一种带比例-积分校正单元的激光器温度控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种带比例

【技术实现步骤摘要】
一种带比例
‑
积分校正单元的激光器温度控制装置及方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，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
。

技术介绍

[0002]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

[0003]本专利技术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
。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]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；
[0006]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
V
ref
；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
V
ref
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
。
[0007]本专利技术还提供一种带比例
‑
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：
[0008](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
R
θ
，忽略
TEC
经腔体底部
、
散热片与环境之间的热阻
R
θ
A
，
TEC
产生的实时热流为激光器腔体热容
C
y
，环境温度为
T
A
，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＝
R
θ
C
y
；
[0009][0010][0011](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
；
[0012](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
R
θ
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
V
ref
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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；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
V
ref
；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
V
ref
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
。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：
(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
R
θ
，忽略
TEC
经腔体底部
、
散热片与环境之间的热阻
R
θ
A
，
TEC
产生的实时热流为激光器腔体热容
C
y
，环境温度为
T
A
，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＝
R
θ
C
y
；；
(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
‑
...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：