CN110244798A - 一种激光指示装置的自适应温控*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光指示装置的自适应温控***，驱动模块通过MOSFET实现，开关速度快，采用恒流源控制，输出电流稳定，单片控制模块包括模数转换模块、温度控制模块及***接口；所述模数转换模块；所述温度控制模块，用于处理采集到的数据，并根据设定算法分析数据，根据分析结果经***接口输出驱动信号控制半导体制冷片两端电流，从而实现温度控制。基于自适应PID控制的半导体制冷片的温度控制***，***响应速度快，温度控制精度高，温度调节范围广，同时，结合应用、成本、散热效果方面因素，选用同轴激光器和散热片或散热片与风扇结合的散热方式，参数选择适宜，性价比高，散热安全可靠。

Description

一种激光指示装置的自适应温控***

技术领域

本发明涉及温控技术领域，具体为一种激光指示装置的自适应温控***。

背景技术

激光指示装置，是由激光器组成的一种用以指示的装置。而半导体激光器因其体积小、重量轻、输入电压小、寿命长、转换效率高、功耗低、结构简单、价格低廉、易于调制的优点广泛应用于各个领域，如医学，测量，军工。然而，温度对半导体激光器特性的影响很大。在工作电流恒定的情况下，温度每升高1摄氏度，激光波长将增加0.1nm—0.3nm。温度升高会造成激光器阈值电流增大，从而使输出功率下降，减少使用寿命。因此，对于激光指示装置进行温度控制显得尤为重要。

半导体制冷片（TEC）又称热电制冷器，是一种基于帕尔贴效应实现温度控制的装置。它具有制冷、制热速度快，无噪声，无污染，控制灵活方便，体积小，重量轻的特点，得到了广泛应用，是小体积温控领域的优选。现有基于制冷片的温控***一般都采用PID算法来实现温度的调节，通过制冷片冷面和热面实现降温及升温，通过导热装置，如导热块，散热装置，如散热片、风扇将热量散发出去。现有激光器技术大多采用蝶形封装，蝶形封装半导体激光器集成度高，其内部集成有半导体制冷片、热敏电阻、激光芯片。其主要缺点为制作工艺复杂、输出波长有限、成本高，***可调节性差。而现有温控***所使用的PID算法，参数固定，算法模式单一，控制速度慢，无法精确控制复杂对象。

半导体制冷片制冷的一个关键因素在于其热面是否能够良好散热，除了选用导热系数高的散热片，常用的两种散热方式为风冷和水冷，风冷主要采用风扇冷却，其主要缺点为噪音大，防尘效果差；水冷散热效果虽然较风冷好，但该散热方式价格昂贵，且使用环境受限，当***所处环境较低时，冷却水可能结冰，导致散热装置无法正常工作，且水冷散热功耗大。

在原有专利如CN201820932641.4EDFA泵浦激光器的恒温控制***或CN201520335417.3一种用半导体珀尔贴调整激光晶体温度的控制装置大多采用单参数检测温度的方式进行控制。

在CN201510471343.0一种用于半导体激光器的两级温度控制***和CN201510920554.8一种激光器多温区精密控温***及其控制方法中是采用多级多温区的控制方式，并未引入光功率特性进行控制。

本发明针对上述问题，提出一种基于半导体制冷片的激光指示装置的双参数自适应温控***，采用温度和功率双参数检测，并指示，最终实现激光器的精确控制。激光器采用同轴封装，结构简单，体积小，控制灵活。所采用的算法为双参数自适应PID算法，控制精度高，速度快。可选散热方式为散热片或散热片与风扇组合，所用风扇为静音风扇，安全、可靠、功耗小、噪音小。

由于激光器的功率表征了光源内部光能量的转化水平，瞬时即使激光器的温度经过温度反馈和控制后已经正常，但是功率高于或低于正常值（一般情况是低于），代表激光器内部的元件已经发生了退化，在这样的使用条件下由于需要一定的功率输出，必须要增加或减少电流（一般情况下是增加），由于电流变化，又会导致发热量变化。由于发热量变化，激光器工作点再次漂移。这样激光器的平衡点较难取得，调整不易。由于

本专利采用双参数检测，由于功率是瞬时值，温度是一定时间的温度积累，当温度产生变化被外界传感器感知实际上已经经过多个控制时间。引入功率检测后能更好的预测未来激光器温度的波动，提前进行温度控制。

发明内容

本发明的目的在于提供本发明提出一种激光指示装置的自适应温控***，包括半导体激光器、半导体制冷片、温度检测装置、导热块 、散热装置、温度指示模块、功率检测装置，功率检测模块，驱动模块及单片机控制模块，所述半导体激光器为同轴封装，半导体制冷片的冷面通过第一导热块与半导体激光器连接，半导体制冷片的热面与散热装置连接，半导体制冷片的两面均涂有导热硅脂或其他导热胶、导热垫片利于热量传递的物质；检测装置用于实时采集半导体激光二极管的温度或功率的光学特性，并将其数据传送至单片机控制模块；指示模块用于指示激光器温度或功率是否为正常工作范围。散热装置可选为导热系数高的散热片来实现良好散热，由于激光指示装置一般激光器功率较小且为电池供电，选用散热片散热为满足需求的最佳方式，若激光器功率较大或***要求高，可选用散热片与风扇组合的方式来散热，所用风扇为静音风扇。驱动模块通过MOSFET实现，开关速度快，采用恒流源控制，输出电流稳定，单片控制模块包括模数转换模块、温度控制模块及***接口；所述模数转换模块；所述温度控制模块，用于处理采集到的数据，并根据设定算法分析数据，根据分析结果经***接口输出驱动信号控制半导体制冷片两端电流，从而实现温度控制。

