一种基于TDLAS的激光控制系统及方法与流程

文档序号：12129912阅读：536来源：国知局

本发明涉及激光控制技术领域，尤其涉及基于TDLAS的激光控制系统及方法。

背景技术：

现有的用于激光器的电流/温度控制系统只有简单的电流调谐，而TDLAS技术需要加载一次谐波信号至电流驱动的锯齿信号上去，从而才能进行二次谐波解调，从而提高TDLAS测试效果，故而以前的技术不得不单独配备一个信号发生器来实现该功能，成本非常高。

现有的用于激光器的电流/温度控制系统的所有的信号无法同步输入输出，不得不单独配备一个锁相放大器，成本不菲。

现有的用于激光器的电流/温度控制系统因为不得不配备外接的信号发生器和锁相放大器，从而导致信号没有理想中稳定。

TDLAS，即可调谐半导体激光吸收光谱。该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于TDLAS的激光控制系统及方法，该系统通过TDLAS驱动模块产生激光器所需要的电流DC信号和分析解调用的一次谐波的加载信号来驱动激光器，解决了现有激光控制工作状态不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种基于TDLAS的激光控制系统，包括数据采集模块、数据处理模块、TDLAS驱动模块。所述TDLAS驱动模块与数据采集模块相连接；所述数据采集模块与数据处理模块相连接；所述数据处理模块与TDLAS驱动模块相连接；所述TDLAS驱动模块与激光器相连接。所述TDLAS驱动模块通过输出电流DC信号和分析解调用的一次谐波的加载信号来驱动所述激光器发射激光。所述TDLAS驱动模块对光电转化后的激光信号进行二次谐波解调，并将解调后的模拟信号输入到所述数据采集模块；所述数据采集模块将模拟信号转换为数字信号；所述数据处理模块根据该数字信号对所述TDLAS驱动模块的输出进行进一步的调节。

进一步地还包括探测器。所述探测器与TDLAS驱动模块相连接。所述探测器接收所述激光器发射的激光，并将激光转化为电信号，然后将该电信号发送给所述TDLAS驱动模块。

进一步地，还包括温度控制/反馈模块。所述温度控制/反馈模块与数据采集模块相连接。所述温度控制/反馈模块用于实时向所述数据采集模块反馈激光器的温度，并对激光器的稳定进行控制。

进一步地，所述TDLAS驱动模块包含数据传输单元、二次谐波信号解调单元、激光器DC驱动单元、一次谐波信号产生单元、锁相放大单元。所述探测器依次通过所述二次谐波信号解调单元、数据传输单元与所述数据采集模块相连接。所述数据处理模块通过所述数据传输单元分别与所述激光器DC驱动单元、一次谐波信号产生单元相连接。所述锁相放大单元与激光器相连接。

进一步地，所述TDLAS驱动模块还包含前置放大单元。所述前置放大单元连接在所述探测器与所述二次谐波信号解调单元之间。

进一步地，所述探测器为光电二极管。

一种基于TDLAS的激光控制方法，包括以下步骤：

S1：获取激光器的温度。

S2：判断激光器的温度是否与预设值一致；若为是，执行S4；若为否则执行S3。

S3：对激光器的温度进行校准，使得激光器的温度与预设值保持一致，执行S4。

S4：加载一次谐波信号至DC驱动信号上。

S5：通过加载后的DC驱动信号驱动激光器发射激光。

S6：对激光进行采集，并将采集的激光信号由光信号转化为电信号。

S7：对电信号进行解调，获取解调后的二次谐波信号。

S8：根据DC驱动信号、二次谐波信号获取光谱图。

本发明的有益效果：

该系统通过TDLAS驱动模块产生激光器所需要的电流DC信号和分析解调用的一次谐波的加载信号来驱动激光器，使得激光器以最稳定的状态工作，被测气体吸收激光器的光谱后会使加载的信号产生变化，TDLAS驱动模块通过对探测器端的信号进行二次谐波解调，从而得出信号的变化。TDLAS驱动模块把所有信号给到数据采集模块进行数字化转换，从而分析浓度值。

附图说明

图1为本发明中基于TDLAS的激光控制系统的电路方块示意图。

图2为图1中TDLAS驱动模块3的电路方块示意图。

图3为图2中前置放大单元32的电路原理图。

图4为图2中二次谐波解调单元33的电路原理图。

图5为本发明中基于TDLAS的激光控制方法的流程示意图。

其中，图1至图5的附图标记为：数据采集模块1、数据处理模块2、TDLAS驱动模块3、温度控制/反馈模块4、探测器5、激光器6；数据传输单元31、前置放大单元32、二次谐波信号解调单元33、激光器DC驱动单元34、一次谐波信号产生单元35、锁相放大单元36。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1所示，一种基于TDLAS的激光控制系统，包括数据采集模块1、数据处理模块2、TDLAS驱动模块3、温度控制/反馈模块4、探测器5。

