（电路与系统专业论文）半导体激光器恒温控制单元的控制模式与算法研究.pdf

摘要 无论半导体激光器应用在任何领域，总是希望它能长期稳定地工作。半导体激光器 除去激光器本身的性能因素外，造成器件退化和不稳定的因素很多，如环境温度不稳定、 驱动电流波动、频繁的浪涌冲击以及散热等问题。因此半导体激光器的稳恒控制显得极 为重要，半导体激光器稳恒控制系统包括恒电流控制、恒功率控制和恒温度控制三个方 面。本论文属于恒温控制单元的设计与研究范畴。恒温控芾i 单元的控制模式包括线性模 式和开关模式。开关模式与线性模式相比具有效率高、热功耗小的优点。本文的部分内 容是对恒温控制单元驱动模式的分析介绍，但主要工作是对恒温控制单元算法的研究。 激光二极管的工作温度与激光二极管的类型有关。小功率激光二极管可以采用简单 的被动散热；高功率激光二极管阵列一般需要水冷，通过调节循环管道内水流量来达到 温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。若要求激光二极管具有高稳定性， 则需要利用半导体制冷器( t e ct h e r m o e l e c t r i cc o o l e r s ) 作为温控系统的控温执行器 件。目前，许多激光器的温度控制系统都采用t e c 作为温度控制静执行器件。当t e c 通 过直流电流时，由改变驱动t e c 电流的方向来实现制冷或者加热；精密调节致冷器的电 流或电压大小，就可以实现精密温控，这是本文的设计核心部分一智能温度控制部分。 本论文针对用t e c 作为温度控制的执行器件进行恒温控制。恒温控制方法很多，本 文对传统的p i d 控制，现代的模糊控制与模糊自整定p i d 参数控制单元分别进行理论分 析比较，最后确定了f u z z y p i d 半导体激光器恒温控制单元的执行方案。 计算机仿真是对控制系统进行科学研究的十分重要的手段。通过计算机仿真来对比 各种控制策略和方案、优化并确定相关参数、以获得最佳控制效果，这是新型控制策略 与算法研究中必不可少的技术。m a t l a b 中的s i m u l i n k 为复杂的控制系统提供了较为简 化、有效和准确的计算机仿真手段。它是工程控制系统设计的最为有利的助手。本文对 半导体激光器恒温控制单元进行了三种控制方式的分析与计算机仿真，包括；传统的p i d 控制、单纯的f u z z y 控制和模糊自整定p i d 参数控制，最后择优应用。 首先，本文从研究半导体激光器恒温控制系统的意义出发，对国内外半导体激光器 恒温控制器产品现状进行了分析，详细阐述了半导体激光器恒温控制单元的框架结构功 能。然后，为了能让模糊自整定p i d 参数控制方案在半导体激光器的温度控制系统中得 到应用，本文还在热敏电阻的非线性拟合设计中进行了软件编程，利用软件对热敏电阻 的拟合得出了较好的效果。此外，本文针对数据采样部分的电路设计进行改进，并且给 出了相应的实验数据。本文所提出的模糊控制单元也可以推广应用到其它类型的非线性 控制系统中。本论文为半导体激光器温度控制系统的整体设计提供铺垫，但模糊p i d 控 制算法在温度控制系统中的应用需要在进一步的实验中继续研究。 关键词：控制模式；温度控制；p i d 控制；模糊控制：自整定p i d 参数；计算机仿真 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rl a s e rh a v e b e e n a p p l i e d t om a n y f i e l d s ，w ee x c e p ti tc a nw o r ks t a b l yf o ra l o n gt i m e t h ef u n c t i o no f i n f l u e n c ef a c t o rs u c ha st h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r eu n s t e a d ya n d d r i v et h ee l e c t r i cc u r r e n tm o t i o na n dm u l t i f a r i o u sw a v et of l o wo u tp o u n da ta n ds p r e a dh o t e t c p r o b l e m m u s tb et a k ei n t o a c c o u n t t h e r e f o r e ，t h e s t a b l ea n dc o n s t a n tc o n t r o lo f s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ei sr a t h e ri m p o r t a n t t h es t a b l ea n dc o n s t a n tc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s c o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o l ，c o n s t a n tp o w e rc o n t r o la n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h i sp a p e r i s b e l o n g i n gt ot