用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置的制造方法
用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温控技术领域，特别涉及一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测 的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为 "最快的刀" "最准的尺" "最亮的光"和"奇异的激光"。它的原理早在1916年已被著名的物理 学家爱因斯坦发现，但直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实 践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不 仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生 产力的发展。
[0003] 激光器按工作物质分为固体激光器，气体激光器，液体激光器，半导体激光器。随 着激光技术和光电子技术的发展，光纤通信在通信领域中的地位越来越重要.在光纤通信 中，一种关键技术是控制半导体激光器的工作。半导体激光器又称为半导体激光二极管，或 简称激光二极管，英文缩写为UKLaser Diode)，半导体激光器是一种温度敏感器件，微小 的温度变化能使激光器输出波长产生明显的变化。而光纤通信系统要求半导体激光器工作 在恒定的固定波长状态，但如何使得半导体激光器工作在恒定的固定波长状态，是本发明 继续解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，解决了或 部分解决了现有技术中的上述技术问题。
[0005] 依据本发明的一个方面，提供了一种用于激光器的温控系统，包括:温度测量电 路，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压 信号；其中，所述温度测量电路至少包括温度传感器;放大电路，所述放大电路与所述温度 测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大;温度补偿控制电路，所述温度补偿控制电 路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所 述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定;制冷器驱动电路，所述制冷 器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激 光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度恒定。
[0006] 可选的，所述温度传感器是采用具有负温度系数的热敏电阻；且所述温度测量电 路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路来检测所述热敏电阻的阻值变化。
[0007] 可选的，所述制冷器驱动电路包括铜连接器和半导体制冷器;其中，所述铜连接器 将所述半导体激光器和所述半导体制冷器连接在一起，且所述热敏电阻置于所述铜连接器 中。
[0008] 依据本发明的又一方面，提供了一种用于高敏检测的方法，包括:检测半导体激光 器工作过程中的温度信号；将所述温度信号转换成电压信号;将所述电压信号与预先设定 的基准温度作比较得出差值信号;通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其 输出信号趋于稳定；依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制 热，以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0009] 可选的:通过内部集成的负温度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的 温度信号。
[0010]可选的:通过惠斯通电桥电路将所述温度信号转换成电压信号。
[0011]可选的：将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对 所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
[0012] 可选的:所述放大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。
[0013] 最后，本发明还提供了一种用于高敏检测的装置，包括:检测模块，用于检测半导 体激光器工作过程中的温度信号;信号转换模块，用于将所述温度信号转换成电压信号；比 较模块，用于将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号;稳定控制模块， 用于通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定;恒温控制 模块，用于依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证 所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0014] 可选的，还包括:放大模块，用于将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通 过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
[0015] 有益效果：
[0016] 本发明提供的用于激光器的温控系统，通过将温度测量电路用于检测半导体激光 器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压信号;将放大电路与所述 温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大;将温度补偿控制电路与所述放大电 路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并 使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定;将制冷器驱动电路分别与所述半导体激光 器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体 激光器的工作环境温度恒定，具有结构简单、实用性广的特点。