探测器5与TDLAS驱动模块3相连接；温度控制/反馈模块4、TDLAS驱动模块3分别与数据采集模块1相连接；数据采集模块1与数据处理模块2相连接；数据处理模块2与TDLAS驱动模块3相连接；TDLAS驱动模块3与激光器6相连接。

探测器5接收激光器6发射的激光，并将激光转化为电信号，传输给数据采集模块1。探测器5优选为光电二极管。

TDLAS驱动模块3是针对TDLAS技术开发的核心驱动电路，它把TDLAS技术所需要的激光器电流驱动功能、一次谐波信号发生功能、锁相放大功能、二次谐波的信号解调功能以及前置放大功能集成在了一起，使整个TDLAS技术的驱动只需要一块小板子，体积小巧，从而实现小型化设计。TDLAS驱动模块3运行时，同时产生激光器6所需要的电流DC信号和分析解调用的一次谐波的加载信号，通过锁相放大，使这两个信号同步输入输出，给到激光器6。激光器6收到加载好的信号后，会以最稳定的状态工作，被测气体吸收激光器6的光谱后会使加载的信号产生变化，TDLAS驱动模块3通过对探测器5端的信号进行二次谐波解调，从而得出信号的变化。TDLAS驱动模块3把所有信号给到数据采集模块1进行数字化转换，从而分析浓度值。

温度控制/反馈模块4是决定激光器6稳定工作的最重要的电路之一，它能够实现万分之九度的温度精度，从而使激光器6发出的光的中心波长几乎没有任何变化，不会出现任何的振动。温度控制/反馈模块4与数据采集模块1连接，实时向数据采集模块1反馈激光器6的温度，并在labview软件上显示，从而让客户能够清晰的知道激光器6的当前温度，以便决定下一步的操作。

TDLAS驱动模块3将叠加了一次谐波信号的电流信号给到激光器6，使激光器6在特定状态下工作，发出特定波长的激光，照射到探测器5上，探测器5将光信号转化为微弱的电信号，经由前置放大电路放大成理想强度的电信号，传输给TDLAS驱动模块3，TDLAS驱动模块3对该信号进行二次谐波解调，并将解调后的模拟信号输入给到数据采集模块1，数据采集模块1将模拟信号转换为数字信号，经由labview软件读取，显示在可视屏幕上，使用者可根据直观的信号信息，通过数据处理模块2对TDLAS驱动模块3进行进一步的调节。

数据采集模块1用于接收的TDLAS驱动模块3、探测器5、温度控制/反馈模块4传输的模拟信号，并将模拟信号转化为数字信号从而进行存储。

数据采集模块1除了对信号进行数字化转换和存储之外，还是labview软件的搭建平台，可编辑labview软件，从而实现与PC电脑端的协议通信，将所有信号进行处理，最终图像化显示，从而让实验结果实时显示。数据采集模块1可以与TDLAS驱动模块3进行通信协议，从而通过labview软件可以对TDLAS驱动模块3进行控制。

如图2所示，TDLAS驱动模块3包含数据传输单元31、前置放大单元32、二次谐波信号解调单元33、激光器DC驱动单元34、一次谐波信号产生单元35、锁相放大单元36。

探测器5依次通过前置放大单元32、二次谐波信号解调单元33、数据传输单元31与数据采集模块1相连接。数据处理模块2通过数据传输单元31分别与激光器DC驱动单元34、一次谐波信号产生单元35相连接。锁相放大单元36与激光器6相连接。

温度控制/反馈模块4获取激光器6的温度；并判断激光器6的温度是否与预设值一致；若为是，对激光器6的温度进行校准，使得激光器6的温度与预设值保持一致。数据处理模块2通过数据传输单元31分别控制一次谐波信号产生单元35输出一次谐波信号、激光器DC驱动单元34输出DC驱动信号。锁相放大单元36将一次谐波信号产生单元35输出的一次谐波信号加载至激光器DC驱动单元34输出的DC驱动信号上，并对加载后的DC驱动信号进行放大，然后驱动激光器6发射激光。探测器5接收激光器6发射的激光，并将激光转化为电信号，传输给前置放大单元32。前置放大单元32对采集的激光信号进行放大后，传输给二次谐波信号解调单元33。二次谐波信号解调单元33对电信号进行解调，获取解调的二次谐波信号。并且，数据传输单元31分别接收二次谐波信号解调单元33解调的二次谐波信号、激光器DC驱动单元34输出的DC驱动信号、一次谐波信号产生单元35输出的一次谐波信号，然后将接收的各信号经过数据采集模块1传输给数据处理模块2。数据处理模块2根据数据采集模块1的发送的信号产生光谱图。

