高穩(wěn)定、強(qiáng)魯棒性DFB激光器溫度控制系統(tǒng)

陳 晨，黨敬民，黃漸強(qiáng)，王一丁

（吉林大學(xué) 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012）

近年來(lái)，DFB激光器以其優(yōu)異的單色性和準(zhǔn)直性在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1－4］。DFB激光器的工作溫度變化會(huì)影響其內(nèi)部材料的折射率，改變諧振腔長(zhǎng)度，進(jìn)而使得其輸出波長(zhǎng)隨溫度變化發(fā)生漂移［5］。當(dāng)溫度增加時(shí)，DFB激光器的輸出波長(zhǎng)也會(huì)隨之增大，產(chǎn)生紅移。其典型輸出波長(zhǎng)隨溫度變化的典型值為0.3～0.4 nm／℃［6］。此外，DFB激光器的工作溫度也會(huì)對(duì)其輸出光功率造成影響。當(dāng)DFB激光器注入電流一定時(shí)，輸出光功率會(huì)隨著其工作溫度的升高而降低。這主要是由于DFB激光器溫度升高所引起的閾值電流增大和斜率效率減小所造成的［7］。綜上所述，在氣體檢測(cè)領(lǐng)域中，為了提高氣體檢測(cè)的精度，延長(zhǎng)激光器工作壽命，對(duì)DFB激光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的。為此，本文研制了一種具有強(qiáng)魯棒性的DFB激光器溫度控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 溫度控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。本文采用美國(guó)TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2812為核心控制器，以數(shù)字－模擬－轉(zhuǎn)換（DAC）模塊和TEC控制模塊組成溫控控制前向通路，以熱敏電阻信號(hào)采集放大電路和模擬－數(shù)字－轉(zhuǎn)換（ADC）模塊組成溫度信息采集后向通路，從而構(gòu)成完整的閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)，搭建了性能優(yōu)異的激光器溫度控制系統(tǒng)，其中熱電制冷器（TEC）為執(zhí)行元件，熱敏電阻為溫度傳感元件。同時(shí)，核心控制器TMS320LF2812通過(guò)溫度信息采集后向通路來(lái)獲得DFB激光器當(dāng)前的溫度信息，采用Ziegler－Nichols PID算法來(lái)調(diào)整數(shù)字控制量，最終由溫控控制前向通路實(shí)現(xiàn)對(duì)DFB激光器的加熱和制冷。除了溫度信息采集后向通路之外，系統(tǒng)的檢測(cè)電路中還包括TEC電流信息采集后向通路，使得核心控制器具有監(jiān)控TEC控制電流的能力。當(dāng)TEC電流過(guò)大時(shí)，控制器將關(guān)閉TEC控制芯片，以免激光器和TEC受到損傷。

圖1 溫度控制器系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of temperature controller system

1.1 溫度控制前向通路設(shè)計(jì)

TEC是DFB激光器的控溫器件，它是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)［8］制成的，當(dāng)直流電流流經(jīng)熱電制冷器時(shí)，其一端會(huì)吸收熱量，另一端會(huì)發(fā)出熱量。TEC對(duì)DFB激光器進(jìn)行致冷還是加熱以及致冷、加熱的速率，分別由流經(jīng)電流的方向和大小來(lái)決定。為了實(shí)現(xiàn)高精度的激光器溫度控制，需對(duì)流經(jīng)TEC的電流進(jìn)行方向和大小的精確控制。核心控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過(guò)16位微功耗串行DAC芯片LTC1655［9］和TEC控制芯片MAX1968［10］轉(zhuǎn)換成了對(duì)應(yīng)的控制電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DFB激光器加熱和制冷的控制。圖2給出了溫度控制前向通路整體框圖。

圖2 溫度控制前向通路整體框圖Fig.2 Overall block diagram of forward channel of temperature control

1.2 溫度信息采集后向通路設(shè)計(jì)

溫度信息采集后向通路為控制器提供DFB激光器工作溫度信息和TEC控制電流信息。將激光器的工作溫度作為反饋值與設(shè)定溫度相減得出誤差值，控制器根據(jù)這個(gè)誤差值對(duì)數(shù)字控制輸出量進(jìn)行調(diào)整，最終使得激光器的工作溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。根據(jù)TEC控制電流信息，控制器判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常，置TEC控制芯片片選信號(hào)為低，關(guān)閉TEC控制芯片。圖3給出了溫度信息采集后向通路的整體框圖。