【附图说明】
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的用于激光器的温控系统结构框图；
[0019] 图2为本发明实施例提供的用于高敏检测的方法流程示意图；
[0020] 图3为本发明实施例提供的用于高敏检测的装置结构框图；
[0021] 图4为本发明实施例提供的电路示意图一；
[0022] 图5为本发明实施例提供的电路示意图二；
[0023] 图6为本发明实施例提供的电路示意图三；
[0024] 图7为本发明实施例提供的电路示意图四；
[0025] 图8为本发明实施例提供的电路示意图五；
[0026] 图9为本发明实施例提供的制冷器驱动电路中的硬件分布结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围；其中本实施中所涉及的"和/或"关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施 例所提及的A和/或B，表示了 A和B、A或B两种情况，描述了 A与B所存在的三种状态，如A和/或 B，表示：只包括A不包括B;只包括B不包括A;包括A与B。
[0028] 同时，本发明实施例中，当组件被称为"固定于"另一个组件，它可以直接在另一个 组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是"连接"另一个组件，它可以是直接 连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是"设置于"另一个组 件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使 用的术语"垂直的"、"水平的"、"左"、"右"以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在 限制本发明。
[0029] 请参阅图1，本发明的一个实施例提供了一种用于激光器的温控系统，包括:温度 测量电路11 〇，放大电路120，温度补偿控制电路130和制冷器驱动电路140。
[0030] 其中，温度测量电路110用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用 于表征所述温度信号的电压信号。其中，所述温度测量110电路至少包括温度传感器;所述 放大电路120与所述温度测量电路110连接，以接收所述电压信号并进行放大;所述温度补 偿控制电路130与所述放大电路120连接，使由所述温度补偿控制电路110接收经所述放大 电路12 0放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路130输出的信号趋于稳 定;所述制冷器驱动电路140分别与所述半导体激光器150和所述温度补偿控制电路130连 接，以控制所述半导体激光器150制冷或制热，使得所述半导体激光器的150工作环境温度 恒定。
[0031] 具体来说，对于温度测量电路110而言，温度测量110电路至少包括温度传感器。而 在温度传感器中，热敏电阻的温度敏感性最高，常用在高精度温控中。请如图4所示是电阻 电桥电路，它可用来测量电阻的微小变化。由连成四边形的四个电阻组成，其中一个对角接 激励电压源V b，而另一个对角则接电压检测器，电压检测器测量两个分压电阻中点间的电 压V。在电桥应用中，常常存在多个可变器件作为传感器，下表示出了一个到四个可变器件 的
[0032]
电桥电路。表中线性误差0.5%/%表示变化元件的变化率为△ R/R时，电桥的非线性为 0.5 AR/R，这种非线性不是变化元件引起的，而是电桥自身引起的。通常情况下，变化元件 也有非线性，总的非线性是两种非线性的叠加。
[0033] 在本发明实施例中，由于在设计电路中，热敏电阻变化是非常微弱的，必须用专门 的电路来测量这种微弱的变化。因此，请参阅图5,本发明实施例选用惠斯通电桥电路来检 测热敏电阻阻值变化，使电阻值的线性变化转化为电压差的线性变化。作为优选，本发明实 施例提供的惠斯通电桥电路由高精密电阻R5、R6、R7和热敏电阻Rth，电位器Rset连成四边 形，称为电桥的四个臂。四边形的一个对角线输出，称为"桥"；四边形的另一对角线接上电 源，称为电桥的"电源对角线"。通过设定Rset的阻值大小来设定系统的工作温度。当热敏电 阻检测温度和设定温度大小相等时，AV = 0;当系统温度改变时，使得电桥平衡被打破，输 出AV矣0。电路将这种不平衡输入到后面的电路中进行温度调控。需要说明的是，在本发明 实施例中，惠斯通电桥电路设计，发挥了电桥比较差值的特点，通过差值比较的方法，一定 程度上提高了热敏电阻测量精度。其中电桥使用高精度电阻，可达到最大精度的技术效果。
[0034] 正如上述所述，作为优选，本发明实施例中所述温度传感器是采用具有负温度系 数的热敏电阻；且所述温度测量电路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路 来检测所述热敏电阻的阻值变化。需要说明的是，采用具有负温度系数的热敏电阻的温度 传感器也仅是本发明实施例中的一种实施方式，并非局限。
[0035]进一步地，对于放大电路120而言，请参阅图6所示的传统的简单运放电路。此电路 形式简单，能够实现单电源工作，但性能不佳。运放的输入偏置电流和反馈电阻Rp导致电桥 不对称，漂移大同时必须仔细地选择反馈电阻以满足运放的共模抑制比，而且输出是非线 性的，同时请参阅图7。在本发明实施例中，放大电路120是由0P07D构成的运放差分放大电 路，由于差分放大电路，具有求差的功能，在数学领域即可作为比较模块。在比较模块中，电 路的作用是差分放大，可以将电桥产生的微弱电压差值表征出来，实现高精度温度测量，有 了高精度的温度监测，即可为高精度温度控制打基础。
[0036] 进一步地，对于温度补偿控制电路130而言，请参阅图8所示的PID调节器示意图， 具体而言，PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例 (P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。PID调节器的微分
.，式中e(t)=r(t)-c(t);PID调节器的传输函数
在本发明实施例中，PID调节器各校正环节的作用：比例 环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作 用以减小偏差。积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节:能反应偏差信号的变化趋 势(变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信 号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