进一步地，温度控制算法为自适应双参数PID算法；根据温度误差的大小改变PID模式和参数且比例积分微分的参数也是根据温度误差进行调节的，以实现快速精准温度控制，所用算法为模糊算法，根据模糊规则进行模糊推理，接着对模糊参数进行解模糊，得出当前PID的各项参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种激光指示装置的自适应温控***，基于自适应PID控制的半导体制冷片的温度控制***，***响应速度快，温度控制精度高，温度调节范围广，同时，结合应用、成本、散热效果方面因素，选用同轴激光器和散热片或散热片与风扇结合的散热方式，参数选择适宜，性价比高，散热安全可靠。

附图说明

图1为激光指示装置自适应温控***示意图；

图2为自适应温度控制***流程图；

图3为激光器自适应温度控制***。

具体实施方式

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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图，本发明提供的一种实施例：图1为激光指示装置自适应温控***的一个实施例，主要包括自适应PID算法、模数转换模块、温度指示模块、功率指示模块、功率检测模块、恒流驱动模块、温度检测装置、半导体制冷片及激光指示装置。当***设定目标温度后，根据所述温度检测装置实时反馈激光指示装置的温度，并由所述温度显示模块实时显示，通过比较得出实际温度与目标温度的误差，经模数转换后，优选地，还可增加数字滤波、稳压电路，进入所述自适应PID算法的输入端，根据设定算法得出控制输出至恒流驱动模块，输出相应电流驱动制冷片制冷/制热，从而实现温度的实时调节。所述自适应PID算法可根据双参数误差值进行控制模式及控制参数的自适应调节，当温度误差较大时，***将自动分离积分，PID算法变为PD算法，实现快速调节；当温度误差较小时，***将自动引入积分，以实现高精度控制。同时自适应PID算法的比例、积分、微分参数根据模糊算法进行调节。

同样的，当功率误差较大时，***将自动分离积分，PID算法变为PD算法，实现快速调节；当功率误差较小时，***将自动引入积分，以实现高精度控制。同时自适应PID算法的比例、积分、微分参数根据模糊算法进行调节。

双参数可分离或同时进行PID控制。图2为自适应温度控制***流程图部分实施例，主要步骤为：当设定***调节温度范围及目标工作温度后，检测装置检测当前温度或功率并由显示装置实时显示，首先，判断当前温度或功率是否超出了设定阈值，即温度或功率范围的上下限，若超出，则不在温度控制模块调节范围内，***进入故障处理模块，并给出相应的报警信息；若未超出温度范围，则进入温度控制模块，温度控制模块根据预先设置的自适应温度调节算法计算出所需输出并将其传送至恒流驱动模块，所述恒流驱动模块输出驱动电流至半导体制冷片进行温度调节。

图3为激光器自适应温度控制***的一个实施例。主要包括：由下而上放置的第一导热块1、半导体激光器2、温度检测装置3、半导体制冷片4、散热装置5，及温度指示装置6、恒流驱动模块7、单片机控制模块8，功率检测装置9和功率指示模块10。其中，所述半导体激光器为同轴封装。所述温度检测装置3功率检测装置9与半导体激光器2紧邻，以保证所测温度的准确性。所述半导体制冷片4的冷面、热面通过具有一定粘性和热传导性的物质，如导热硅脂、导热垫片，分别与第一导热块1和连接，其中半导体制冷片4与散热装置5参数应当匹配，以保障半导体制冷片4足够用的制冷量和其热面的良好散热。所述散热装置，在一个实施例中为散热片，如铝合金散热片、碳化硅散热片；在另一个实施例中为散热片与风扇的组合。所述温度指示装置7主要用于实时显示半导体激光器2当前的温度及当温度超出设定范围后进行故障或警报信息的显示。所述功率指示装置10主要用于实时显示半导体激光器2当前的功率及当功率超出设定范围后进行故障或警报信息的显示。所述恒流驱动模块7为半导体制冷片4提供所需电流驱动。所述单片机控制模块8用以实现温度控制的算法部分。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种激光指示装置的自适应温控***，包括半导体激光器、半导体制冷片、温度检测装置、导热块 、散热装置、温度指示模块、驱动模块及单片机控制模块，其特征在于：所述半导体激光器为同轴封装，半导体制冷片的冷面通过第一导热块与半导体激光器连接，半导体制冷片的热面与散热装置连接，半导体制冷片的两面均涂有导热硅脂或其他导热胶、导热垫片利于热量传递的物质；检测装置用于实时采集半导体激光二极管的温度或功率的光学特性，并将其数据传送至单片机控制模块；指示模块用于指示激光器温度或功率是否为正常工作范围；散热装置可选为导热系数高的散热片来实现良好散热，由于激光指示装置一般激光器功率较小且为电池供电，选用散热片散热为满足需求的最佳方式，若激光器功率较大或***要求高，可选用散热片与风扇组合的方式来散热，所用风扇为静音风扇；驱动模块通过MOSFET实现，开关速度快，采用恒流源控制，输出电流稳定，单片控制模块包括模数转换模块、温度控制模块及***接口；所述模数转换模块；所述温度控制模块，用于处理采集到的数据，并根据设定算法分析数据，根据分析结果经***接口输出驱动信号控制半导体制冷片两端电流，从而实现温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种激光指示装置的自适应温控***，其特征在于：控制算法为自适应三参数PID算法；根据温度误差的大小改变PID模式和参数且比例积分微分的参数也是根据温度误差进行调节的，以实现快速精准温度控制，所用算法为模糊算法，根据模糊规则进行模糊推理，接着对模糊参数进行解模糊，得出当前PID的各项参数。