50℃～80℃，最大温差电流为3A，最大温差≥107℃。TEC需要高效散热，否则很难达到预期控温效果，甚至损坏。

2.5 模拟PID电路设计

由于激光器工作环境温度差异很大，散热条件亦不相同，很难根据激光器工作环境及该环境下激光器的散热情况构建精确的数学模型进行理论分析。当被控对象的精确模型难以得到时，经典控制理论也难以得到定性分析结果，使用PID控制器的电路结构及参量必须根据现场调试现象来确定.无论系统构成复杂与否，PID理论总是对系统误差进行比例放大、积分及微分运算、输出调节量来使误差量降到最低。比例放大控制器的输出电压正比于输入信号电压.积分控制器的输出电压是对输入信号的积分，用于消除系统静态误差.微分控制器的输出电压是对输入信号的微分，反映的是信号的变化程度。设计中采用位置式PID算法。

3 实验与结果研究

3.1 实验测试装置

对系统软件和硬件集成后，所研制的半导体激光器温度控制器利用该系统，对半导体研究所研制的中心波长为1.862μm的DFB激光器（用于水汽检测）做了温度控制实验。实验中，一方面，利用光谱仪测量激光器的输出光谱，另一方面，DSP将实时采集到的温度信息传递给PC机，以此检测激光器的工作温度。

3.2 温度控制实验

实验中设定激光器的目标温度为20℃，实验室初始环境温度为25℃。在零时刻启动控温过程后，实验测得的激光器实时工作温度。可以看到，激光器的实际温度可达到所设定的理论值，温度波动范围为（0.05～+0.05℃.可知，从启动控温开始到温度最终达到稳定状态所需的时间约为1min。

3.3 光谱测试

固定激光器的驱动电流为50mA，利用温度控制器使激光器工作在不同温度下（20～30℃），同时测量激光器的输出光谱。可知，随着温度的增加，激光器峰值输出波长也随之增大。在60和70mA的工作电流下，观察到同样的实验现象。

另一方面，固定激光器的工作温度，逐渐增大其驱动电流，同时利用光谱仪测量激光器的输出谱。可见在不同温度下，随着驱动电流的增加，激光器峰值激射波长与工作电流呈良好的线性关系。说明所研制的模拟PID温度控制器具有较好的性能。

4 结语

综上可知，为了降低软件设计复杂度并提高分布反馈激光器发光波长的控制准确度及稳定性，本文设计了一种基于模拟PID并用于气体检测的半导体激光器温度控制系统。该温度控制系统的温度控制范围为10℃～50℃，温度控制的准确度为±0.05℃，系统的稳定时间小于60s。当激光器驱动电流一定时，改变激光器工作温度可有效调谐激光器工作波长;当激光器工作温度一定时，测得的激光器峰值波长与驱动电流呈良好的线性关系。

参考文献：

[1]黄渐强，翟冰，何启欣，等.用于气体检测的近红外半导体激光器温控系统[J].2017.

[2]王琢，闵昆龙，白雪冰，蔡洪刚.气体传感器中半导体激光器的温度控制[J].2017.

（汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001）