[0037] 在本发明实施例中的温度补偿控制电路130,通过比例环节Ρ，即时成比例地反应 控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。通过积分 环节I主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。通过微分环节，反应偏差信号的变化趋势(变化速率），并 能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统 的动作速度，减小调节时间。最终进过PID调节电路，使输出信号趋于稳定。
[0038] 进一步地，对于制冷器驱动电路140而言，请参阅图9所示的制冷器驱动电路140中 硬件分布示意图。其中，制冷器驱动电路140至少包括铜连接器160和半导体制冷器170。所 述铜连接器160将所述半导体激光器150和所述半导体制冷器170连接在一起，且所述热敏 电阻置于所述铜连接器160中。本发明实施例中的半导体制冷器170是用两种不同半导体材 料(Ρ型和Ν型）组成ΡΝ结，当ΡΝ结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越 ΡΝ结移动过程中的热效应（即帕尔帖效应），就会使ΡΝ结表现出制冷或制热的效果，改变电 流方向即可实现TEC的制冷或制热，调节电流大小即可控制制冷量输出。为此本发明实施例 在电路中还设计了一个线性驱动电路，以满足半导体制冷器170的正常工作。由于温度控制 电路要求驱动TEC的电流是双向的，因此本发明实施例选择应用TEC的开关式功率驱动电。 且作为温度调节部分，TEC必须与被控对象半导体激光器结合，这样才能实现温度的调制。 需要特别说明的是，在本发明实施例中，通过铜连接器160将所述半导体激光器150和所述 半导体制冷器170连接在一起，铜具有良好的导热性。热敏电阻置于铜连接器160中，这样能 更好更均匀的检测整系统的温度。
[0039] 在本发明实施例中，作为优选，在各部件连接处用导热硅胶将空隙填满.各端面均 匀涂导热硅胶，并保证端面接触面平整.由于TEC需要的电流很大，所以R取一个较低阻值的 大功率电阻，且要远离温度器件和传感器以避免其自身发热影响系统工作。
[0040] 请继续如图2所示，本发明的又一实施例提供了一种用于高敏检测的方法，具体包 括如下步骤：
[0041] 步骤201，检测半导体激光器工作过程中的温度信号；其中，通过内部集成的负温 度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的温度信号。
[0042]步骤202,将所述温度信号转换成电压信号；其中，通过惠斯通电桥电路将所述温 度信号转换成电压信号。
[0043]步骤203,将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号；
[0044]步骤204,通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳 定；
[0045]步骤205,依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热， 以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0046]在步骤204之前，本发明的又一实施例先将所述差值信号通过放大电路进行放大 后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。且所述放 大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。
[0047] 具体而言，激光的波长与温度有关，随着温度的升高，半导体激光器150的发射波 长以阶跃形式跳跃变化，每一步内的变化，是由谐振腔内模式的变化引起的，跳跃是由增益 曲线移动的纵模之间的跳变引起的。准确的检测被控对象的温度是实现高精确度温度控制 的前提，因此也是硬件设计的关键一步。在本发明的又一实施例中，通过内部集成的负温度 系数的热敏电阻把温度变化的信号快速转换为电信号，然后与预先设定的基准温度作比较 得到差值。在这里本发明的又一实施例用到了惠斯通电桥，它能将微弱的电阻信号转化为 电压信号，从而实现对温度的精密控制。再将微弱的电压信号经仪用放大电路放大，经信号 处理后驱动同样是其内部集成的致冷器，以 保持LD的温度恒定。这部分是由采用PID控制原 理的模拟电路实现的。
[0048] 请继续参见图3,依据上述用于高敏检测的方法实施例，本发明还提供了用于高敏 检测的装置实施例，具体包括:检测模块301，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信 号;信号转换模块302，用于将所述温度信号转换成电压信号；比较模块303，用于将所述电 压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号;稳定控制模块304,用于通过温度补偿 控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定;恒温控制模块305,用于依据 所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证所述半导体激光 器在恒温环境下工作。
[0049] 进一步的，用于高敏检测的装置实施例，还包括:放大模块，用于将所述差值信号 通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出 信号趋于稳定。
[0050] 需要说明的是，本发明提供的装置实施例与方法实施例相对应，此处不再赘述，装 置实施例未详述部分请参阅方法实施例。
[0051] 本发明实施例提供的用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，实现 了当半导体激光器150工作时发热，与半导体激光器150集成在一起的负温度系数的热敏电 阻将温度信号快速转换为电阻值的变化，然后与设定的高精度基准温度电阻阻值比较，其 比较结果通过失调电压温度系数为0. lnV/°C，电压放大倍数可从1到1000的精密差动信号 处理放大电路放大，此电路为高精度控制提供有利保证，放大后的信号进入PID控制网络， 通过满足闭环系统的瞬态和稳定性能指标PID控制网络，保证了系统稳定并具有很好的动 态特性，根据PID处理结果，驱动执行机构控制LD制冷或加热以保持LD的温度恒定，从而保 证了半导体激光器在恒定的温度下工作，具有结构简单，适用性广的特点。
