半導(dǎo)體激光器雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)

辛文輝，方 林，樊建鑫，任卓勇，李仕春，樂 靜

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

當(dāng)前，大氣污染嚴(yán)重影響著人類的生產(chǎn)、生活，開展氣體探測具有非常重要的意義。光譜學(xué)探測方法是氣體濃度探測的重要手段，具有精度高、不需要取樣的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前氣體濃度探測的重要發(fā)展方向[1]。其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)基于氣體特有的“指紋”吸收特性，通過探測經(jīng)氣體吸收后的光信號，反演獲得被探測氣體的濃度,TDLAS已在CO、CH4等多種氣體的濃度探測中得到應(yīng)用，具有較高的探測極限[2-4]。

在TDLAS方法中，通常需選擇波長可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器作為探測光源，將激光器的輸出波長調(diào)諧到被探測氣體的強(qiáng)吸收波段，并通過諧波檢測方法來提高探測極限[5-6]。半導(dǎo)體激光器的輸出波長可以通過控制其工作溫度及注入電流進(jìn)行調(diào)諧，實(shí)際應(yīng)用中，通常是將溫度固定，通過改變注入電流來實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧。與電流調(diào)諧相比，溫度對激光器的輸出影響較大[7]，較小的溫度變化會導(dǎo)致較大的波長漂移，例如，對一個波長為1.654 μm的窄線寬分布反饋式(Distributed Feedback，DFB)激光器，溫度每變化1 ℃，所引起的波長漂移約有0.12 nm[3]。因此，高精度的溫度控制是實(shí)現(xiàn)TDLAS氣體濃度探測的關(guān)鍵[8]。

目前，TDLAS的溫度控制大多是以熱電制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)作為執(zhí)行元件，以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)作為測溫反饋元件，采用PID反饋控制方法實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制[9-12]。比較成熟的儀器如Thorlabs公司的TED200C、Newport公司的LDC-3700C等，其控制精度已分別達(dá)±0.01 ℃、±0.05 ℃。然而，這些溫控儀器雖然控制精度很高，但普遍價格昂貴、體積較大，難以集成[13]。除以上專用化的溫度儀器外，也有一些集成化的溫度控制芯片如MAXIM公司的MAX1978ETM、AD公司的LTC1923等供研究者使用，其溫度控制精度也可以達(dá)到0.1 ℃，但其溫控驅(qū)動功率、長期穩(wěn)定性仍有待提高[6,14-15]。

設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于無人機(jī)天然氣泄漏探測的TDLAS溫度控制系統(tǒng)，為了提高溫控范圍、精度及長期穩(wěn)定性，采用雙閉環(huán)溫度控制方案。外環(huán)采用外置的TEC、NTC，置于半導(dǎo)體激光器的金屬底座，對半導(dǎo)體激光器的外部進(jìn)行加熱/制冷、測量，并通過溫度控制模塊MTD1020T進(jìn)行反饋控制，可實(shí)現(xiàn)5～45 ℃范圍、精度為±0.5 ℃的溫度控制；內(nèi)環(huán)的TEC、NTC嵌入到半導(dǎo)體激光器內(nèi)部，通過AD公司的LTC1923及前置放大環(huán)節(jié)，將控制精度提高至±0.01 ℃。內(nèi)、外環(huán)溫控相結(jié)合，利用外環(huán)的溫控功率大、內(nèi)環(huán)的溫控精度高的優(yōu)勢，最終實(shí)現(xiàn)的控制精度為±0.01 ℃、4 h的溫度穩(wěn)定性≤0.02 ℃，可滿足TDLAS氣體濃度探測的需求。

1 模擬PID與數(shù)字PID

在溫度控制系統(tǒng)中，PID控制原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。PID控制主要包括模擬和數(shù)字兩種方式，二者在雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的內(nèi)、外環(huán)中都有應(yīng)用。其中，模擬PID的輸出函數(shù)u(t)可以用式(1)表示。

(1)

式中:Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。通過對kp、Ti及Td的調(diào)節(jié)，能夠?qū)?PID 控制器的性能進(jìn)行完善和優(yōu)化。

