時分復(fù)用光纖光柵傳感陣列中DFB激光器的高精度溫控設(shè)計*

胡遼林，章鵬博，華燈鑫，鞏 鑫

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安710048)

光纖光柵(FBG)傳感陣列的復(fù)用方式主要有空分復(fù)用(SDM)、波分復(fù)用(WDM)和時分復(fù)用(TDM)或它們之間的組合［1］。目前國內(nèi)外的成熟方案主要采用的是WDM。由于WDM方式受光源的帶寬限制，其可復(fù)用的FBG數(shù)嚴(yán)重受到限制(一般只有20個～30個)［2］。基于全同的低反射率的FBG構(gòu)成的TDM-FBG傳感陣列，可對串聯(lián)在一根光纖上的幾百個甚至上千個低反射率FBG進(jìn)行高空間分辨的應(yīng)變測量［3－6］。

在設(shè)計的TDM-FBG傳感陣列中使用分布反饋(DFB)激光器作為光源，當(dāng)FBG遭受應(yīng)變時，其反射譜發(fā)生移動，通過檢測FBG反射譜和DFB中心波長之間的相對移動導(dǎo)致反射光功率的變化來測量應(yīng)變，在測量過程中DFB的中心波長應(yīng)保持不變。如果DFB波長隨溫度發(fā)生了漂移，使DFB的中心波長與FBG反射譜的中心波長不匹配，會大大增加TDMFBG陣列的測量誤差，影響應(yīng)變測量精度。因此需要對DFB光源設(shè)計相應(yīng)的溫度控制電路，保證激光器的輸出波長穩(wěn)定和TDM-FBG陣列的正常工作。

1 DFB的溫控方案

TDM-FBG傳感陣列使用SLT5411型DFB激光器［7］，25 ℃時中心波長為 1 544.53 nm，波長隨溫度的最大漂移為0.2 nm/℃，溫度變化10℃時波長將漂移2 nm。假設(shè)工作時環(huán)境溫度為25℃，并有可能利用溫度效應(yīng)對DFB的輸出波長進(jìn)行微調(diào)，因此確定以25℃為中心的目標(biāo)溫控范圍。目標(biāo)溫控范圍設(shè)置過大，不利于溫控精度的提高，范圍太小則會限制激光器波長的調(diào)節(jié)。因此以25℃為中心，選擇15℃～35℃作為激光器的目標(biāo)溫控范圍。

選擇ADI公司的高效率低功耗半導(dǎo)體制冷(TEC)控制器ADN8830為核心來設(shè)計DFB的溫控電路，設(shè)計方案如圖1所示［8－11］。DFB的溫度由其內(nèi)部緊貼管芯安裝的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻測量后轉(zhuǎn)換為電壓值，稱為測量溫度電壓;設(shè)定的DFB溫度同樣可以用一個電壓來代替，由DAC模擬輸入或者分壓電路獲得，稱為設(shè)定溫度電壓。這兩個電壓通過ADN8830內(nèi)部的溫度測量和補償放大器進(jìn)行比較后得到一個電壓差，由高增益放大器對這個電壓差值進(jìn)行放大，并使用比例積分微分(PID)補償網(wǎng)絡(luò)對DFB溫度變化引起的相位延遲進(jìn)行補償，最后由ADN8830的PWM和線性控制器控制兩組金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)構(gòu)成的H橋的截止與導(dǎo)通，驅(qū)動DFB內(nèi)部的TEC對DFB進(jìn)行制冷或加熱。同時DFB的溫度再通過熱敏電阻測量并反饋到ADN8830進(jìn)行修正，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終使DFB溫度達(dá)到設(shè)定溫度值。

圖1 DFB的溫控方案

在溫度顯示部分，提出使用一個單刀雙擲開關(guān)在測量溫度電壓和設(shè)定溫度電壓之間切換，再通過A/D電壓采集電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)碼管顯示電路等顯示溫度值或電壓值。