[0052] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0053] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0054] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可 借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质 上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品 可以存储在存储介质中，如R0M/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备 (可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些 部分所述的方法。
[0055] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0056] 以上对本发明所提供的用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，进 行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人 员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种用于激光器的温控系统，其特征在于，包括： 温度测量电路，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述 温度信号的电压信号;其中，所述温度测量电路至少包括温度传感器； 放大电路，所述放大电路与所述温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大； 温度补偿控制电路，所述温度补偿控制电路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿 控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输 出的信号趋于稳定； 制冷器驱动电路，所述制冷器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制 电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度 恒定。2. 如权利要求1所述的一种用于激光器的温控系统，其特征在于， 所述温度传感器是采用具有负温度系数的热敏电阻;且 所述温度测量电路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路来检测所述热 敏电阻的阻值变化。3. 如权利要求2所述的一种用于激光器的温控系统，其特征在于， 所述制冷器驱动电路包括铜连接器和半导体制冷器； 其中，所述铜连接器将所述半导体激光器和所述半导体制冷器连接在一起，且所述热 敏电阻置于所述铜连接器中。4. 一种用于高敏检测的方法，其特征在于，包括： 检测半导体激光器工作过程中的温度信号； 将所述温度信号转换成电压信号； 将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号； 通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定； 依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证所述半 导体激光器在恒温环境下工作。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于： 通过内部集成的负温度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的温度信号。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于： 通过惠斯通电桥电路将所述温度信号转换成电压信号。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于： 将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号 进行控制，使其输出信号趋于稳定。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于： 所述放大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。9. 一种用于高敏检测的装置，其特征在于，包括： 检测模块，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号； 信号转换模块，用于将所述温度信号转换成电压信号； 比较模块，用于将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号； 稳定控制模块，用于通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号 趋于稳定； 恒温控制模块，用于依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者 制热，以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。10.如权利要求9所述的用于高敏检测的装置，其特征在于，还包括： 放大模块，用于将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路 对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
【专利摘要】本发明公开了一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置；其中，所述系统包括：将温度测量电路用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压信号；将放大电路与所述温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大；将温度补偿控制电路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定；将制冷器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度恒定，本发明具有结构简单、实用性广的特点。