圖3 溫度信息采集后向通路整體框圖Fig.3 Overall block diagram of backward channel of temperature data acquisition

2 Ziegler－Nichols PID算法

2.1 數(shù)字形式的位置式PID算法

微控制器只能處理離散信號(hào)，因此若想以微控制器為核心構(gòu)建PID控制系統(tǒng)，需將PID控制算法離散化，即數(shù)字PID控制算法。在模擬PID算法的基礎(chǔ)上對(duì)時(shí)間t離散化，得到一系列的采樣點(diǎn)kT（T為采樣周期），之后，用偏差的求和運(yùn)算代替積分運(yùn)算，用兩次偏差的差分運(yùn)算代替微分運(yùn)算，可得數(shù)字形式的位置式PID控制算法:

式中:e（i）＝y(tǒng)（i）－r（i），為第i次采樣時(shí)輸入的系統(tǒng)控制偏差值；T為采樣周期；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

2.2 PID參數(shù)Ziegler－Nichols工程整定方法

控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程不僅與控制方案、被控對(duì)象特性等有關(guān)，也與控制算法的參數(shù)有關(guān)。在PID算法中，三個(gè)PID參數(shù)的大小和比例關(guān)系直接影響系統(tǒng)的性能。因此，為了獲得令人滿意的系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用目前在工程上應(yīng)用較廣泛的Ziegler－Nichols工程整定方法。

Ziegler－Nichols是一種閉環(huán)整定方法，它是根據(jù)純比例控制系統(tǒng)處于臨界過(guò)程時(shí)的臨界比例帶δpr和振蕩周期Tpr，利用經(jīng)驗(yàn)公式，求取控制算法的最佳參數(shù)。其參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式如表1所示。

表1 Ziegler－Nichols法參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式Table 1 Empirical formula of Ziegler－Nichols parameter tuning method

Ziegler－Nichols法整定PID參數(shù)的步驟如下:

（1）設(shè)置積分時(shí)間TI無(wú)窮大，微分時(shí)間TD為零，比例帶δ（δ＝1／KP）較大，開啟控制系統(tǒng)。

（2）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶δ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩。記錄此時(shí)的δ（即臨界比例帶δpr）和兩個(gè)波峰之間的時(shí)間（臨界振蕩周期Tpr），如圖4所示。

（3）利用表1中所示的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算各個(gè)參數(shù)。

3 溫度控制實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖4 Ziegler－Nichols法示意圖Fig.4 Diagram of Ziegler－Nichols method

利用該溫度控制器，對(duì)中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制的中心波長(zhǎng)為1.742μm的DFB激光器做了溫度控制測(cè)試。圖5給出了搭建的DFB激光器溫度控制實(shí)驗(yàn)裝置。DFB激光器采用蝶形封裝，集成了TEC和熱敏電阻，激光器溫度控制器通過(guò)杜邦線與DFB激光器相連。通信接口電路一端與激光器溫度控制器相連，另一端與計(jì)算機(jī)RS－232串口相連。

圖5 DFB激光器溫度控制實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 DFB laser temperature control device

3.1 Ziegler－Nichols法整定PID參數(shù)實(shí)驗(yàn)

首先采用P調(diào)節(jié)器進(jìn)行了激光器溫度控制實(shí)驗(yàn)，目的是為了尋找純比例控制系統(tǒng)Ziegler－Nichols的參數(shù)，對(duì)DFB激光器溫度控制器數(shù)字控制算法的參數(shù)進(jìn)行整定。實(shí)驗(yàn)設(shè)定調(diào)節(jié)溫度為25.0℃，令積分增益系數(shù)和微分增益系數(shù)為0，令比例增益系數(shù)由5開始逐漸增大。圖6給出了不同比例增益系數(shù)下的溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線。

從圖6可看出P調(diào)節(jié)器在進(jìn)行溫度控制時(shí)存在余差，且控制余差的大小隨著比例增益系數(shù)的增大而減??；另外，當(dāng)Ziegler－Nichols法比例增益系數(shù)逐漸增大時(shí)，系統(tǒng)振蕩逐漸加劇。在激光器控制溫度穩(wěn)定后，逐漸加大比例增益系數(shù)，在KP＝75時(shí)得到了溫度控制系統(tǒng)的Ziegler－Nichols法臨界振蕩曲線，此時(shí)系統(tǒng)處于臨界過(guò)程。圖7給出了溫度控制系統(tǒng)的震蕩曲線，可以得出振蕩周期Tpr為4.5s。

圖6 不同Kp下的激光器溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Experiment curve of laser temperature control when KPvaries

