设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及吸收光谱测量技术领域，尤其涉及一种设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置。
【背景技术】
[0002]可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)，利用半导体激光器的波长可调谐和窄线宽特性，通过精确控制其注入电流和工作温度调谐出光波长，获得高分辨气体特征吸收光谱，从而反演出气体浓度、温度等参数，具有结构紧凑、非侵入式、快速响应和现场实时测量等优点，在环境监测、节能减排、火灾早期预警、生态环境监测、工业过程检测控制等方面具有良好的应用前景。
[0003]用于反演气体参数的吸收光谱和激光器出光波长有直接关系，在测量时，需要精确保持激光器工作温度获得稳定的出光波长，提高测量准确度。但在实际工作中，随着环境温度的变化，可调谐半导体激光器存在波长漂移现象，其中一个主要原因是激光器控制电路中各个元器件的温漂积累效应，导致激光器的设置温度、注入电流、温度PID控制环路参数改变等，从而引起最终输出波长变化。
[0004]目前已有的激光器温控技术中，单纯依靠PID控制环路实现温度控制，适用的温度范围普遍较窄(如10°c ~40°C)，大多没有考虑到较大环境温度变化(如0°C ~60°C)时的温控精度问题，限制了该技术的应用场合；而已有的部分激光器锁频方案多采用闭环锁定技术，采集到吸收光谱后，通过软件判断激光器波长漂移量和补偿量，需要处理器介入和较复杂的光谱算法处理，时间复杂度较高，影响了实时性，不适用于快速处理场合。
【发明内容】
[0005]本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种紧凑的设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置。解决当前激光器温控方案中未考虑环境温度大范围变化时的激光器波长漂移问题和软件控制闭环锁频方案中的耗时问题。
[0006]本实用新型是通过以下技术方案实现的:一种设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，包括激光器、用于对激光器温度进行控制的内部集成有PID控制环路的激光器温控模块、与激光器温控模块信号输入端相连接的数/模转换器以及与数/模转换器信号输入端相连接的主控芯片；还包括一个用于采集激光器所在环境温度的温度传感器；温度传感器的信号输出端通过信号调理电路连接有模/数转换器，模/数转换器的信号输出端与主控芯片的信号输入端相连接。
[0007]所述激光器温控模块实现对激光器工作温度的精确控制，根据输入信号幅值将激光器控制到对应温度，其内部集成PID控制环路，环路参数通过外围电路调整以适应不同的热负载状况；温度传感器及其信号调理电路实现对环境温度的转换、调理，得到和环境温度值对应的电信号量；模/数转换器(ADC)实现对温度对应模拟电信号的转换采集；主控芯片完成对温度值的计算和对外围模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)的控制；高精度的数/模转换器(DAC)实现生成激光器设置温度信号，输入到激光器温控模块。装置结构如图1。
[0008]进一步的，激光器、激光器温控模块、数/模转换器、主控芯片、模/数转换器、信号调理电路以及温度传感器均设置在同一个电路板上。
[0009]装置中各部分集成设计在一块电路板上。将温度传感器安装在电路板上距离发热器件较远的位置，反映真实的环境温度。通过温度传感器及其信号调理电路得到和温度对应的电信号量后，使用高精度ADC采集并将数字信号发送给主控芯片，主控芯片根据接收到的数据，通过温度传感器的特性曲线，反算出当前环境温度，再根据该环境温度，确定是否需要补偿激光器的设置温度。
[0010]补偿的依据需事先通过高低温实验得出:将装置放置在高低温试验箱中，通过连续改变试验箱中的温度，得到激光器波长漂移」和环境温度?的对应曲线λ (t)=at+b，如图2。主控芯片根据该曲线，在现有的比较程序支持下，通过简单的比较和数学运算，确定在不同温度下是否需要进行数字温度补偿和需要的补偿量，通过重新设置DAC来实现对激光器波长的稳定控制。
[0011]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:本发明考虑了环境温度大范围变化时激光器温控路径上各个器件的温漂积累效应，通过数字温度补偿装置，在不同温度下实时补偿激光器的工作温度，解决了大部分激光器温控模块适用温度范围窄的问题；通过试验事先获取激光器波长漂移和环境温度变化曲线，主控芯片读取到环境温度后，通过简单的数学运算即可确定补偿量，相比已有的闭环锁频方案，耗时更少，适用于响应速度高的实时处理场合。
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的结构示意图。
[0013]图2为本实用新型中的数字温度补偿曲线。