【IPC分类】G05D23/24
【公开号】CN105487574
【申请号】CN201610068521
【发明人】贾茜
【申请人】江汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月1日
【技术领域】
[0001] 本发明属于温控技术领域，特别涉及一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测 的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为 "最快的刀" "最准的尺" "最亮的光"和"奇异的激光"。它的原理早在1916年已被著名的物理 学家爱因斯坦发现，但直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实 践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不 仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可 使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生 产力的发展。
[0003] 激光器按工作物质分为固体激光器，气体激光器，液体激光器，半导体激光器。随 着激光技术和光电子技术的发展，光纤通信在通信领域中的地位越来越重要.在光纤通信 中，一种关键技术是控制半导体激光器的工作。半导体激光器又称为半导体激光二极管，或 简称激光二极管，英文缩写为UKLaser Diode)，半导体激光器是一种温度敏感器件，微小 的温度变化能使激光器输出波长产生明显的变化。而光纤通信系统要求半导体激光器工作 在恒定的固定波长状态，但如何使得半导体激光器工作在恒定的固定波长状态，是本发明 继续解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，解决了或 部分解决了现有技术中的上述技术问题。
[0005] 依据本发明的一个方面，提供了一种用于激光器的温控系统，包括:温度测量电 路，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压 信号；其中，所述温度测量电路至少包括温度传感器;放大电路，所述放大电路与所述温度 测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大;温度补偿控制电路，所述温度补偿控制电 路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所 述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定;制冷器驱动电路，所述制冷 器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激 光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度恒定。
[0006] 可选的，所述温度传感器是采用具有负温度系数的热敏电阻；且所述温度测量电 路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路来检测所述热敏电阻的阻值变化。
[0007] 可选的，所述制冷器驱动电路包括铜连接器和半导体制冷器;其中，所述铜连接器 将所述半导体激光器和所述半导体制冷器连接在一起，且所述热敏电阻置于所述铜连接器 中。
[0008] 依据本发明的又一方面，提供了一种用于高敏检测的方法，包括:检测半导体激光 器工作过程中的温度信号；将所述温度信号转换成电压信号;将所述电压信号与预先设定 的基准温度作比较得出差值信号;通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其 输出信号趋于稳定；依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制 热，以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0009] 可选的:通过内部集成的负温度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的 温度信号。
[0010]可选的:通过惠斯通电桥电路将所述温度信号转换成电压信号。
[0011]可选的：将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对 所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
[0012] 可选的:所述放大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。
[0013] 最后，本发明还提供了一种用于高敏检测的装置，包括:检测模块，用于检测半导 体激光器工作过程中的温度信号;信号转换模块，用于将所述温度信号转换成电压信号；比 较模块，用于将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号;稳定控制模块， 用于通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定;恒温控制 模块，用于依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证 所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0014] 可选的，还包括:放大模块，用于将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通 过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
[0015] 有益效果：
[0016] 本发明提供的用于激光器的温控系统，通过将温度测量电路用于检测半导体激光 器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压信号;将放大电路与所述 温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大;将温度补偿控制电路与所述放大电 路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并 使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定;将制冷器驱动电路分别与所述半导体激光 器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体 激光器的工作环境温度恒定，具有结构简单、实用性广的特点。