數(shù)字PID分辨率高，參數(shù)調(diào)節(jié)更為靈活、方便，在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛，其中，增量式數(shù)字PID可用式(2)表示。

Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

不同于經(jīng)典的位置式PID,其輸出與過去所有狀態(tài)有關(guān)，需要耗費(fèi)大量的系統(tǒng)存儲單元，增量式PID的增量輸出僅與現(xiàn)在和之前3個采樣周期內(nèi)的偏差量e(k)、e(k-1)和e(k-2)有關(guān)，所以出現(xiàn)誤差動作時對輸出影響較小，而且較容易通過加權(quán)處理方式得到較好的控制效果，將在外環(huán)溫控中應(yīng)用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為方便使用，應(yīng)用于氣體濃度探測的DFB激光器通常將TEC、NTC連同半導(dǎo)體激光器本體封裝在一起，并采用雙排引線的蝶形封裝供用戶使用?？紤]到內(nèi)置的TEC、NTC和激光器比較靠近，所以該部分作為雙閉環(huán)溫控的內(nèi)環(huán)，要求控制精度為0.01 ℃。

由于蝶形封裝的半導(dǎo)體激光器空間尺寸較小，內(nèi)置的TEC溫度控制能力有限，當(dāng)外部環(huán)境的溫度有較大的波動時，僅憑內(nèi)環(huán)溫控模塊很難實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的溫控需求。為解決這一問題，可以設(shè)置一個置于半導(dǎo)體激光器蝶形封裝之外、體積較大、溫度調(diào)節(jié)范圍較廣的TEC作為外環(huán)溫度控制元件，同樣經(jīng)過測溫及反饋控制，實(shí)現(xiàn)外環(huán)溫度控制，要求其溫控精度為±0.5 ℃，設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)溫控系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)中，外環(huán)溫度控制由Thorlabs的集成化控制器MTD1020T進(jìn)行；NTC選用常溫下阻值為10 kΩ的環(huán)氧涂層熱敏電阻TH10K，其耗散系數(shù)1.4 mW/℃，時間常數(shù)15 s；TEC選用可以維持73 ℃溫差的單層半導(dǎo)體制冷片TECH4，尺寸為25 mm×25 mm，比蝶形封裝的半導(dǎo)體激光器略大，置于激光器下側(cè)，緊貼激光器。工作時，MTD1020T通過NTC實(shí)時檢測溫度，并與通過MCU設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，通過內(nèi)置的增量式數(shù)字PID控制器調(diào)節(jié)雙極TEC電流，實(shí)現(xiàn)對外置TEC的加熱或制冷，進(jìn)而影響與TEC相鄰的半導(dǎo)體激光器的溫度。

內(nèi)環(huán)以集成化溫度控制芯片LTC1923為核心，通過激光器內(nèi)部NTC實(shí)時測量半導(dǎo)體激光器溫度，將檢測到的溫度所對應(yīng)的電壓與設(shè)定溫度對應(yīng)的電壓進(jìn)行差分放大，在PI參數(shù)的控制之下，控制TEC電流的大小、方向，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)置TEC的加熱或制冷過程。

內(nèi)、外環(huán)采用的測溫元件均為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，這種熱敏電阻的電阻值與溫度雖然為非線性關(guān)系，但其對溫度感應(yīng)非常靈敏，而且阻值較大，其在25 ℃下的阻值為10 kΩ，室溫變化時，其阻值變化可達(dá)1～100 kΩ，較大的阻值變化會使由此帶來的電信號變化較大，從而降低噪聲的影響，提高了測溫精度，還可以降低導(dǎo)線電阻帶來的誤差。

3 內(nèi)、外溫控模塊設(shè)計(jì)及控制流程

3.1 外環(huán)溫控

外環(huán)溫控模塊MTD1020T連接如圖2所示。該模塊內(nèi)置高速、高穩(wěn)定性的增量式數(shù)字PID控制器，可驅(qū)動最大電流為±2.0 A、功率為20 W的TEC，實(shí)現(xiàn)±0.5 ℃的溫控精度，并且電流噪聲小，控制器外形尺寸僅為 27.0 mm×21.0 mm，適合對空間尺寸要求較為苛刻的場合。

