賀俊博, 曹家年, 王 琢

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

甲烷氣體檢測(cè)中半導(dǎo)體激光器的溫度控制

賀俊博, 曹家年, 王 琢

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù) (TDLAS)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),其半導(dǎo)體激光器(LD)的輸出波長(zhǎng)在注入電流恒定的情況下受溫度影響很大。高精度的 LD溫度控制能夠保證光源輸出光譜的中心波長(zhǎng)位于待測(cè)氣體吸收峰。針對(duì)LD溫度控制技術(shù)的特點(diǎn),采用兩級(jí)溫度控制的思想,一級(jí)保證LD外部工作環(huán)境溫度穩(wěn)定在一個(gè)小的區(qū)間內(nèi),另一級(jí)是以LD組件熱電制冷器 (TEC)和熱敏電阻(RT)結(jié)合模擬的比例—積分(PI)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,檢測(cè)精度可達(dá) 0.01℃,滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

半導(dǎo)體激光器;溫度控制;TDLAS;比例—積分

甲烷是常見的易燃易爆氣體,也是造成我國(guó)煤礦事故頻發(fā)的主要原因,還是溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一。及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體的產(chǎn)生源、濃度[1],對(duì)保護(hù)環(huán)境和維護(hù)礦工安全都有著重要的意義。

近年來,以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)[2]為基礎(chǔ)的甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的精確測(cè)量,在波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi),LD的輸出中心波長(zhǎng)與甲烷氣體的吸收峰必須對(duì)準(zhǔn)。系統(tǒng)提取吸收后的信號(hào),計(jì)算出氣體的濃度。LD的注入電流和溫度變化都會(huì)引起其輸出波長(zhǎng)的變化[3],因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)保持 LD工作溫度的穩(wěn)定。這是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)單獨(dú)注入電流調(diào)制的關(guān)鍵。

1 吸收譜線及LD參數(shù)分析

根據(jù)朗伯 -比爾吸收定律,待測(cè)氣體的濃度c為

式中:I0——輸入光強(qiáng);

L——?dú)怏w吸收光程;

I(v)——通過吸收氣室后輸出光強(qiáng);

α(v)——?dú)怏w吸收系數(shù)。

根據(jù) H ITRUN2004[4]數(shù)據(jù)庫,選擇甲烷在1 653.7 nm(6 046.955 0 cm-1)波長(zhǎng)附近R(3)支轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷。它包含了三條相距非常近的吸收線,其吸收譜線如圖 1所示。

圖 1 1 653.7 nm處 CH4譜線強(qiáng)度Fig.1 CH4spectral line intensity at 1 653.7 nm

三條吸收線分布在波長(zhǎng)小于 0.01 nm范圍內(nèi),可以近似的認(rèn)為它們是線強(qiáng)為三條吸收線線強(qiáng)之和的一條吸收線,并以此作為檢測(cè)的吸收線。其分子譜線強(qiáng)度約在 10-21cm/molecule數(shù)量級(jí),譜線半寬γ=0.013 7 nm。

選用 VERT ILAS公司的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)VL-1654-1-SQ-H5。它可以提供一個(gè)以 1 653.72 nm為中心波長(zhǎng)的窄帶光譜。其波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到幾納米,線寬 30 MHz。工作波長(zhǎng)受溫度和電流影響如圖 2所示,溫度調(diào)節(jié)系數(shù)為Δ λ/ΔT=0.127 nm/℃。

LD內(nèi)部集成了負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻RT和半導(dǎo)體制冷器(TEC),利用靠近 LD管芯熱沉的RT反映溫度,其阻值隨溫度的變化關(guān)系式為:

式中:A、B、C——RT的 Steinhart-Hart系數(shù);

T——開氏絕對(duì)溫度;

R——熱敏電阻的阻值。

通過上述參數(shù)可以計(jì)算出該光源內(nèi)部熱敏電阻在 30℃的阻值應(yīng)為 8.05 kΩ。LD組件 TEC是帕爾貼器件,當(dāng)電流正向流過時(shí),熱量從冷端流向熱端,實(shí)現(xiàn)對(duì)LD制冷;反之 TEC對(duì)LD制熱。因此,控制流過TEC電流的大小和方向可實(shí)現(xiàn)對(duì)LD管芯溫度的控制。