【附图说明】
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的用于激光器的温控系统结构框图；
[0019] 图2为本发明实施例提供的用于高敏检测的方法流程示意图；
[0020] 图3为本发明实施例提供的用于高敏检测的装置结构框图；
[0021] 图4为本发明实施例提供的电路示意图一；
[0022] 图5为本发明实施例提供的电路示意图二；
[0023] 图6为本发明实施例提供的电路示意图三；
[0024] 图7为本发明实施例提供的电路示意图四；
[0025] 图8为本发明实施例提供的电路示意图五；
[0026] 图9为本发明实施例提供的制冷器驱动电路中的硬件分布结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的 范围；其中本实施中所涉及的"和/或"关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施 例所提及的A和/或B，表示了 A和B、A或B两种情况，描述了 A与B所存在的三种状态，如A和/或 B，表示：只包括A不包括B;只包括B不包括A;包括A与B。
[0028] 同时，本发明实施例中，当组件被称为"固定于"另一个组件，它可以直接在另一个 组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是"连接"另一个组件，它可以是直接 连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是"设置于"另一个组 件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使 用的术语"垂直的"、"水平的"、"左"、"右"以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在 限制本发明。
[0029] 请参阅图1，本发明的一个实施例提供了一种用于激光器的温控系统，包括:温度 测量电路11 〇，放大电路120，温度补偿控制电路130和制冷器驱动电路140。
[0030] 其中，温度测量电路110用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用 于表征所述温度信号的电压信号。其中，所述温度测量110电路至少包括温度传感器;所述 放大电路120与所述温度测量电路110连接，以接收所述电压信号并进行放大;所述温度补 偿控制电路130与所述放大电路120连接，使由所述温度补偿控制电路110接收经所述放大 电路12 0放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路130输出的信号趋于稳 定;所述制冷器驱动电路140分别与所述半导体激光器150和所述温度补偿控制电路130连 接，以控制所述半导体激光器150制冷或制热，使得所述半导体激光器的150工作环境温度 恒定。
[0031] 具体来说，对于温度测量电路110而言，温度测量110电路至少包括温度传感器。而 在温度传感器中，热敏电阻的温度敏感性最高，常用在高精度温控中。请如图4所示是电阻 电桥电路，它可用来测量电阻的微小变化。由连成四边形的四个电阻组成，其中一个对角接 激励电压源V b，而另一个对角则接电压检测器，电压检测器测量两个分压电阻中点间的电 压V。在电桥应用中，常常存在多个可变器件作为传感器，下表示出了一个到四个可变器件 的
[0032]
电桥电路。表中线性误差0.5%/%表示变化元件的变化率为△ R/R时，电桥的非线性为 0.5 AR/R，这种非线性不是变化元件引起的，而是电桥自身引起的。通常情况下，变化元件 也有非线性，总的非线性是两种非线性的叠加。
[0033] 在本发明实施例中，由于在设计电路中，热敏电阻变化是非常微弱的，必须用专门 的电路来测量这种微弱的变化。因此，请参阅图5,本发明实施例选用惠斯通电桥电路来检 测热敏电阻阻值变化，使电阻值的线性变化转化为电压差的线性变化。作为优选，本发明实 施例提供的惠斯通电桥电路由高精密电阻R5、R6、R7和热敏电阻Rth，电位器Rset连成四边 形，称为电桥的四个臂。四边形的一个对角线输出，称为"桥"；四边形的另一对角线接上电 源，称为电桥的"电源对角线"。通过设定Rset的阻值大小来设定系统的工作温度。当热敏电 阻检测温度和设定温度大小相等时，AV = 0;当系统温度改变时，使得电桥平衡被打破，输 出AV矣0。电路将这种不平衡输入到后面的电路中进行温度调控。需要说明的是，在本发明 实施例中，惠斯通电桥电路设计，发挥了电桥比较差值的特点，通过差值比较的方法，一定 程度上提高了热敏电阻测量精度。其中电桥使用高精度电阻，可达到最大精度的技术效果。
[0034] 正如上述所述，作为优选，本发明实施例中所述温度传感器是采用具有负温度系 数的热敏电阻；且所述温度测量电路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路 来检测所述热敏电阻的阻值变化。需要说明的是，采用具有负温度系数的热敏电阻的温度 传感器也仅是本发明实施例中的一种实施方式，并非局限。
[0035]进一步地，对于放大电路120而言，请参阅图6所示的传统的简单运放电路。此电路 形式简单，能够实现单电源工作，但性能不佳。运放的输入偏置电流和反馈电阻Rp导致电桥 不对称，漂移大同时必须仔细地选择反馈电阻以满足运放的共模抑制比，而且输出是非线 性的，同时请参阅图7。在本发明实施例中，放大电路120是由0P07D构成的运放差分放大电 路，由于差分放大电路，具有求差的功能，在数学领域即可作为比较模块。在比较模块中，电 路的作用是差分放大，可以将电桥产生的微弱电压差值表征出来，实现高精度温度测量，有 了高精度的温度监测，即可为高精度温度控制打基础。
[0036] 进一步地，对于温度补偿控制电路130而言，请参阅图8所示的PID调节器示意图， 具体而言，PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例 (P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。PID调节器的微分
.，式中e(t)=r(t)-c(t);PID调节器的传输函数
