一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法与流程

本发明涉及电气元件，具体涉及一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法。

背景技术：

1、大部分的分子气体在中红外波段具有指纹特征吸收光谱。通过可调谐半导体激光吸收光谱法，采用波长调制光谱技术，使激光器的输出中心波长对准待测气体的吸收峰，通过检测待测气体对激光的吸收程度，即可实现气体浓度的非接触快速无损检测。

2、由于待测气体吸收谱线一般非常窄，在吸收峰附近的吸收系数差异非常大，因此激光器输出波长的微小变化会对气体浓度的检测结果产生巨大的影响。引起激光器输出波长变化的因素除了驱动电流之外，还有激光器的工作温度。环境温度、空气流动以及激光器自身工作时产生的温升等一方面会导致激光器工作温度发生波动，另一方面会造成驱动电流发生微弱变化，从而引起激光器输出波长产生波动。因此，为了提高气体的测量精度，需要对激光器的温度进行精确的控制。

3、在实际工程应用中，往往采用模拟pid来实现激光器温度的自动控制。而模拟pid的比例、积分和微分参数由电阻、电容来确定，存在参数调整不便等缺点，因此pid参数常常采用经验值。在检测多种气体时需要使用不同的激光器，各种激光器工作在不同的功率和不同的温度，pid经验值往往不能满足测量要求，存在温度稳定性和抗干扰能力差等问题，给检测结果带来额外的误差。

技术实现思路

1、本发明是为了解决同一种控制策略应用于不同激光器时，可能造成激光器温度控制响应速度变慢、超调变大的问题，提供一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，提高了激光器温度的稳定性，增强了抗干扰能力，提高了气体的测量精度。

2、本发明提供一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，包括以下步骤：

3、s1、将tec控制器与tec、数字温度控制器、模拟pid控制器连接，将数字温度控制器和模拟pid控制器均与与ntc连接，tec和ntc均连接在激光器上；

4、ntc实时向tec控制器和模拟pid控制器反馈激光器温度，tec控制器根据温控信号控制tec两端电压和流经tec的电流方向及大小以进行tec的制冷控制、制热控制和功率控制，数字温度控制器向tec控制器输出数字温控信号，模拟pid控制器通过vset的电压值设定激光器温度预期值，再经过pid补偿网络后输出模拟温控信号至tec控制器的ctli引脚；

5、s2、通过仿真和实验确定数字温度控制器控温速度、超调量、抗干扰均衡的最优比例参数、最优积分参数和最优微分参数；

6、s3、改变模拟pid控制器的电阻值和电容值以将模拟pid控制器的比例参数、积分参数、微分参数调整至最优比例参数、最优积分参数和最优微分参数，将数字温度控制器的最优控温效果移植到模拟pid控制器上；

7、s4、tec控制器基于模拟温控信号进行激光器的自动温度控制。

8、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，数字温度控制器包括fpga和与fpga分别相连的d/a转换器、a/d转换器；

9、d/a转换器的输出端与tec控制器的ctli引脚相连，输出数字温控信号；

10、a/d转换器的输入端依次连接运算放大器和ntc，对ntc进行采样并输出至fpga。

11、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，当ctli引脚电压大于1.5v时，tec控制器输出正电流，tec制冷；ctli引脚电压小于1.5v时，tec控制器输出负电流，tec发热；

12、tec控制器输出电流的大小与ctli引脚电压和1.5v的压差成正比。

13、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，数字温度控制器基于mcu，通过模糊控制、神经网络控制、pid控制、模拟pid算法和神经网络pid算法进行激光器的温度控制。

14、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，ntc与电阻r1串联后连接至基准源，ntc在25℃时的阻值r0和电阻r1相同，通过r-t曲线得到阻值r0与温度的计算关系。

15、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，r0和r1均为10kω，电阻r1精度为0.1%，ntc的b值为3930。

16、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，pid补偿网络包括与tec控制器ctl1端口均相连的运算放大器u1、电容c1、电容c2，与电容c1另一端依次相连的电阻r2、电容c3、电阻r3，与电容c3、电阻r3并联的电阻r4，与电阻r4、电阻r3均相连的电阻r5、运算放大器u2和与运算放大器u2负输入端依次相连的电阻r6、运算放大器u3；

17、运算放大器u1的正输入端连接参考电压vref，负输入端分别连接电容c2、电阻r2、电容c3和电阻r4，输出端连接ctl1端口；

18、运算放大器u2的正输入端连接在电阻r1与ntc之间，负输入端与电阻r5、电阻r6均相连，输出端与电阻r3、电阻r4、电阻r5均相连；

19、运算放大器u3的正输入端为vset，负输入端连接在输出端与电阻r6之间。

20、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，pid补偿网络中包括可变阻值电阻和可变容值电容。

21、本发明所述的一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，作为优选方式，激光器为分布反馈式激光器。

22、本发明涉及光学传感技术中的波长调制光谱。

23、本发明提供一种分布反馈式激光器的自动温度控制方法，包括tec、ntc、tec控制器、模拟pid控制器和数字温度控制器。tec利用了半导体材料的帕尔帖效应，当电流通过时，tec一端吸热，一端放热，用于激光器温度的精确控制； ntc的电阻阻值随温度的变化而变化，通过r-t曲线可以实时计算并监测激光器当前的温度；tec控制器通过控制tec两端电压和流经tec的电流方向及大小来实现tec的制冷、制热和功率控制；模拟pid控制器是温控系统的关键控制网络，基于硬件电路实现温度的连续控制；数字控制器基于mcu，通过模拟控制、神经网络控制和pid控制等算法实现激光器的温度控制。

24、本发明针对模拟pid控制参数调整不便、灵活性差的缺点，将模拟pid和数字pid控制相结合，利用数字pid算法的灵活性找出适合的比例、积分、微分参数，再应用到模拟pid中，同时具有高实时性、高可靠性和强适应性等优点。

25、本发明具有以下优点：

26、（1）本发明采用模拟pid的温度控制方法，具有高实时性、高可靠性和抗干扰能力强等优点。

27、（2）本发明采用数字温度控制算法，不限于模拟控制、神经网络控制和pid控制等，具有参数可调、算法灵活和适应性强等优点。

28、（3）本发明针对模拟pid控制参数调整不便、灵活性差的缺点，将模拟pid和数字pid控制相结合，利用数字pid算法的灵活性找出适合的pid参数，再移植到模拟pid中，同时具有高实时性、高可靠性和适应性强等优点。