圖2 MTD1020T連接圖

圖2中，VREF、TEMP為測溫輸入引腳，與NTC相連接；TEC+、TEC-分別接TEC的冷端和熱端，根據(jù)電流方向及大小可產(chǎn)生正/負(fù)溫度梯度；TX、RX與控制用的MCU進(jìn)行通信，用來設(shè)定控制參數(shù)；ENABLE為信號使能端，為低時溫度控制器被啟用；STATUS為狀態(tài)輸出端，為高時表明此時溫度在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

對MTD1020T的控制是由MCU通過串口發(fā)送指令進(jìn)行的：在初始化完成后，發(fā)送溫度設(shè)定值、PID優(yōu)化值等，由MTD1020T根據(jù)設(shè)定的參數(shù)以及測溫環(huán)節(jié)所測的值，以反饋的形式實(shí)行溫度控制。MTD1020T的溫度設(shè)置、讀取及相關(guān)控制指令如表1所示，如溫度設(shè)定指令“Tx”，其中T為設(shè)定溫度，x為要設(shè)定的溫度值，當(dāng)控制MCU通過串口發(fā)送“T25000”時，代表設(shè)定溫度為25 ℃；讀取溫度時，發(fā)送“Te？”，MTD1020T會返回一個實(shí)際溫度值，如“25500”，則代表實(shí)際溫度為25.5 ℃。

表1 MTD1020T指令

本設(shè)計(jì)中，外環(huán)采用的增量式數(shù)字PID雖然需要較少的存儲量、出現(xiàn)誤差動作時對輸出影響較小，但存在積分截?cái)嘈?yīng)大、靜態(tài)誤差溢出大等問題，選用的控制器MTD1020T需要進(jìn)行以下操作，用來保證系統(tǒng)的可靠性。

① 對輸出最大電流參數(shù)L-TEC Current Limit進(jìn)行設(shè)置，防止電流過大，保證系統(tǒng)的可靠性。

② 設(shè)置合適的循環(huán)周期參數(shù)C-Cycle Time,減少內(nèi)置的MOSFET的頻繁切換。

需要說明的是，以上措施必須同具體的TEC相結(jié)合，并參照3.3節(jié)的溫度控制流程中外環(huán)的設(shè)置步驟進(jìn)行。

3.2 內(nèi)環(huán)溫控

內(nèi)環(huán)溫度控制模塊主要由模擬式溫度控制芯片LTC1923、差分放大器、執(zhí)行TEC及測量NTC組成。工作時，MCU控制D/A輸出一個設(shè)定電壓，與所控制的溫度相對應(yīng)。LTC1923通過接收測溫NTC的反饋電壓，控制H橋電路4個MOSFET的開通及關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)加熱/制冷。由于LTC1923本身的溫度控制精度為0.1 ℃，可通過加入差分放大環(huán)節(jié)，提高溫控精度。

內(nèi)環(huán)溫控的局部電路如圖3所示，當(dāng)NTC的溫度測量電壓與D/A的溫度設(shè)定電壓值分別連接到AD公司的高精度差分放大器LTC2053的同相輸入端和反相輸入端時，其輸出的差分放大電壓可以由式(3)計(jì)算得到。

(3)

電路中R2=9.09 kΩ,R3=1 kΩ,放大倍數(shù)為10。

在LTC1923溫控電路中，其PID控制是通過圖3中的RF、RA和CF組成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度反饋控制回路如圖4所示。

圖3 LTC1923測量控制電路圖

圖4 LTC1923回路框圖

由芯片數(shù)據(jù)手冊可知，RF、RA和CF的值由式(4)和式(5)給出。

(4)

(5)

式中：KEA為誤差放大器增益，是回路增益T的一部分；τ為熱時間常數(shù)，一般為幾十秒。T是回路中各部分增益的乘積，且有：

T=KIA·KEA·KMOD·KPWR·KTEC·KTHRM

(6)

式中：KIA為儀器放大器增益，值為10；KTEC、KTHRM分別為TEC、熱敏電阻增益，二者由VSET、R1、TEC和NTC特性決定；KMOD、KPWR分別為調(diào)制器、電源增益，都由VDD決定，其關(guān)系為