h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t t h ec o n s t a n t u n i t sm o d ei n c l u d e sl i n e ra n d s w i t c h c o m p a r et h e m ，t h es w i t c hm o d ee f f i c i e n c yi sh i g ha n d c o n s u m es m a l l al i t t l ep a r to nt h i sp a p e ri st oi n t r o d u c et h ed r i v e rm o d e t h e t e m p e r a t u r eo f l a s e r - d i o d ei sc o n n e c t e dw i t hi t st y p e t h es m a l l p o w e r o n ec a na d c i p t i np a s s i v es p r e a dt h eh e a t ；t h eh i 曲p o w e ro n ea r m yd e m a n d sw a t e rt oc o l d ，t h i sm e t h o d a c c u r a c yi sl o w a n di n c o n v e n i e n tt ou s e i f r e q u e s t st h el a s e rd i o d eb et h eh i g hs t a b i l i t y ，t h e n w eu s et om a k eu s eo ft h et e ca st h ep e r f o r m a n c ep i e c eo f t e m p e r a t u r ec o n t r o l u n i t ， c u r r e n t l y ，i ti ss o w em a yc h a n g et h ed r i v i n gc u r r e n to f t e c t om a k ec o l do rh e a t ，s ow ec a n g e tp r e c i s et e m p e r a t u r e sc o n t r o l ，t h ei n t e l l i g e n c et e m p e r a t u r ec o n t r o li st h ec o r e i nt h i s t h e s i s ，t o t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，m o d e mo ff u z z yc o n t r o la n df u z z y s e l f t u n i n gp i dp a r a m e t e r sc o n t r o lc a r r i e do nt h ea n a l y s i sr e s p e c t i v e l ya n dc o m p a r e ，o n l yt o g e t t i n gt h ed e s i g nf t l z z y - p i d t h e c o m p u t e r s i m u l i n ki sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec o n t r o ls y s t e m ，i ti st h r o u g hac o n t r a s to f v a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp r o j e c t sa n dm a k es u r et h er e l a t e dp a r a m e t e r ，a c q u i r i n gt h eb e s t c o n t r o lr e s u l t t h es i m u l i n ki nt h em a t l a b p r o v i d e s am e t h o do f s i m p l i f y ，v a l i d ，a c c u r a t e f o rt h em o r ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e t h i sp a p e r sc a r r i e do nt h r e ek i n d ss i m u l i ka b o u t t h es e m i c o n d u c t o ri a s e rc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t ，a n dc h o o s et h ee x c e l l e n tf i n a l l y f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h es i g n i f i c a n c e o fs e m i c o n d u c t o rl a s e ra n da n a l y s e st h e p r o d u c ta c t u a l i t yi nc o u n t r ya n da b r o a d ，d e t a i l e