2 溫控電路設(shè)計

2.1 溫度的測量與設(shè)定

圖2 溫度測量和設(shè)定電路

熱敏電阻的測量溫度電壓要和設(shè)定溫度電壓進(jìn)行比較后送入ADN8830的誤差放大器，因此可將溫度測量電路和溫度設(shè)定電路構(gòu)成一個電橋，如圖2所示。電橋平衡，激光器的溫度等于設(shè)定溫度;電橋不平衡，電橋的兩端會輸出一個電壓差，實時送入溫控電路進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。串聯(lián)電阻RX和熱敏電阻RT構(gòu)成了電橋的右半橋，作為溫度測量電路，測量激光器溫度時熱敏電阻RT產(chǎn)生的分壓輸入到ADN8830的熱敏電阻反饋輸入端PIN2;RX和可調(diào)電阻R2構(gòu)成了電橋的左半橋，作為溫度設(shè)定電路，可調(diào)電阻R2獲得的分壓輸入至ADN8830的目標(biāo)溫度輸入端PIN4。ADN8830的2和4引腳是差分放大器的兩個輸入端，VREF為芯片提供穩(wěn)定的2.5 V參考電壓。RX采用精度為0.1%的高精度、高熱穩(wěn)定性精密電阻，R2采用調(diào)節(jié)精度為1%的精密滑動變阻器。在目標(biāo)溫控范圍15℃～35℃內(nèi)熱敏電阻的阻值為6.541 kΩ～15.745 kΩ。為使設(shè)定溫度也在這個范圍內(nèi)，R2的調(diào)節(jié)范圍為0～20 kΩ。RX的值將在熱敏電阻線性化中進(jìn)行確定。

2.2 熱敏電阻線性化

熱敏電阻通常指負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，其阻值和溫度的關(guān)系可表示為

式中 T=t+273.15(T為開爾文溫度 K，t為攝氏度℃)，RT、R0分別是被測溫度T和參考溫度T0的熱敏電阻值，B為熱敏電阻的材料常數(shù)。實驗用DFB內(nèi)封裝的熱敏電阻在25℃即T0=298.15 K時，R0=10 kΩ，B=3 900 K。

由圖2中RX和RT構(gòu)成的溫度測量半橋電路可得熱敏電阻分壓

其中U為VREF參考電壓。式(1)中電阻－溫度曲線是非線性的，因此式(2)中代表溫度信息的熱敏電阻分壓U(T)和溫度T之間也是非線性的。通過選擇合適的串聯(lián)電阻RX可使溫控范圍內(nèi)的熱敏電阻分壓與溫度近似為線性關(guān)系［12］。

圖3 熱敏電阻分壓與溫度關(guān)系

由式(2)知，低溫區(qū)熱敏電阻分壓U(T)趨近于U，高溫區(qū)U(T)趨近于0，如圖3所示。U(T)曲線中存在一個拐點，設(shè)為P點，離P點愈近，曲線的線性度越好。以P為中心的一定溫度范圍內(nèi)，U(T)和T近似呈線性關(guān)系。如果使溫控范圍的中點25℃與P點溫度TP重合，則在TP附近可得到線性度好且靈敏度高的U(T)。

為得到串聯(lián)電阻RX的最佳值，將式(1)代入式(2)，求關(guān)于T的二階導(dǎo)數(shù)，令其為零，整理得

當(dāng)T=TP=25℃時，得到RX=7.348 kΩ，即為串聯(lián)電阻RX的最佳值。將溫控范圍15℃ ～35℃四等分得到 Ta=15℃、Tm=20℃、Tp=25℃、Tn=30℃、Tb=35℃ 5個等分點，直線an的斜率最接近線性化直線的斜率，即

其中U(Tn)和U(Ta)分別為Tn和Ta測溫點對應(yīng)的分壓。將TP代入式(2)可得U(Tp)=1.441 V，因此斜率為k且過P點的直線方程VL(T)為

對于15℃ ～35℃的溫控范圍，Ta=288.15 K，U(Ta)=1.705 V，Tn=303.15 K，U(Tn)=1.575 V，且 Tp=298.15 K，B=3 900 K，U=2.5 V，代入式(5)得到線性化方程

在溫控范圍內(nèi)將線性化方程曲線和原始分壓－溫度曲線進(jìn)行比較，如圖4所示，線性化誤差不大于0.2%，可滿足溫度顯示部分對熱敏電阻的線性化要求。

圖4 線性化曲線和原始分壓－溫度曲線比較

2.3 PID補償回路

PID 是比例(P)、積分(I)、微分(D)三個單元的綜合。PID補償回路能有效提高溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。ADN8830內(nèi)置一個專用放大器來作環(huán)路補償，只需在芯片外部搭建由電容和電阻構(gòu)成的補償網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。由于采用的是硬件PID補償網(wǎng)絡(luò)，因此在溫度的動態(tài)控制過程中，針對不同設(shè)定溫度，通過調(diào)節(jié)PID網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可以達(dá)到最佳溫控效果。

圖5 PID補償網(wǎng)絡(luò)