在本发明实施例中，PID调节器各校正环节的作用：比例 环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作 用以减小偏差。积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节:能反应偏差信号的变化趋 势(变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信 号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
[0037] 在本发明实施例中的温度补偿控制电路130,通过比例环节Ρ，即时成比例地反应 控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。通过积分 环节I主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。通过微分环节，反应偏差信号的变化趋势(变化速率），并 能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统 的动作速度，减小调节时间。最终进过PID调节电路，使输出信号趋于稳定。
[0038] 进一步地，对于制冷器驱动电路140而言，请参阅图9所示的制冷器驱动电路140中 硬件分布示意图。其中，制冷器驱动电路140至少包括铜连接器160和半导体制冷器170。所 述铜连接器160将所述半导体激光器150和所述半导体制冷器170连接在一起，且所述热敏 电阻置于所述铜连接器160中。本发明实施例中的半导体制冷器170是用两种不同半导体材 料(Ρ型和Ν型）组成ΡΝ结，当ΡΝ结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越 ΡΝ结移动过程中的热效应（即帕尔帖效应），就会使ΡΝ结表现出制冷或制热的效果，改变电 流方向即可实现TEC的制冷或制热，调节电流大小即可控制制冷量输出。为此本发明实施例 在电路中还设计了一个线性驱动电路，以满足半导体制冷器170的正常工作。由于温度控制 电路要求驱动TEC的电流是双向的，因此本发明实施例选择应用TEC的开关式功率驱动电。 且作为温度调节部分，TEC必须与被控对象半导体激光器结合，这样才能实现温度的调制。 需要特别说明的是，在本发明实施例中，通过铜连接器160将所述半导体激光器150和所述 半导体制冷器170连接在一起，铜具有良好的导热性。热敏电阻置于铜连接器160中，这样能 更好更均匀的检测整系统的温度。
[0039] 在本发明实施例中，作为优选，在各部件连接处用导热硅胶将空隙填满.各端面均 匀涂导热硅胶，并保证端面接触面平整.由于TEC需要的电流很大，所以R取一个较低阻值的 大功率电阻，且要远离温度器件和传感器以避免其自身发热影响系统工作。
[0040] 请继续如图2所示，本发明的又一实施例提供了一种用于高敏检测的方法，具体包 括如下步骤：
[0041] 步骤201，检测半导体激光器工作过程中的温度信号；其中，通过内部集成的负温 度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的温度信号。
[0042]步骤202,将所述温度信号转换成电压信号；其中，通过惠斯通电桥电路将所述温 度信号转换成电压信号。
[0043]步骤203,将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号；
[0044]步骤204,通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳 定；
[0045]步骤205,依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热， 以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。
[0046]在步骤204之前，本发明的又一实施例先将所述差值信号通过放大电路进行放大 后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。且所述放 大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。
[0047] 具体而言，激光的波长与温度有关，随着温度的升高，半导体激光器150的发射波 长以阶跃形式跳跃变化，每一步内的变化，是由谐振腔内模式的变化引起的，跳跃是由增益 曲线移动的纵模之间的跳变引起的。准确的检测被控对象的温度是实现高精确度温度控制 的前提，因此也是硬件设计的关键一步。在本发明的又一实施例中，通过内部集成的负温度 系数的热敏电阻把温度变化的信号快速转换为电信号，然后与预先设定的基准温度作比较 得到差值。在这里本发明的又一实施例用到了惠斯通电桥，它能将微弱的电阻信号转化为 电压信号，从而实现对温度的精密控制。再将微弱的电压信号经仪用放大电路放大，经信号 处理后驱动同样是其内部集成的致冷器，以 保持LD的温度恒定。这部分是由采用PID控制原 理的模拟电路实现的。
[0048] 请继续参见图3,依据上述用于高敏检测的方法实施例，本发明还提供了用于高敏 检测的装置实施例，具体包括:检测模块301，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信 号;信号转换模块302，用于将所述温度信号转换成电压信号；比较模块303，用于将所述电 压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号;稳定控制模块304,用于通过温度补偿 控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定;恒温控制模块305,用于依据 所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证所述半导体激光 器在恒温环境下工作。
[0049] 进一步的，用于高敏检测的装置实施例，还包括:放大模块，用于将所述差值信号 通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出 信号趋于稳定。
[0050] 需要说明的是，本发明提供的装置实施例与方法实施例相对应，此处不再赘述，装 置实施例未详述部分请参阅方法实施例。
[0051] 本发明实施例提供的用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，实现 了当半导体激光器150工作时发热，与半导体激光器150集成在一起的负温度系数的热敏电 阻将温度信号快速转换为电阻值的变化，然后与设定的高精度基准温度电阻阻值比较，其 比较结果通过失调电压温度系数为0. lnV/°C，电压放大倍数可从1到1000的精密差动信号 处理放大电路放大，此电路为高精度控制提供有利保证，放大后的信号进入PID控制网络， 通过满足闭环系统的瞬态和稳定性能指标PID控制网络，保证了系统稳定并具有很好的动 态特性，根据PID处理结果，驱动执行机构控制LD制冷或加热以保持LD的温度恒定，从而保 证了半导体激光器在恒定的温度下工作，具有结构简单，适用性广的特点。