[0014]图3为本实用新型实现的补偿效果图。
[0015]1-激光器，2-激光器温控模块，3-数/模转换器，4-主控芯片，5-模/数转换器，
6-信号调理电路，7-温度传感器。
【具体实施方式】
[0016]一种设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，包括激光器1、用于对激光器温度进行控制的内部集成有PID控制环路激光器温控模块2、与激光器温控模块2信号输入端相连接的数/模转换器3以及与数/模转换器3信号输入端相连接的主控芯片4 ;还包括一个用于采集激光器I所在环境温度的温度传感器7 ;温度传感器7的信号输出端通过信号调理电路6连接有模/数转换器5，模/数转换器5的信号输出端与主控芯片4的信号输入端相连接。
[0017]如图1所示，将整个装置设计在一块电路板上。温度传感器7选用AD590，测温范围-55°C _150°C，非线性误差0.3°C，满足测温精度要求。信号调理电路6使用高输入阻抗的仪用运放AD627，完成对其弱电流信号的1-V转换，该信号调理电路6经过温度标定后，即可真实反映环境温度。
[0018]模/数转换器ADC选用ADS1113，分辨率16位，采样频率860sps，，小封装，低功耗，内部集成电压参考，和主控芯片4之间通过I2C接口传输数据；数/模转换器DAC选用DAC8830，分辨率16位，转换速率lMsps，和主控芯片4间采用SPI协议传输数据，电压输出，可直接输出到激光器温控模块2，用于控制激光器温度。
[0019]主控芯片选用ARM Cotex-M4内核的STM32F407处理器，168MHz时钟频率，192KBSRAM,片上集成丰富的通讯接口，方便与各外围器件进行数据传输。其自带的程序可以将温度补偿曲线固化到程序存储器中，用于随时调取，完成一次温度补偿操作耗时约为0.5ms，响应速度满足大多数实时处理场合。
[0020]为保证在不同温度下的DFB激光器出光稳定性，激光器温控模块要求高的精确度，温漂为100ppm/°C ;激光器温控模块最大输出2.5A，温度稳定性为0.01°C。激光器为商用蝶形封装DFB激光器，底部加热沉保证良好散热。
[0021]使用前将装置先放置在高低温箱中，首先确定激光器设置温度不变，改变箱内温度0°C~60°C，记录每个温度?下的激光器输出波长漂移』，绘制出如图2所示曲线，将该曲线做最小二乘拟合，按照一次关系得出Λ (t)=at+b。根据该函数关系，确定需要补偿的温度间隔(如每变化5°C补偿一次)和补偿量，实现在整个温度变化范围内的阶梯式温度补偿。补偿后的激光器波长漂移如图3，0°C ~60°C变化时，从补偿前的65pm降低到补偿后的约10pm，在较低的系统硬件开销下，实现了较高的温波长稳定控制。
【主权项】
1.一种设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，包括激光器(I)、用于对激光器(I)温度进行控制的内部集成有PID控制环路的激光器温控模块(2 )、与激光器温控模块(2)信号输入端相连接的数/模转换器(3)以及与数/模转换器(3)信号输入端相连接的主控芯片(4);其特征在于，还包括一个用于采集激光器(I)所在环境温度的温度传感器(7);温度传感器(7)的信号输出端通过信号调理电路(6)连接有模/数转换器(5)，模/数转换器(5)的信号输出端与主控芯片(4)的信号输入端相连接。
2.如权利要求1所述的设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，其特征在于，激光器(1)、激光器温控模块(2)、数/模转换器(3)、主控芯片(4)、模/数转换器(5)、信号调理电路(6)以及温度传感器(7)均设置在同一个电路板上。
3.如权利要求1或2所述的设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，其特征在于，数/模转换器(3)选用DAC8830，模/数转换器(5)选用ADS1113，信号调理电路(6)使用高输入阻抗的仪用运放AD627，温度传感器(7)选用AD590。
【专利摘要】一种设有数字温度补偿装置的可调谐半导体激光温控装置，包括有温度传感器及其信号调理电路，ADC，主控芯片，高精度DAC，激光器温控模块，激光器。其中激光器温控实现对激光器工作温度的精确控制；温度传感器及其信号调理电路实现对环境温度的转换、调理；ADC实现对温度对应模拟电信号的转换采集；主控芯片完成对温度值的计算和对外围ADC、DAC的控制；高精度DAC实现生成激光器设置温度信号，输入到激光器温控模块。装置根据试验得到的波长漂移Δ和环境温度t关系曲线Δ(t)，主控芯片通过实时采集当前环境温度，确定是否需要补偿和补偿量，在很少的耗时下实现大范围环境温度变化时的激光器出光波长稳定。
【IPC分类】H01S5-068
【公开号】CN204481323
【申请号】CN201520231560
【发明人】袁松
【申请人】山西中科华仪科技有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月17日