一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置及方法

本发明涉及光学测量，尤其是涉及一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置及方法。

背景技术：

1、激光器能产生高亮度、单色、并且方向性良好的光束使其成为光学测量中的理想光源，被应用广泛于光学测量领域。然而激光器受环境温度以及自身功耗的影响导致激光器内部温度变化对其工作性能产生影响。如激光器阈值电流随温度升高而增大、外微分量子效率随温度升高而减小，从而影响激光器输出功率；激光器振荡波长随温度升高而变大，即模式跳变；激光器谐振腔尺寸、输出横模受温度影响，从而影响远场光强分布等等，严重影响激光器的性能、稳定性和寿命，进而影响光学测量系统的测量精度和稳定性。因此，需要对激光器进行恒温控制。现有的激光器一般自带有tec(thermoelectric cooler)温控器，用于维持激光器工作温度的稳定性。它基于热电效应原理，通过控制热电模块中的电流来实现对激光器温度的调节和控制。然而激光器本身自带的tec温控属于一阶控制系统，温度控制精度差、且存在静态温度误差。因此，在激光器自带tec基础上引入比例-积分(proportional-integral,pi)校正环节，消除了静态误差，并实现了在对温度控制的动态特性无特殊要求下的激光器温度高精度控制。对提高光学测量系统的测量精度和稳定性具有重大实际工程意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置及方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置，包括比例-积分校正单元、tec控制器和激光器，所述tec控制器集成有放大器和pwm驱动器，所述激光器集成有tec和热敏电阻；

4、所述比例-积分校正单元包括电阻r1、电阻r2、电容c以及所述tec控制器中的放大器，电阻r1一端接在放大器的负输入端，另一端连接所述热敏电阻的反馈输出；电阻r2的一端与放大器的负输入端相连，另一端与电容c的一端串接，电容c的另一端与放大器的输出端连接；放大器的正输入端设置为设定温度所对应的参考电压vref；所述比例-积分校正单元依次与pwm驱动器、tec、热敏电阻通过导线连接；对激光器进行温度控制时，热敏电阻感受激光器温度变化并输出相应反馈电压至比例-积分校正单元，比例-积分校正单元根据上述反馈电压和设定温度所对应的参考电压vref输出一个控制电压至pwm驱动器，pwm驱动器根据控制电压大小来控制tec加热或制冷实现激光器的温度控制，降低激光器实时温度与设定温度的差异最小。

5、本发明还提供一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制方法，基于上述温度控制装置，包括：

6、(1)简化激光器的导热网络，并使用集中参数法建立传热模型；激光器腔体与环境之间的热阻为rθ，忽略tec经腔体底部、散热片与环境之间的热阻rθa，tec产生的实时热流为激光器腔体热容cy，环境温度为ta，激光器腔体内部实时温度为t0(t)，则传热时域模型和传热频域模型分别表示为式(1)、(2)，式中t表示时间，s表示频率响应，激光器本身温控属于一阶控制系统，其中时间常数τ1＝rθcy；

7、

8、

9、(2)为提高温度控制精度，消除静态误差，引入比例-积分校正单元，比例-积分校正单元的传递函数为式k1(τ2s+1)/s，式中k1＝1/(r1c)、τ2＝r2c；

10、(3)加入比例-积分校正单元的整个温度控制装置的开环传递函数为式(3)，属于二阶控制系统。其中，pwm驱动器控制tec，tec电流与热流关系视为线性，与rθ一起等效为比例系数k2，热敏电阻反馈温度信息，将温度转换成电压，比例系数为k3。接着对温度控制装置中涉及的所有参数进行设计调整，其中比例系数k2、k3、时间常数τ1通过实验法测试未加比例-积分校正单元的单位阶跃响应获得，即将能够产生单位阶跃信号的信号源接入未加比例-积分校正单元的温度控制装置输入端，利用示波器等数据采集设备观察并记录单位阶跃响应，由记录的单位阶跃响应即可获得k2、k3、τ1。然后根据设定温度及对应的参考电压vref来设计比例-积分校正单元参数。选择合适的电阻r1、电阻r2、电容c初始化比例-积分校正单元，得到一个较小的k1(1/r1c)、τ2(r2c)初始值。然后观察温度控制装置的单位阶跃响应，如果响应迅速但产生振荡，则增大r1逐步减小k1，如果温度控制装置响应较为缓慢，则可以减小r1逐步增大k1。直到找到一个能够快速响应并且不产生振荡的k1。同样观察温度控制装置的单位阶跃响应，如果温度控制装置在设定温度附近有较小的稳态误差，但会产生振荡或者超调，则需要减小r2逐步减小τ2。如果系统静态误差较大，则可以增加r2逐步增大τ2。目标是找到一个能够消除稳态误差，使得实际温度基本稳定在设定温度±0.005℃范围内，并尽量避免振荡的τ2；