[0052] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0053] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0054] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可 借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质 上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品 可以存储在存储介质中，如R0M/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备 (可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些 部分所述的方法。
[0055] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0056] 以上对本发明所提供的用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置，进 行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人 员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种用于激光器的温控系统，其特征在于，包括： 温度测量电路，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述 温度信号的电压信号;其中，所述温度测量电路至少包括温度传感器； 放大电路，所述放大电路与所述温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大； 温度补偿控制电路，所述温度补偿控制电路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿 控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输 出的信号趋于稳定； 制冷器驱动电路，所述制冷器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制 电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度 恒定。2. 如权利要求1所述的一种用于激光器的温控系统，其特征在于， 所述温度传感器是采用具有负温度系数的热敏电阻;且 所述温度测量电路还包括惠斯通电桥电路，以通过所述惠斯通电桥电路来检测所述热 敏电阻的阻值变化。3. 如权利要求2所述的一种用于激光器的温控系统，其特征在于， 所述制冷器驱动电路包括铜连接器和半导体制冷器； 其中，所述铜连接器将所述半导体激光器和所述半导体制冷器连接在一起，且所述热 敏电阻置于所述铜连接器中。4. 一种用于高敏检测的方法，其特征在于，包括： 检测半导体激光器工作过程中的温度信号； 将所述温度信号转换成电压信号； 将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号； 通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定； 依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者制热，以保证所述半 导体激光器在恒温环境下工作。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于： 通过内部集成的负温度系数的热敏电阻检测半导体激光器工作过程中的温度信号。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于： 通过惠斯通电桥电路将所述温度信号转换成电压信号。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于： 将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路对所述差值信号 进行控制，使其输出信号趋于稳定。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于： 所述放大电路是由0P07D构成的运放差分放大电路。9. 一种用于高敏检测的装置，其特征在于，包括： 检测模块，用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号； 信号转换模块，用于将所述温度信号转换成电压信号； 比较模块，用于将所述电压信号与预先设定的基准温度作比较得出差值信号； 稳定控制模块，用于通过温度补偿控制电路对所述差值信号进行控制，使其输出信号 趋于稳定； 恒温控制模块，用于依据所述输出信号驱动执行机构控制所述半导体激光器制冷或者 制热，以保证所述半导体激光器在恒温环境下工作。10.如权利要求9所述的用于高敏检测的装置，其特征在于，还包括： 放大模块，用于将所述差值信号通过放大电路进行放大后，在通过温度补偿控制电路 对所述差值信号进行控制，使其输出信号趋于稳定。
【专利摘要】本发明公开了一种用于激光器的温控系统、用于高敏检测的方法和装置；其中，所述系统包括：将温度测量电路用于检测半导体激光器工作过程中的温度信号，并输出用于表征所述温度信号的电压信号；将放大电路与所述温度测量电路连接，以接收所述电压信号并进行放大；将温度补偿控制电路与所述放大电路连接，使由所述温度补偿控制电路接收经所述放大电路放大处理后的所述电压信号，并使所述温度补偿控制电路输出的信号趋于稳定；将制冷器驱动电路分别与所述半导体激光器和所述温度补偿控制电路连接，以控制所述半导体激光器制冷或制热，使得所述半导体激光器的工作环境温度恒定，本发明具有结构简单、实用性广的特点。
【IPC分类】G05D23/24
【公开号】CN105487574
【申请号】CN201610068521
【发明人】贾茜
【申请人】江汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月1日
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