di nt h ef r a m ef u n c t i o no f t h ec o n t r o lu n i t t h e n ，i no r d e rt of u z z ys e l f t u n i n gp i dp a r a m e t e r sc o n t r o lm e t h o dc a nb ea p p l i c e di nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t ，a l s od e m o n s t r a t e si ns o i t w a r ew a y p r o g r a m s h a v eb e e na c c o m p l i s h o ns e n s o rr e s i s t o rn o n - l i n e rc o m p e n s a t i o n i na d d i t i o n ，i m p r o v e dt h ed e s i g ns a m p l eu n i t ，a n d g a v ee x p e r i m e n t d a t a t h i st h e s i s p r o v i d e s t h ec u s h i o nf o rt h eo v e r a l l d e s i g n o ft h e s e m i c o n d u c t o rl a s e rt e m p e r a t u r ec o n t r o l ls y s t e m ，b u tt h ea p p l i c a t i o no f t h ef u z z y p i dc o n t r o l i nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e md e m a n d st ob es t u d i e di nf u r t h e re x p e r i m e n t k e y w o r d s ：c o n t r o lm o d e ；t e m p e r a t u r e c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；p i d ；f u z z ys e l f t u n i n gp i d p a r a m e t e r s ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：量瀣垒 日期：友。口多，口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)、 学位论文作者签名：建超垄 日期：龟：! ：堑 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：里娑垒，二 日 期：撒巨。l 电话： 邮编： 引言 信息技术正在深刻地影响着国民经济和国防建设的各个领域。半导体激光器以其转 换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制、与其它半导体器件集成能力强等 特点，成为信息技术的关键器件。它被广泛应用于光谱、相干通信、激光雷达等领域。 但是，大功率半导体激光器在应用过程中存在这样的问题：微小的电流和温度变化将导 致半导体激光器输出功率的波动。因而，半导体激光器稳恒控制的意义极为重要。稳恒 控制主要包括恒电流控制、恒温控制以及恒功率控制。恒温控制是稳恒控制中很重要的 一个环节。例如，在密集波分复用( d w 删) 系统中，激光束的波长会随着温度变化面变 化。所以，只有保持一个精确稳定的激光器温度，才能无串扰地分辨出每一个波长的激 光信号。虽然半导体激光器是高效率的电子一光子转换器件，但是由于存在各种非辐射、 自由载流子吸收等损耗机制，其微分量子效率只能达到2 0 3 0 ，相当部分注入的电 功率将转化为热量，引起激光器温度升高。许多激光二极管参数，包括波长、阈值电流、 输出功率和寿命等，都与温度相关。所以，工作温度对于激光二极管十分重要，必须给 激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度。恒温控制方法很多，本文就对传统 的p i d 控制，现代的模糊控制与模糊自整定p i d 参数控制系统分别进行理论分析比较， 最后确定了f u z z y p i d 半导体激光器恒温控制单元的执行方案，并进行了计算机仿真， 最后择优应用。 计算机仿真是对控制系统进行科学研究的重要手段。通过计算机仿真来对比各种控 制策略和方案、优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果，这是多年来控制系统设计， 尤其是新型控制策略与算法研究中必不可少的技术。而m a t l a b 中的s i m u l i n k 为复 杂的控制系统提供了简化、有效和准确的计算机仿真手段，它是工程控制系统设计的最 为有利的助手。 激光二极管的工作温度与其类型有关。小功率激光二极管可以采用简单的被动散 热；高功率激光二极管阵列一般需要水冷，通过调节循环管道内水流量来达到温控的目 的，这种控制方法精度不高，使用也不方便。若要求激光二极管具有高稳定性，则需要 利用半导体制冷器t e c ( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r s ) 作为温控系统的控温执行器件。