KMOD·KPWR=2VDD

(7)

KTEC=dT/VTEC(MAX)

(8)

設(shè)定溫度20 ℃的條件下，10 kΩ的NTC電壓變化為-25 mV/℃(即KTHRM=25 mV/℃)，為了保證0.01 ℃的溫控精度，誤差電壓VE應(yīng)為250 μV，此時回路增益可由式(9)算出。

VE=VIN/(1+T)

(9)

在VIN=1.25 V時得出T=5000。

綜上，KEA=T/(KIA·KMOD·KPWR·KTEC·KTHRM)=5000/(10×10×30×0.025)=66.7?；诖?，選定RF為10 MΩ量級，RA為100 kΩ量級，CF為μF量級。

3.3 溫度控制流程

內(nèi)、外環(huán)溫控模塊必須在MCU控制下，才能有效地發(fā)揮其功能，圖5是整個溫度控制流程圖。

圖5 內(nèi)、外環(huán)溫度控制流程

如前所述，由于外環(huán)溫度控制是由集成化的控制器MTD1020T以數(shù)字PID控制方式進(jìn)行，故MCU只需要通過串口向外環(huán)溫度控制器發(fā)送要設(shè)定的溫度值，并對PID進(jìn)行優(yōu)化即可。具體的做法是通過該模塊的G(臨界增益值)和O(臨界周期值)進(jìn)行的：首先設(shè)定溫度T、P、I、D及循環(huán)時間C的初值，如“T25000”、“P10000”、“I0”、“D0”、“C30”，然后用示波器探測TEMP信號，若該信號不振蕩，則減小P值，同時T以0.1 ℃的分度交替增減，以創(chuàng)造振蕩條件；通過不斷調(diào)整P和T值，找到信號開始振蕩并最少維持20個周期的臨界時刻，此時程序中的P值即為G值，振蕩周期即為O值，如“P2250”則說明“G2250”，振蕩周期為5.58 s，則說明“O5580”，將G、O按此值設(shè)定，MTD1020T就會自動計(jì)算出PID參數(shù)，使用參數(shù)存儲指令“M”就可將獲得的PID參數(shù)存儲進(jìn)非易失性存儲器中，并且以增量式PID控制輸出。

內(nèi)環(huán)溫度控制是通過模擬控制芯片LTC1923進(jìn)行的。在確定了RF、RA和CF參數(shù)后，模塊的PID參數(shù)就確定了下來，MCU只需通過D/A輸出控制溫度對應(yīng)的電壓即可。本研究當(dāng)中,選用Thorlabs公司的TH10K作為外環(huán)NTC，其在25 ℃時，標(biāo)準(zhǔn)阻值為10 kΩ。由于NTC的非線性，本研究采用了分段擬合的方法，將本系統(tǒng)用到的10～45 ℃區(qū)間分為6個區(qū)域進(jìn)行線性擬合，如圖6所示。根據(jù)該圖表獲得要設(shè)定的溫度對應(yīng)的電阻，并參考圖3中VREF、R1的值進(jìn)行計(jì)算，獲得需要設(shè)定的電壓。

圖6 TH10K分段線性擬合圖

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按以上設(shè)計(jì)搭建完成的雙閉環(huán)溫控系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)采用+12 V、+5 V雙電源供電，+12 V提供給外環(huán)MTD1020T使用，+5 V提供給內(nèi)環(huán)使用。搭建系統(tǒng)時，在外環(huán)TEC上表面覆蓋導(dǎo)熱硅脂，將蝶形封裝的激光器固定在其上，保證導(dǎo)熱良好，并在其間嵌入測溫NTC。內(nèi)環(huán)溫度控制器LTC1923的TEC輸出、NTC輸入分別與蝶形封裝的激光器對應(yīng)的部分相連接。

圖7 雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)搭建完成后，首先進(jìn)行了溫控性能的分模塊測試：在室溫條件下，將工作溫度由室溫分別提高到30 ℃、降低到10 ℃，并通過Fluke的高精度數(shù)字萬用表測量獨(dú)立的、高靈敏度的熱敏電阻，對實(shí)際的溫控效果進(jìn)行測量。其中，外環(huán)的溫度設(shè)定直接由MCU以通信的方式發(fā)送給MTD1020T，內(nèi)環(huán)的溫度設(shè)定通過控制D/A輸出與溫度對應(yīng)的電壓進(jìn)行。

