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半导体激光器热电控制技术研究

作　者: 迟浩东
导　师: 丁雪梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 半导体激光器热电控制技术 模糊自适应PID算法 铂电阻 热电制冷器
分类号: TN248.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


半导体激光器是一种新型的激光光源。它具有体积小,结构简单、耗能低、寿命长和易调制等特点,已在国防军事、通信、医学,工业计量等领域中得到了广泛应用。但是,在工作过程中时刻伴随着热量的产生,半导体激光器温度的升高会造成输出波长、阈值电流及输出功率等的变化,严重影响其工作性能及使用寿命。本文针对此问题设计了一种基于DSP的高精度温度控制系统,保证了半导体激光器工作性能的稳定。本文所作的主要工作内容如下:设计了基于DSP的高精度的温度采集及控制系统。系统分为温度测量单元、微处理器单元和温度控制单元。测温单元以A级精度的Pt1000铂电阻为温度传感器,同时采用三线制电桥、多倍高精度运放、精密电阻实现了温度的高精度和高分辨率的检测。微处理其单元以高速处理器件DSP为核心,结合16位高精度A/D与D/A转换器件实现了温度信号的高精度采集及控制信号的高精度输出。温度控制单元由热电致冷器及专业控制芯片MAX1968组成,结合控制微处理器提供的控制电压信号,可根据环境温度对半导体激光二级管进行高效率双向温度控制。分析了半导体激光二极管控温系统的特点,设计了基于模糊自适应算法为基础的控制模型,在一般PID控制系统的基础上,加上一个模糊控制环节,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,不但具有模糊控制灵活而适应性强的优点,还具有PID控制精度高的优点。在上述控制系统和控制算法的基础上,设计了一个小型的恒温阱,对激光器的工作环境进行密封保温处理,并针对激光二级管进行了实验验证及数据分析。实验证明本文所设计的基于DSP的高精度半导体激光器热电控制系统,对激光二极管的温度控制具有良好的效果,精度可达到±0.1℃有效地抑制了温度漂移对激光器工作性能参数的影响,具有实际的应用价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题研究的目的和意义  9-10
  1.2 半导体激光器热电控制技术研究与应用现状  10-15
    1.2.1 热敏电阻阻值测量与线性化  11-13
    1.2.2 热电控制算法设计方法  13
    1.2.3 半导体热电控制器研究现状  13-15
  1.3 主要研究内容  15-17
第2章 热电控制系统原理及方案设计  17-24
  2.1 引言  17
  2.2 测控系统确定及原理  17-23
    2.2.1 常见的温度控制系统分析  17-18
    2.2.2 温度传感器的比较与选择  18-20
    2.2.3 热电制冷器的工作原理  20-22
    2.2.4 热电控制系统结构方案  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章 半导体激光器热电控制系统硬件设计  24-32
  3.1 引言  24
  3.2 基于DSP 的数据采集及控制电路  24-30
    3.2.1 DSP 数字控制器  24-25
    3.2.2 温度检测电路的实现与数据采集  25-28
    3.2.3 TEC 驱动单元  28-29
    3.2.4 系统状态输出  29-30
  3.3 温控结构设计  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章 半导体激光器热电控制系统控制算法  32-46
  4.1 引言  32
  4.2 PID 控制技术  32-34
    4.2.1 连续式PID 控制  32-33
    4.2.2 数字式PID 控制  33-34
    4.2.3 PID 参数初始值的设定  34
  4.3 模糊控制技术  34-37
    4.3.1 模糊控制系统结构  34-35
    4.3.2 模糊控制器结构  35-37
  4.4 模糊自适应PID 控制技术  37-41
    4.4.1 输入量模糊化  38-39
    4.4.2 模糊规则与模糊推理  39-41
    4.4.3 解模糊化输出  41
  4.5 仿真算法流程  41-42
  4.6 恒温阱数学模型的建立  42-45
  4.7 本章小结  45-46
第5章 实验及误差分析  46-58
  5.1 引言  46
  5.2 温度测量特性拟合  46-48
  5.3 温度控制实验  48-52
    5.3.1 半导体激光器温度干扰测试  49-50
    5.3.2 制冷器温度调节范围测试  50-52
  5.4 半导体激光器温度动态控制实验  52-56
    5.4.1 25℃PID 算法温度控制实验  52-54
    5.4.2 25℃模糊PID 算法温度控制实验  54-56
    5.4.3 优化算法实验效果分析  56
    5.4.4 多温度点温度控制实验  56
  5.5 本章小结  56-58
结论  58-59
参考文献  59-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器 > 半导体激光器
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