11、

12、(4)温度控制装置参数调整到最优后，整个温度控制过程为：随着温度控制装置持续运行，热敏电阻会持续监测激光器的温度，并将实际温度值对应电压反馈给比例-积分校正单元，比例-积分校正单元会将实际温度值对应电压与vref进行比较，计算当前的温差电压信号，并根据该温差电压信号输出一个控制信号传递给tec控制器，根据控制信号，tec控制器会控制tec加热或冷却相应地调整激光器的温度。如果温度过低，tec会提供加热，反之亦然。直到激光器的温度稳定在设定值附近。

13、进一步的，加入了比例-积分校正单元后的温控装置中环境温度变化对激光器温度变化的影响小于0.005℃。

14、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

15、1.本发明提供的温度控制装置通过在激光器自带常用的tec(thermoelectriccooler)温控器中引入比例-积分校正单元，将原来的一阶控制系统升级为了二阶控制系统，比例项处理当前误差，积分项处理过去误差的积累。通过观察温度控制装置的响应不断调整这两个参数以确保激光器温度稳定在设定值附近，大大提高了激光器温度控制精度和稳定性。

16、2.本发明温度控制方法中涉及基于集中参数法建立传热模型的建模方法。简化激光器导热网络，通过激光器腔体与环境之间的热阻，tec经腔体底部、散热片与环境之间的热阻，tec产生的实时热流，激光器腔体热容，环境温度，激光器腔体内部实时温度等参数得到激光器的传热时域和频域模型，为一阶模型。

技术特征：

1.一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置，其特征在于，包括比例-积分校正单元、tec控制器和激光器，所述tec控制器集成有放大器和pwm驱动器，所述激光器集成有tec和热敏电阻；

2.一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制方法，基于权利要求1所述带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制方法，其特征在于，设置比例-积分校正单元参数过程如下：选择电阻r1、电阻r2、电容c初始化比例-积分校正单元，得到一个k1(1/r1c)、τ2(r2c)初始值；然后观察温度控制装置的实际温度和设定温度的差异，通过改变r1、r2来改变k1、τ2，目标是找到使得实际温度基本稳定在设定温度±0.005℃范围内的k1、τ2的值。

4.根据权利要求2所述一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制方法，其特征在于，加入了比例-积分校正单元后的温控装置中环境温度变化对激光器温度变化的影响小于0.005℃。

技术总结
本发明公开一种带比例‑积分校正单元的激光器温度控制装置及方法，装置包括比例‑积分校正单元、TEC控制器和激光器，激光器温度控制系统TEC控制器集成有放大器和PWM驱动器，激光器温度控制系统激光器集成有TEC和热敏电阻；比例‑积分校正单元包括电阻R<subgt;1</subgt;、电阻R<subgt;2</subgt;、电容C以及激光器温度控制系统TEC控制器中的放大器，电阻R<subgt;1</subgt;一端接在放大器的负输入端，另一端连接激光器温度控制系统热敏电阻的反馈输出；电阻R<subgt;2</subgt;的一端与放大器的负输入端相连，另一端与电容C的一端串接，电容C的另一端与放大器的输出端连接；放大器的正输入端设置为设定温度所对应的参考电压V<subgt;ref</subgt;；激光器温度控制系统比例‑积分校正单元依次与PWM驱动器、TEC、热敏电阻通过导线连接。

技术研发人员：李发富,段发阶,傅骁,刘文正,刘昊,曹荠蓬,王新星
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15