圖8為分模塊測試得到的內(nèi)、外環(huán)溫控波形圖。由于外環(huán)的MTD1020T的輸出功率較大，所以溫度響應(yīng)比較迅速，其溫度波動在所設(shè)定溫度的5%范圍內(nèi)的響應(yīng)時間均小于35 s，其最大超調(diào)量為7%；內(nèi)環(huán)模塊的TEC和NTC都嵌入在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部，其TEC體積較小，溫控驅(qū)動能力有限，溫度響應(yīng)較慢，響應(yīng)時間約40 s,最大超調(diào)為5%。

圖8 20 ℃環(huán)境下分模塊溫控響應(yīng)曲線

對內(nèi)、外溫控模塊單獨(dú)測試完后，進(jìn)行聯(lián)合溫控實(shí)驗(yàn)，將兩個模塊的溫度依次都設(shè)定在30 ℃、10 ℃，啟動工作后記錄溫度數(shù)據(jù)，其波形如圖9所示。由實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)內(nèi)、外溫控模塊聯(lián)合工作時，其從環(huán)境溫度到設(shè)定目標(biāo)溫度的響應(yīng)時間約為20 s，且沒有出現(xiàn)明顯振蕩，其超調(diào)量小于1%。穩(wěn)定后，溫控準(zhǔn)確度控制在±0.01 ℃內(nèi)。

圖9 20 ℃環(huán)境下聯(lián)合溫控響應(yīng)曲線

衡量溫度控制環(huán)節(jié)的另一個指標(biāo)是溫度的長時間穩(wěn)定性，在20 ℃左右的環(huán)境溫度下，設(shè)置目標(biāo)溫度 10 ℃，穩(wěn)定后每隔5 s記錄一次溫度值，并連續(xù)記錄4 h，其結(jié)果如圖10所示。由圖10中可以看出，4 h內(nèi),系統(tǒng)的溫控準(zhǔn)確度在±0.02 ℃，取該時間內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到溫度穩(wěn)定性為 0.008 ℃，表明該系統(tǒng)具有良好的時間穩(wěn)定性。

圖10 雙閉環(huán)溫控系統(tǒng)4 h內(nèi)的溫度穩(wěn)定性

最后，實(shí)際測試了溫控系統(tǒng)的波長調(diào)諧特性。將中心波長為1.654 μm的DFB激光器的驅(qū)動電流設(shè)置為100 mA，為其工作狀態(tài)，利用本文搭建的溫控系統(tǒng)分別設(shè)置激光器溫度在10～40 ℃之間變化，待每個溫度節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定后，采用Yokogawa公司的AQ6317c光譜儀分別測量激光器的波長，對應(yīng)的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 1.654 μm的DFB輸出波長與溫度之間的關(guān)系

由圖11可以看出，隨著溫度的升高，激光器峰值輸出波長也隨之增加，將激光器峰值輸出波長λ與溫度T進(jìn)行線性擬合，擬合關(guān)系式如式(10)所示，擬合優(yōu)度為0.997，可見，該激光器具有線性度較好的“溫度-波長”調(diào)諧特性。

λ=T×1.19118×10-4+1.6551

(10)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于氣體檢測的半導(dǎo)體激光器雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)的溫度控制范圍為10～40 ℃，溫度控制的準(zhǔn)確度為±0.01 ℃，長時間穩(wěn)定性控制在±0.02 ℃內(nèi)，溫度變化10 ℃時，系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于20 s。利用所研制的溫度控制系統(tǒng)對波長為1.654 μm的DFB激光器進(jìn)行了光譜測試實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激光器驅(qū)動電流一定時，改變激光器工作溫度可有效調(diào)諧激光器工作波長。與市面上商用化的溫度控制器相比，該溫控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、易于實(shí)施等優(yōu)勢，可應(yīng)用于無人機(jī)便攜式氣體濃度監(jiān)測等領(lǐng)域。