2.4 TEC的H橋驅(qū)動

ADN8830內(nèi)置了PWM控制器和線性放大器，PWM輸出使用P1和N1，線性輸出使用P2和N2，需要外部MOSFET來驅(qū)動OUT A和OUT B，即TEC的正負(fù)極。

采用Fairchild公司的FDW2520C型MOSFET芯片，芯片內(nèi)封裝了兩個互補型的P溝道和N溝道功率 MOS管，因此 TEC的驅(qū)動 H橋使用兩片F(xiàn)DW2520C即可，如圖6所示。TEC連接在H橋的中間，ADN8830根據(jù)采集到的溫度參數(shù)，輸出電壓使Q3和Q1的MOS管導(dǎo)通，Q2和Q4的MOS管關(guān)閉，即有電流從TEC+流向TEC－;反之，控制Q2和Q4導(dǎo)通，Q1和Q3關(guān)閉，電流從TEC－流向TEC+，這樣就實現(xiàn)了TEC的制冷和制熱。

圖6 H橋電路

2.5 溫度電壓采集與顯示

用單片機(jī)對熱敏電阻的分壓－溫度線性化方程進(jìn)行處理，顯示激光器的溫度。溫度測量電路得到的熱敏電阻分壓是一個模擬量，需要AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能進(jìn)行溫度顯示。AD采集電壓參數(shù)時，使用了一個單刀雙擲開關(guān)，如圖7中S2所示。設(shè)定溫度時，開關(guān)打到定溫端，同時調(diào)節(jié)精密變阻器R24直到顯示需要的設(shè)定溫度，再將S2切換到測溫端顯示DFB的實時溫度，這樣就完成對溫度設(shè)定和溫度測量的操作。

圖7 溫度電壓采集電路

3 測試與分析

3.1 測試

首先測試TDM-FBG傳感陣列使用的DFB激光器的溫漂特性。在未加溫控時，通過DFB內(nèi)熱敏電阻的值計算出溫度，并使用光譜儀測量對應(yīng)的激光器輸出波長，如圖8所示，線性擬合后得到直線的斜率為0.098 nm/℃，即溫度每變化1℃，DFB中心波長漂移 0.098 nm，小于資料給出的最大溫漂0.2 nm/℃［6］。

圖8 DFB激光器的溫漂曲線

溫控電路設(shè)計完成后，需對溫控效果進(jìn)行測試。根據(jù)激光器的溫漂特性，為了對激光器輸出波長進(jìn)行微調(diào)，將最終的目標(biāo)溫度設(shè)定為23.5℃，讓溫控電路從室溫對DFB的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，每隔2 s記錄一次數(shù)據(jù)，180 s之后目標(biāo)溫度在(23.5±0.04)℃范圍內(nèi)變化，因此最終的溫控精度為±0.04℃，溫控曲線如圖9所示?？梢钥闯瞿繕?biāo)溫度在前180 s內(nèi)有較大的振蕩，隨時間的增加振蕩幅度逐漸縮小，180 s之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 溫控電路的溫度測試曲線

3.2 分析

由于TDM-FBG傳感陣列是通過檢測FBG反射譜和DFB中心波長之間的相對移動導(dǎo)致反射光功率的變化來測量應(yīng)變，DFB波長隨溫度的漂移會大大增加系統(tǒng)的測量誤差，并使激光器的中心波長與FBG反射譜的中心波長不匹配。1.55 μm的FBG波長應(yīng)變靈敏度為1.15 pm/με［13］，假設(shè) FBG 所處的環(huán)境溫度不變且未加應(yīng)變，DFB的最大溫漂為0.2 nm/℃，理論計算可得±0.04℃的溫控精度導(dǎo)致的漂移誤差為±8 pm，對應(yīng)的應(yīng)變測量誤差為±7 με。DFB實測溫漂僅為0.098 nm/℃，這說明溫控后激光器溫度變化引起的應(yīng)變測量誤差僅為±3.4 με左右。

4 結(jié)論

為了滿足TDM-FGB傳感陣列的要求，完成了基于ADN8830的高精度DFB溫控設(shè)計，包括溫度測量與設(shè)定、熱敏電阻線性化、PID補償、MOSFET構(gòu)成的H橋驅(qū)動、溫度電壓采集與顯示等。以23.5℃為最終目標(biāo)溫度進(jìn)行了測試，180 s內(nèi)DFB溫度穩(wěn)定在(23.5±0.04)℃，溫控后激光器溫度變化引起的應(yīng)變測量誤差為±3.4 με 左右。

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