t e c 又称温差电致冷器，当通过直流电流时，热量由组件的冷端吸收并释放到热端，从而起 到调节温度的作用。改变驱动t e c 的电流方向，t e c 可以实现制冷或者加热；精密调节 致冷器的电流或电压大小，就可以实现精密温控。目前，许多激光器的温度控制系统都 采用t e c 作为温度控制的执行器件。本文针对用t e c 作为温度控制的执行器件进行模糊 自整定p i d 参数控制。 此外，为了能让模糊自整定p i d 参数控制方案在半导体激光器的温度控制系统中得 到应用，本文还在热敏电阻的非线性拟合中进行了软件编程，利用软件模拟，得到了较 好的拟合效果。但如何将整个控制单元应用到温控系统中，还需要在实验中继续研究。 1 第一章研究半导体激光器- 匿温控制系统的意义 1 1 温度对半导体激光二极管参数的影晌 ( ) 对波长的影响 在激光二极管泵浦固体激光器中，为实现对激光晶体的谱线耦合，必须调整激光二 极管的输出波长使其与激光晶体的吸收峰值匹配。激光二极管的输出波长主要由其掺杂 浓度、工作电流和工作温度决定。由于有源层材料的禁带宽度随着温度升高而变窄，使 波长向长波方向移动，移动量与器件的结构和有源区材料有关，约为0 2 o 3 n m 。c ， 在电流恒定的隋况下，温度每升高1 ，激光波长将增加大约0 2 o 3 n m 。因此需要将 温度控制在激光器适合的温度下，并使温度起伏小于0 1 ，这样才能使激光器输出稳 定的波长“1 。因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长的严 格要求。 ( 二) 对寿命的影响 正常工作时，大功率激光二极管的热耗很大，约占总功耗的5 0 7 5 。若不能及时 散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。粗略估计，壳 温每升高3 0 。c ，寿命就减少一个数量级。 ( 三) 对输出功率的影响 大功率激光二极管最大输出功率以及功率波动都与温度相关。温度的升高将引起阈 值电流增大，进一步使输出功率下降，功率波动变大。理想情况下，半导体激光器的p i 关系是线性曲线，温度的变化将引起激光二极管的p i 特性曲线非线性畸变闭，这对于 调制激光二极管不利。所以，必须给激光二级管提供恒定而且能够精密调整的工作温度， 才能保证激光二极管稳定地工作。 综上所述，温度对半导体激光器二极管的参数如波长、寿命、输出功率等都有很大 的影响，所以为了激光器的进一步应用，我们需要对其温度的稳定采取相应的控制措施。 那么，目前半导体激光器温度控制系统产品的发展状况如何呢? 下面，我们就来介绍一 下。 2 1 2 国内外半导体激光器温度控制器的现状分析 2 0 世纪9 0 年代中后期，随着i n t e r n e t 的逐步普及，光纤通信整个领域呈现良好的 增长势头。从国外看，世界上很多著名的i t 公司( 如：阿尔卡特光电子、l i n e r 等) 相 继研制成功了各种新型激光光源、光调制器以及光电探测器。这些新科技产品的研制成功 大大推动了光纤通信行业的发展。从国内看，华为、中兴等大型通讯设备制造商都将光纤 通信产品的研究作为公司的战略重点。可以看出，随着光纤网络的飞速发展，市场对光纤 通信器件的需求量将越来越大。作为光电子系统的核心器件，大功率半导体激光器具有极 大的研究、开发意义和市场潜力。对于半导体激光器的恒温控制系统国内外很多公司、 学校及研究所都在进行研究与开发，部分就包括先进的控制算法，且已经获得较好的控 制性能指标。就目前恒温控制系统的国内外现状，我们做以下分析： 1 2 1 国外情况 目前国外恒温控制器产品处于领先水平的有很多，比如w a v e l e n g t h ，i x l i g h t ， t h o r l a b s ，m c s h a n e ，l i n e a rt e c h n o l o g y 等公司。 $ w a v e l e n g t h 公司的恒温控制器产品主要型号有耕系列，p i d 系列，h t c 系列和f p t 系列。 丰i x l i g h t 公司的恒温控制器产品主要型号有l d 5 5 2 5 系列，l d 3 7 0 0 系列。 $ t h o r l a b s 公司的恒温控制器产品主要型号有t e c 2 0 0 0 系列。 m c s h a n e 公司的恒温控制器产品主要型号有5 c 7 系列。 就其控制模式上，其中w a v e l e n g t h 公司的l c p 一3 2 1 5 f 3 】，采用了智能p i 控制方法： t h o r l a b s 公司的t e c 2 0 0 0 系列采用了p i d 控制。其中，以为l c p 一3 2 1 5 和b 5 z e 【4 j 型 复合温度控制器为例，其性能指标分别如下： 主要功能： 1 带智能p i 电路，p 、i 参数可调 2 半导体制冷器具有独立的限流电路 3 线性、低噪、双极性电流源 4 可以任意设置热敏电阻的偏置电流 5 模拟输入，热敏传感器接口 主要技术指标： 1 温度范围：一9 9 + 1 5 0 2 短期稳定度： o 0 0 5 3 ，长期稳定度：( 0 0 0 8 4 半导体制冷器最大输出电流：一1 6a 到+ 1 6a 5 半导体制冷器最大输出功率：1 0w 6 比例增益范围：1 0 5 0 7 积分时间范围：1s 1 0s e 5 z e 型复合温度控制器的性能指标： f u z z yc o n s t a n t s e x t e r n a ld i s t