圖2 VCSEL波長(zhǎng)與溫度和注入電流的關(guān)系Fig.2 VCSEL wavelength relationship with temperature and injection current

根據(jù)LD特性,設(shè)定溫度為 30℃,注入電流為6.0 mA,輸出中心波長(zhǎng)為 1 653.7 nm,為了方便二次諧波和一次諧波平均值的數(shù)據(jù)采集和處理[5],中心波長(zhǎng)的偏離應(yīng)控制在半寬的十分之一內(nèi),溫度控制在 0.01℃內(nèi)。這樣就要求激光器工作在 29.99～30.01℃內(nèi)。由于溫度范圍較窄,要求控溫精度較高。實(shí)際中采用兩級(jí)溫度控制,即激光器外部工作環(huán)境(機(jī)箱)溫度控制和激光器內(nèi)部溫度控制相結(jié)合,其總體框圖如圖 3所示。

圖3 LD溫度控制框圖Fig.3 Block of LD temperature control

2 機(jī)箱溫度控制及實(shí)現(xiàn)

激光器置于機(jī)箱之內(nèi),其外部環(huán)境溫度主要取決于機(jī)箱內(nèi)溫度。實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的溫度的精確控制,需保證機(jī)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在一個(gè)小的區(qū)間內(nèi)。機(jī)箱溫度控制原理如圖 4所示。

圖4 機(jī)箱溫度控制原理Fig.4 Chassis temperature control principle

機(jī)箱溫度采集由檢測(cè)靈敏度較高、溫度與輸出電流成線性變化的溫度傳感器 AD590來實(shí)現(xiàn)。機(jī)箱溫度每變化一攝氏度,流過其溫度傳感器 AD590的電流即變化 1μA,經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換后機(jī)箱內(nèi)部的溫度將會(huì)轉(zhuǎn)化電壓值。根據(jù)激光器靜態(tài)工作在30℃的特點(diǎn),應(yīng)將機(jī)箱內(nèi)部溫度控制在 ±2℃內(nèi),即保證溫度控制在 28～32℃的區(qū)間內(nèi)。機(jī)箱內(nèi)部溫度控制的電路原理如圖 5所示。

圖5 機(jī)箱溫度控制電路Fig.5 C ircuit of chassis temperature control

3 LD溫度控制及實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)LD組件的溫度控制,將熱敏電阻RT作為其中一臂組成橋式電路。橋壓差經(jīng)過多級(jí)放大后,輸出電壓為:

式中:K——電路的放大系數(shù);

UI——電橋電壓;

ΔR——熱敏電阻的變化量。

溫度控制的原理是:傳感器檢測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度(設(shè)定電壓)進(jìn)行比較,當(dāng)檢測(cè)的溫度不等于設(shè)定溫度時(shí),電橋輸出一個(gè)很小的壓差信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大后驅(qū)動(dòng) TEC并控制帕爾貼的電流大小和方向,從而控制其制冷量或制熱量,達(dá)到溫度控制的目的。為了實(shí)現(xiàn)溫度控制的穩(wěn)定,采用 PI控制環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)[6]。選取UI=5 V,將溫度變化控制在 0.01℃內(nèi),保證 0.01℃的溫度變化能夠驅(qū)動(dòng) TEC工作,計(jì)算得到系統(tǒng)多級(jí)放大倍數(shù)K=1 000。同時(shí),由于 TEC所允許的最大電流Imax=0.9 A。為保證 TEC不被損壞在其后端加入限流電阻。電路原理如圖 6所示。

圖6 LD組件TEC溫度控制電路Fig.6 C ircuit of LD component TEC temperature control

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波長(zhǎng)穩(wěn)定度分析

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)條件為在實(shí)驗(yàn)室條件下每隔 15 min用溫度計(jì)讀取機(jī)箱內(nèi)的溫度值,連續(xù) 2 h。實(shí)測(cè)結(jié)果機(jī)箱溫度穩(wěn)定在 28～32℃,滿足實(shí)驗(yàn)要求。

