摘 要: 不同气体分子由于其特征结构不同，对应于不同的吸收光谱，通过气体对特定波长光的吸收，形成了光谱吸收式气体传感器 在光谱吸收式气体浓度检测系统中，保证半导体激光器输出光波长的稳定性是最为重要的，而激光器的温度是影响输出波长的主要因素之一 目前，通常采用激光器内部的热敏电阻器作为激光器温度的测量依据，但受到激光器结构的限制热敏电阻器不能精确快速地指示激光器的温度，影响了检测系统的正常工作 为了解决这个问题，通过对垂直腔面发射半导体激光器应用的分析，在原有热敏电阻器的基础之上，加入对激光器输出波长的监测，形成了热敏电阻器与输出波长的双重检测的温度控制方案，改变传统的仅有热敏电阻器单参数的温度控制方案，形成双参数的数字 控制决策，实验结果表明: 光源温度偏差可以控制在 以内，进一步提高了光学气体传感器的工作稳定度

关键词: 气体传感器; 半导体激光器; 温度控制

引 言

垂直腔面发射半导体激光器(， ) 具有阈值电流低效率高低功耗易于和光纤耦合集成等优异特性，越来越多的广泛应用于光纤数据通信光学传感器当中 尤其是短腔长度的，其波长可以连续调节，并在整个调谐范围内保持恒定的波谱纯度，在可调谐二极管激光吸收光谱学(， ) 技术中成为较为理想的光源［，］

在可调谐半导体激光吸收光谱式气体检测系统中主要依据不同气体分子由于其特征结构不同，因而对应于不同的吸收光谱，气体通过对特定波长的光的吸收，便可实现气体的定性或定量的分析 在光谱吸收式气体检测系统中，需要控制光源使其输出被测气体吸收的特定波长，而影响光源输出波长的主要因素是光源的温度和电流，在可调谐的检测方法中通常采用电流来调谐光源的输出波长，此时就要求光源工作在一个相对稳定的温度范围内，研究中主要以 为光源的可调谐吸收光谱技术在气体检测中的应用为重点，着重围绕其中对于 光源温度的精度控制结构的设计进行分析

温度控制方案分析

研究中选用 是 由 德 国 公 司 生 产 的激光器用于甲烷气体浓度的检测，该光源采用封装，光纤耦合输出，内部集成 制冷器与热敏电阻器选用此光源的主要意义在于，甲烷气体在 处有吸收谱线，根据该激光器的技术资料需要将激光器设定工作温度为 ，然后通过电流调谐改变波长实现 检测方案 为了保证 方案的正确实现，要求激光器的工作温度在 范围内 由于其封装内部有热敏电阻器和 制冷器，传统上基本采用如图 所示的温度控制系统图 传统温度控制系统