圖7 Ziegler－Nichols法臨界振蕩實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Critical shock experiment curve of Ziegler－Nichols method

采用Ziegler－Nichols的臨界比例帶法對(duì)溫度控制器的數(shù)字控制算法參數(shù)進(jìn)行整定，即通過(guò)試驗(yàn)獲得δpr和Tpr，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。由上一節(jié)得到Tpr＝4.5s和Kpr＝75，則δpr＝1／Kpr＝0.0133。由表1可得:δ＝1.67δpr＝0.0223，TI＝0.5，Tpr＝2.25s，TD＝0.125，Tpr＝0.5625s。

溫度控制任務(wù)每1s運(yùn)行一次，因此數(shù)字PID算法采樣周期為1s。由以上可得:KP＝1／δ＝44.84，KI＝KP×T／TI＝19.93，KD＝KP×TD／T＝25.22。

3.2 溫度控制穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將KP＝44.84、KI＝19.93、KD＝25.22帶入PID控制程序，對(duì)DFB激光器溫度控制器進(jìn)行了測(cè)試，設(shè)定目標(biāo)溫度為25℃。圖8給出了溫度控制器對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制的曲線。從圖8可看出溫度控制進(jìn)行20s之后，激光器溫度逐漸穩(wěn)定。對(duì)圖8虛線框中的曲線進(jìn)行放大，得到圖9所示的曲線。從圖9可知溫度控制器運(yùn)行80s后，溫度控制的精度優(yōu)于0.05℃。

圖8 溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線Fig.8 Temperature control experiment curve

圖9 溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線局部放大圖Fig.9 Partial enlargement experiment curve of temperature control

同時(shí)，開展了DFB激光器溫度控制器的穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在220min的時(shí)間內(nèi)，每隔一秒記錄一次激光器的溫度，并以這些采樣數(shù)據(jù)繪制出了如圖10所示的測(cè)試曲線。將1～220min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新繪制，得到了如圖11所示的曲線，從圖11中發(fā)現(xiàn)溫度控制曲線除在175min左右有一點(diǎn)的控制溫度與設(shè)定溫度的偏差為0.05℃，其余各點(diǎn)與設(shè)定溫度的偏差均小于0.05℃。

3.3 溫度控制范圍測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了滿足項(xiàng)目需求，DFB溫度控制器應(yīng)實(shí)現(xiàn)5～60℃的激光器溫度控制。對(duì)溫度控制器的溫度控制范圍進(jìn)行了測(cè)試，設(shè)定目標(biāo)控制溫度由0℃逐漸增加到70℃，間隔為5℃，得到了一系列溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)表明:激光器溫度控制器在5～60℃的溫度控制范圍內(nèi)表現(xiàn)良好；當(dāng)設(shè)定溫度小于5℃或大于60℃時(shí)，激光器溫度控制器會(huì)由于軟件編程和溫度傳感器采樣電路的限制而可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖12和圖13給出了目標(biāo)控制溫度為5℃和60℃的溫度控制曲線。

圖10 溫度控制穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10 Stability testing experiment curve of temperature control

圖11 1～220min溫度控制穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.11 Stability testing experiment curve of temperature control during 1～220min

圖12 目標(biāo)控制溫度為5℃的溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Experiment curve of temperature control when target temperature is 5℃

3.4 DFB激光器調(diào)諧特性模型

圖13 目標(biāo)控制溫度為60℃的溫度控制實(shí)驗(yàn)曲線Fig.13 Experiment curve of temperature control when target temperature is 60℃

半導(dǎo)體材料的折射率和帶隙對(duì)應(yīng)的輻射激光波長(zhǎng)，隨溫度、載流子濃度等變化而改變［11］。對(duì)中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制的中心波長(zhǎng)為1.742μm的DFB激光器做了DFB激光器調(diào)諧特性測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用光譜分析儀（Agilent:86142B）測(cè)量DFB激光器在不同溫度和不同電流條件下的輸出波長(zhǎng)。DFB激光器的注入電流和工作溫度控制由自主研制的驅(qū)動(dòng)器和溫度控制器提供，光譜儀的波長(zhǎng)掃描范圍為1300～1900nm，分辨率為10pm。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一是將溫度控制器工作溫度保持不變，只改變注入電流（范圍為30～80mA，步長(zhǎng)為5mA）測(cè)量激光器輸出波長(zhǎng)，即電流調(diào)諧譜；二是在注入電流保持不變而只改變工作溫度（范圍為20～40℃，步長(zhǎng)為5℃）得到溫度調(diào)諧譜。其測(cè)量結(jié)果如圖14所示。