對(duì)LD溫度穩(wěn)定度的檢測(cè)一般通過光譜儀觀察輸出波長(zhǎng)是否變化來判斷溫度是否穩(wěn)定。這種方法較為直觀,但需要昂貴的檢測(cè)設(shè)備。TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)可以通過一次諧波幅度時(shí)域圖分析出溫度穩(wěn)定度。采用 TDLAS方法所得到的一次諧波波形是吸收線型的微分,其形狀如圖 7所示。它是由注入電流改變激光器輸出波長(zhǎng)并對(duì)氣體吸收線進(jìn)行掃描獲得的。在溫度穩(wěn)定的情況下,圖中過零點(diǎn) A、B對(duì)應(yīng)掃描電流的中心值。

圖7 調(diào)制電流與一次諧波曲線關(guān)系Fig.7 Relationship between modulation current and first harmon ic curve

進(jìn)而由激光器的溫度調(diào)節(jié)系數(shù)可以計(jì)算出溫度的偏移量ΔT=Δ λ/0.127,從而得出溫度控制的精度。當(dāng)Δ λ<0時(shí),根據(jù)波長(zhǎng)與溫度和注入電流的關(guān)系可知溫度向低于設(shè)定值偏移;當(dāng)Δ λ>0時(shí)溫度則向高于設(shè)定值偏移。在實(shí)驗(yàn)室條件下,示波器輸出的調(diào)制電流與一次諧波曲線如圖 8所示,計(jì)算得到溫度控制精度達(dá) 0.01℃,滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖 8 實(shí)驗(yàn)條件下的調(diào)制電流與一次諧波曲線Fig.8 M odulation current and first harmon ic curve under exper imental conditions

5 結(jié)束語

為滿足 TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度控制的要求,設(shè)計(jì)了一種高精度的LD溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定度達(dá)到了 0.01℃,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度高精確控制的要求,并在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中取得了滿意的效果。該系統(tǒng)具有小型化、成本低、控制精度高等特點(diǎn),可以運(yùn)用于其他類型的半導(dǎo)體激光器溫度控制中。

[1] 王艷菊,王玉田,王忠東.光纖甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].壓電與聲光,2007,29(2):148-149,152.

[2] DUFF IN K,MCGETTR ICKA J,JOHNSTONE W.Tunable diodelaser spectroscopywith wavelength modulation:a calibration-free approach to the recovery of absolute gas absorption line shapes[J]. Journal ofLightwave Technology,2007,25(10):3 114-3 125.

[3] 王肖飛,伊紅晶,錢龍生.半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(1):20-22.

[4] ROTHMANN L S,JACQUE MARTD,BARBE A,et al.The HITRUN 2004 molecular spectroscopic database[J].Journal of Quantitative SpectroscopyAnd Radiative Transfer,2005,96(2):139-204.

[5] 王 敏,張玉鈞,劉文清,等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜二次諧波檢測(cè)方法的研究[J].光學(xué)技術(shù),2005,31(02):279-281.

[6] 江孝國(guó),王婉麗,祁雙喜.高精度 P ID溫度控制器[J].電子與自動(dòng)化,2000(5):13-15.

Sem iconductor laser temperature control in methane gas detection system

HE Junbo,CAO Jianian,WANG Zhuo
(College of Infor mation and Communication Engineering,Harbin EngineeringUniversity,Harbin 150001,China)

In the gas concentration detection system adopting tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS),the outputwavelength of the diode laser(LD)is subjected to great impact by temperature under a constant injection current,and high-precision temperature control can ensure that the center wavelength can be located on the gas absorption peak.This paper introduces the use of two-stage temperature control,as required by the characteristics of LD temperature control,one capable of allowing the external environmental temperature ofLD to be stabilized at a small interval,and the other capable of achieving temperature stability based on LD components of thermoelectric cooler(TEC)and the rmistor (RT)combined with proportion-integral(PI)links.Experimental results show that the temperature control system with a better stability and measurement accuracy up to 0.01℃is up to the test requirements.

semiconductor laser;temperature control;TDLAS;PI

TN248.4

A

1671-0118(2010)02-0138-04

2009-12-23

賀俊博(1984-),男,湖南省永州人,碩士,研究方向:光纖氣體檢測(cè),E-mail:hejunbok1@163.com。

(編輯晁曉筠)