对于内部集成热敏电阻器的光源温控通常采用桥式测温电路用来测量，通过桥式电路根据热敏电阻器的参数将参考臂电阻值设置为热敏电阻器 时的阻值，通过桥式测温电路将温度误差信号加以放大实现对温差信号的采集 控制网络的组成形式基本上分为两大类模拟方法和数字方法，控制算法基本上以经典的 算法为主，所谓模拟方法即将温差信号接入到模拟 电路中，形成制冷控制信号，制冷控制信号通过功率放大以后驱动 制冷工作，此时制冷器基本工作在线性工作区 数字方法即将温差信号通过 采集转换为数字信号，利用数字处理器实现数字 算法控制，产生 型制冷控制信号通过功率放大来控制 制冷工作，此时制冷器基本工作在开关状态，利用脉宽调制控制制冷效果 模拟方法利用硬件参数调整控制中的积分和微分系数，对元件精度和参数要求比较高，同时调整不方便; 另一方面，模拟方法中要保证功率放大部分工作在线性区，此时系统整体功耗较大，电路部分本身产生的热量将会引起激光器管芯温度波动，将会严重影响光源温度的控制精度和稳定性，无法满足检测方案的要求 而数字方法中制冷器工作在开关状态，同工作在线性相比较获得相同的制冷效果，自身消耗的功率较低，利用脉宽调制可以有效控制占空比调整制冷状态 同时随着数字技术的发展，单片机的功能变得更加丰富，很多单片机内部集成了 采集和 控制器，所以，目前数字化的温度控制方案已经成为主流［ ］但在整个控制结构当中对于激光器管芯的温度主要通过激光器封装内的热敏电阻器反映，在激光光源的制备过程中应尽可能使热敏电阻器靠近激光器管芯，以便真实地反映激光器管芯的温度，如图 所示为实验中所使用的结构示意图，从图中可以看到实际当中热敏电阻器虽然已经靠近激光管管芯，但受到制备工艺的影响，其间仍然有一定的距离，因此，热敏电阻器不能够精确地反映管芯温度，单一的依靠热敏电阻器很难实现高质量的控制方案，这将会影响温度控制系统的精度［ ］图 结构图基于输出波长的温度检测在气体检测系统中，保证温度精确控制的重要意义在于用来保证光源输出波长满足气体吸收谱线的要求，因此，可以单一地通过热敏电阻器来反映光源的温度控制情况，可以通过对气体的吸收谱线的捕捉来进行精密的温度控制影响气体检测系统输出波长的 个主要因素为电流和温度，根据激光器参数选定系统的标准静态工作点参数为， ，保证激光器输出谱线为 对准甲烷气体在此处的吸收峰 系统在此标准静态工作点基础上采用频率为 ，幅度为 的三角波信号，三角波信号斜率为( )三角波调谐光源保证能够扫描气体吸收谱线的宽度如图 所示为在标准静态工作点条件下的扫描气体吸收谱线的结果图 标准静态工作点扫描气体吸收情况从图中可以看到，此时吸收峰出现在静态工作点上，如图中所示，如果系统没有工作在标准静态工作点上，则会出现如图 所示的情况，即第 期 王 琢，等: 气体传感器中半导体激光器的温度控制图 温度波动下扫描气体吸收情况检测系统采用精密电流源驱动能够保证驱动电流的稳定度，造成图 所示的情况主要在于温度波动导致系统偏离静态工作点，吸收峰没有出现在三角扫描信号的中点，结合光源的参数可以进一步分析出光源此时的工作温度影响光源输出谱线的主要参数是电流和温度，其中，电流调谐参数， ()即在静态工作点附近 的电流会引起光源输出波长的变化 温度调谐参数( )通过吸收峰的偏离情况，可以反映出光源的工作温度目前，激光器的工作温度未知，但是从图中可以看到，此时吸收峰对应的电流不再是静态工作点 ，而是( )而气体的吸收峰只会出现在光源输出波长为处，表明由于温度没有工作在静态工作点( ) 而引起的谱线偏离由电流来进行补偿，间接地通过电流的偏移反映了温度的偏移程度 电流偏移补偿的谱线为( ) ( )温度偏移造成的谱线偏移为( ) ( )，带入式( ) 式( ) 后得到( ) ( ) ( )将式( ) 带入式( ) 中，整理得到( )其中， 可以通过测量获得，其 余 参 数 由 上 述 的式( ) 式( ) 皆为已知量，静态工作点温度 ，由此就可以计算出当前温度 ，该数值为当前激光器的真实温度值双参数控制方案在半导体激光器的温度控制系统中，通常采用半导体激光器的当前工作温度与设定标准温度之间的温差信号作为反馈控制信号，由式( ) 整理获得( ) ( )综上，通过式( ) 可以看到: 通过测量吸收峰与标准静态工作点的时间偏差可以反映温度偏差 对于整个系统来说就获得了一个新的较为精确的温度偏差为 这里将原有热敏电阻器通过桥式测温电路反映出来的温差为显然 是由激光器输出波长直接体现的光源温度，较之由热敏电阻器体现的 要准确且响应时间短，具有很大的优势 这里不能用 直接选用 ，这是因为在实际使用中，当系统开机或温度出现大幅度波动时，可以看到: 图 中的吸收峰会重叠形成单峰乃至消失，原因是此时温度偏差过 大 所 造 成 过 大，电流扫描补偿的最大值无法实现有效的补偿，导致激光器输出波长远远偏离气体的吸收波长，吸收峰不会出现，此时获得的方案将完全失效 同时由于受到激光器工作电流线性区的限制扫描电流 不能够过大，无法实现大范围的补偿，因此，由热敏电阻器所提供的温差信号 在大范围的温度控制中仍然具有十分重要的意义综上，充分利用 ， 两路温差信号的特点，形成了如图 所示的双参数温度控制方案图 双参数温度控制方案方案中采用较为成熟的数字 作为控制方案的核心，其反馈参数一路来源于由热敏电阻器构成的桥式测温电路产生的温差信号 ，另一路来自激光通过气室后由光探测器转换的电信号通过计算从中获得温差信号 ，核心处理器采用的是飞思卡尔公司 位 处 理 器利用其自身所带的 为 完成模数转换处理中，首先判 断 由 获得的温差信号 ，当时，由 它 作 为 控制的输入参数，当，此时启动分析程序利用式( ) 计算 ，并由作为 控制的输入参数 同原有的单参数方案相比较，双参数方案没有做任何硬件上的改动，仅通过程序进行分析实现 信号的获取试验结果与分析针对 种方案分别做了长时间的老化试验和高低温试验，通过测量激光器输出谱线进而获得光源的温度数据，对所获得的光源温度数据进行了统计分析，从图 可以看到，双参数试验数据集中在( ) 范围内优于单参传感器与微系统 第 卷数控制方案，其温度稳定度提高近 倍图 试验数据统计对比分析

结束语

本文对气体传感器中半导体激光器的温度控制进行了分析，通过对吸收信号的数据分析引入新的温度偏差信号，设计了双参数温度控制方案，试验结果表明: 方案有效地提高了半导体激光器的温度控制精度 ，使温度误差小于这种结合传感器特点引入新的温差信号的思想 ，对于推动光栅类传感器光纤陀螺光纤加速度计等其他类型的光学传感器当中半导体激光器的温度控制研究具有一定积极的意义

    参考文献: 王 莉，陈弘达，潘 钟，等垂直腔面发射激光器的研究开发现状及其应用［］高技术通讯， ( ) :［］李清东，刘 军，余伟涛，等基于 技术的光纤陀螺光源控制系统设计［］传感器与微系统， ，( ) :［］马迎建，简 红 清，石 多光 纤 光 源 温 度 动 态 特 性 分 析 与 控制［］北京航空航天大学学报， ，( ) :［］李绪友，郝金会，黄 平，等光纤陀螺用光纤光源的新型自动温度控制［］中国惯性技术学报， ，( ) :［］林仕相，刘伟平，陈舜儿，等高稳定度激光光源数字温控技术［］激光杂志， ，( ) :［］江孝国，王婉丽，祁双喜高精度 温度控制器［］电子与自动化， ( ) :［］张 冈，刘东波，陈幼平，等光纤传感器中光源的驱动与控制［］仪表技术与传感器， ( ) : 陈 梁，刘 春 霞 大功率激光二极管的精密恒温制冷系统［］激光与红外， ，( ) :