如图3所示，前置放大单元32为前置负反馈电路，将信号进行放大，以提高检测精度。前置放大单元32包括电阻R7、R8、R9、R10、运算放大器U1、U2、电容C27、可调电阻WR1。

电阻R7与运算放大器U1的正相输入端相连接；运算放大器U1的正相输入端并且经过电阻R8接地。

运算放大器U1的输出端经过电阻R10与运算放大器U2的正相输入端相连接；运算放大器U1的输出端并且经过可调电阻WR1连接到运算放大器U1的反相输入端。

运算放大器U1的反相输入端并且经过电阻R9接地。

运算放大器U2的正相输入端并且经过电容C27接地；运算放大器U2的输出端与二次谐波解调单元33的输入端相连接；并且运算放大器U2的输出端与运算放大器U2的反相输入端相连接。

如图4所示，二次谐波解调单元33为带通滤波电路，产生所需的二次谐波信号。二次谐波解调单元33包括低通滤波器U6、U7、U8、U9、运算放大器U3、U5、U10、单刀双掷开关U4、电阻R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、电容C29、C30、C34、C36、C37、C38、C41、C43、C44、C45。

运算放大器U2的输出端与低通滤波器U6、U7、U8、U9、运算放大器U3、单刀双掷开关U4、运算放大器U5、U10逐级连接并输出；运算放大器U2的输出端并且经过运算放大器U11输出。其它旁路元件的连接如图4所示。

该激光器6控制系统还包括稳压转换电源、多功能串口、5V电源备用端口、原始DC信号预留检测端口、一次谐波调制信号预留检测端口、保险丝组、电流驱动开关、温度调节旋钮、前置增益调节旋钮、二次谐波增益调节旋钮、二次谐波相位调节旋钮。

稳压转换电源用于保证整个电路安全与稳定的至关重要的器件，它将220V交流电压，转换成稳定的12V直流电压，从而使整个系统的电路都工作在12V低电压下，远远低于人体的安全电压。

多功能串口是为专业的使用者提供的一个可OEM拓展的预留串口，该串口预留了多类型压力传感器的接入、多类型温度传感器的接入等，从而使专业的使用者可以根据自己的实验需求来拓展使用。

5V电源备用端口为前置放大单元32供电，前置放大单元32可以放大探测器5的输出信号，从而能够使检测现象更明显。如果使用者使用外接的前置放大单元32，那么就不再需要配备其他的电源，可以直接使用TDLAS控制器所预留的电源端口，这样不仅帮助使用者节省实验成本，还可以使整个实验系统更小型化。

原始DC信号预留检测端口的信号可以通过示波器读取，所给出的信号是TDLAS驱动模块3生成的未叠加一次谐波的初始电流驱动信号。专业的使用者可以通过示波器检阅初始信号，从而可以分析出设定的参数是否适合实验的进行，以便及时修正设定参数。

原始一次谐波信号预留检测端口的信号可以通过示波器读取，所给出的信号是TDLAS驱动模块3生成的原始的一次谐波调制信号。专业的使用者可以通过示波器检阅初始信号，从而可以分析出设定的参数是否适合实验的进行，以便及时修正设定参数。

保险丝组是专门用来预防TDLAS控制器运行在地线导通不好的实验室时,所造成的损坏。地线是防止精密仪器静电损坏最重要的线路之一，当实验室地线导通不好时，保险丝组会主动烧坏，以避免TDLAS控制器受到静电损坏。

电流驱动开关是独立开关，激光器6的芯片非常脆弱，芯片必须工作在稳定温度下，所以我们需要一个独立的电流驱动开关，在软件显示温度已经稳定时，再单独提供激光器6的电流，以确保激光器6芯片不会损坏。

温度调节旋钮可以在硬件上对激光器6内部TEC的温度进行调节，只有当激光器6温度稳定时，激光器6才可以正常运行。

前置增益调节旋钮可以放大探测器5输出的原始信号，一般探测器5输出的原始信号都是非常微弱的，如果不进行放大处理，很难甄别噪声信号和吸收信号。

二次谐波增益调节旋钮可以调节二次谐波信号的强弱，这在光谱吸收现象不太明显的时候尤为有用，可以极大的提高信号的精度。

二次谐波相位调节旋钮使专业的使用者获得观测信号的多个角度，专业的使用者可以通过旋钮的调节，观测二次谐波信号不同相位下的测量状态，从而多角度进行对浓度计算结果进行佐证。

实施例2：

如图5所示，一种基于TDLAS的激光控制方法，包括以下步骤：