圖14 DFB激光器在不同溫度下輸出波長(zhǎng)隨注入電流的變化曲線Fig.14 Output wavelength of DFB laser vs.injection current at different temperatures

同時(shí)，為了能夠精確預(yù)測(cè)DFB激光器在快速調(diào)諧過(guò)程中的瞬態(tài)輸出波長(zhǎng)，利用以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了DFB激光器的注入電流－工作溫度的調(diào)諧特性解析模型圖譜，如圖15所示。

圖15 DFB激光器注入電流－工作溫度的調(diào)諧特性解析模型譜圖Fig.15 Analytical spectrum model of DFB laser tuning characteristic with injection current－operating temperature

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所建立的激光器調(diào)諧特性解析模型的精確性，利用HCL氣體在該光譜波段的多個(gè)吸收譜線來(lái)測(cè)量DFB激光的波長(zhǎng)。采用溫度調(diào)諧的DFB激光器吸收光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)如下:DFB激光器的注入電流設(shè)定為50 mA，TEC驅(qū)動(dòng)電流分別設(shè)定為0.9、1.0、1.2A，熱敏電阻的工作電流設(shè)定為100μA，HCL氣體的體積分?jǐn)?shù)為10%。將激光器調(diào)諧特性解析模型得出的預(yù)測(cè)波長(zhǎng)與HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)［12］波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

由表2可見，解析模型波長(zhǎng)預(yù)測(cè)值與HITRAN譜圖中HCL氣體吸收線的誤差僅在3 pm內(nèi)，比現(xiàn)有光譜儀的最高分辨率（10pm）還要高。

3.5 溫度控制器動(dòng)態(tài)性能

在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于環(huán)境溫度突變使DFB激光器輸出波長(zhǎng)跳變，同時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)輸出參數(shù)的突變，因此需要對(duì)本DFB溫度控制器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試條件如下:在室溫條件下，DFB激光器的注入電流為50mA，TEC驅(qū)動(dòng)電流為1.0A，熱敏電阻的工作電流為100μA，利用DFB溫度控制器使DFB激光器工作在目標(biāo)溫度30℃，然后調(diào)節(jié)溫度箱使環(huán)境溫度降至10℃和升高至50℃，DFB激光器工作溫度響應(yīng)曲線如圖16所示。當(dāng)環(huán)境溫度由30℃突降至10℃時(shí)，DFB激光器工作溫度最低突降至28.76℃，熱響應(yīng)時(shí)間為20s，熱動(dòng)態(tài)誤差為4.1%。當(dāng)環(huán)境溫度由30℃突升至50℃時(shí)，DFB激光器工作溫度最高突變至31.32℃，熱響應(yīng)時(shí)間為20s，熱動(dòng)態(tài)誤差為4.4%。同時(shí)，由本文建立的DFB激光器調(diào)諧特性解析模型譜圖可計(jì)算出DFB激光器輸出波長(zhǎng)波動(dòng)值分別為0.124nm（28.76 ℃）和0.132nm（31.32℃）。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精確度能夠滿足光譜分析、光學(xué)相干測(cè)量等實(shí)際應(yīng)用的要求。

表2 在不同TEC驅(qū)動(dòng)電流下的波長(zhǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果與HITRAN譜庫(kù)結(jié)果的比較Table 2 Comparison of absorption spectrum between estimated data and HITRAN data under different drive currents of TEC

圖16 DFB激光器在環(huán)境溫度突變下的工作溫度響應(yīng)曲線Fig.16 Temperature response curve of DFB lasers under mutation of circumstancet temperature

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并研制了一種基于Ziegler－Nichols PID算法的高穩(wěn)定性DFB激光器溫度控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的硬件原理圖和穩(wěn)流控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該DFB激光器溫度控制器的控制精度為±0.05℃，溫度控制范圍為5～60℃，系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)定溫度±1℃偏差的時(shí)間小于30s，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。應(yīng)用該溫度控制系統(tǒng)以及DFB激光器做了HCl氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在長(zhǎng)時(shí)間（220min）運(yùn)行中，DFB激光器工作狀態(tài)穩(wěn)定，中心波長(zhǎng)未出現(xiàn)漂移，為DFB激光器在紅外氣體檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)用化提供了性能保障。本文所研制的DFB激光器溫度控制系統(tǒng)可應(yīng)用于基于DFB激光器的紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)。

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