u r b a n c er e s p o n s e e x c e s s i v ev a l u eo s c i l l a t i o ns t a b i l i z a t i o nt i m e f u z z ys t r e n g t hl a r g e r d e c r e a s e si n c r e a s e s m a l l e ri n c r e a s ed e c r e a s e s f u z z ys c a l e1 a n dl a r g e r i n c r e a s ed e c r e a s e sl o n g f u z z ys c a l e2 s m a l l e rd e c r e a s e sl n c r e a s e s h o r t 1 2 2 国内情况 国内智能温度控制器很多，目前功能与技术指标比较先进的有温州上通仪表有限公 司生产的s t 8 0 8 系列智能数字温度控制器【5 1 ，它采用的是模糊控制结合p i d 调节算法a 另外，还有广东容济自动化设备有限公司的c d 4 0 1 c d 9 0 1 1 6 1 单回路温度控制器，c d 4 0 1 c d 9 0 1 主要功能和技术指标如下： 主要功能： 1 最新的自主校正( s a t ) 功能( 可以自动校正p i d 常数自主校正功能) 2 ，大屏l e d 显示 3 加热制冷控制 4 r s 一4 8 5 数字通讯 5 温度报警：加热器断线报警、控制环断线报警 主要技术指标： 1 采样周期：0 5 s e c 一 2 积分时间常数：1 - - 3 6 0 0 s e c 3 微分时间常数：1 - - 3 6 0 0 s e c 1 2 3 结论分析 分析国内外的材料后，我们得出以下结论；国外生产的激光器温度控制系统不仅精 度高( 分辨到0 0 0 1 ) ，稳定性好( 长期稳定性 0 0 0 5 c ) ，而且智能性高。国内生产 的激光器温度控制系统，在测温精度( 0 0 2 c ) 、分辨率( 0 0 0 1 ) 、稳定性( 长期稳 定性 o 1 ) 、可靠性等方面都存在很大的不足【7 】，而且控制算法也有待于完善。半导体 激光器温度控制单元的算法研究与开发不仅可以填补国内空白，而且对于我国光电产业 的发展，有着深远的学术意义和实用价值。 将智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 以非线性控制方式引入到控制器中，使系统在 任何运行状态下均能得到比传统p i d 控制更好的控制性能，这样的系统能控制较复杂的 对象，其复杂性表现在高度的非线形，高噪声干扰以及动突变性等。智能控制能通过不 断调整控制策略和控制参数。使系统从不稳定状态变化到期望的稳定状态捧1 。智能控制 也具有不依赖系统精确的数学模型对控制器参数进行在线自动调整等特点，对系统参数 变化具有较好的适应性。因此，半导体激光器算法的研究是一个具有实际意义的课题。 同时，半导体制冷器( t e c ) 是半导体激光器恒温控制系统的核心器件，对t e c 驱动模式的研究也有很强的应用价值及现实意义e 第二章半导体激光器恒温控制单元的结构与控制模式 2 1 半导体激光器恒温控制单元的结构 如图2 1 所示，温度控制系统的硬件电路由控制部分、数据采样部分、输入输出部 分、驱动部分和报警电路部分组成。控制部分采用单片机a t 8 9 s 5 1 ，它主要完成采样 数据处理，以及根据控制算法计算输出控制量功能：数据采样部分主要完成温度数据 采集的功能；输入输出部分采用键盘和液晶显示模块，由键盘设置所需要的l d 工作 温度值，液晶显示模块同时显示l d 的设置温度和实际温度值；驱动部分采用数字p w m 铝导热板 散热片 风扇 图2 - 1 硬件电路的整体框架图 功率驱动器电路，它为控温执行器件t e c 提供双向的、大小精密可调的驱动电流；报 警电路部分分别采取硬件报警和软件报警。 半导体激光器组件的安装如图2 - 1 所示，激光二极管固定在一块铝导热扳上，铝导 热板打孔安装热敏电阻。半导体致冷器的冷面紧贴与激光二极管相连的铝导热板：半导 体制冷器的热面紧贴一块大散热片，与散热片正对的是5 v 的风扇。这样，半导体致冷 器产生的热量将通过散热片和风扇予以散播。热敏电阻必须给控温系统提供精确的温度 信号。为了提高精确度，安装热敏电阻的孔要尽量小，并用导热硅脂填充空隙。这样， 既能保证良好接触，同时又可以防止热敏电阻的滑动。t e c 和热沉组成的致冷平台不仅 可以为激光器致冷，还可以应用于其他小环境致冷场合。为了保证良好的熟传导特性， 安装组件时应注意以下几点：安装时应尽量增加各组件的接触面积，降低接触热阻，提 高传热效果；在各组件的接触面之闻均匀地涂上一层薄薄的导热硅脂，可以降低热阻 2 5 3 0 ；利用风扇进行强制风冷，应使气流的流向平行于散热器的肋片方向。 半导体激光器温度控制单元的控温过程是：单片机系统将采样温度与设置温度之间 的差值作为输入变量，然后采用模糊、p i d 以及神经网络等控制算法对其计算产生相应 的控制量。控制变量经由数字p w m 功率驱动器产生相应的电流驱动t e c ，对安装在t e c 上的被控器件l d 进行加热或制冷，同时l d 的温度又被热敏电阻反馈到数据采样电路中， 从而调整输出电流的大小，直到l d 的温度稳定在设置的温度点。 控制部分的控制算法和驱动模式在整个温度控制单元中起着非常重要的作用。他们 决定着系统运行的速度、分辨率以及系统的稳定性等性能指标。智能控制算法是控制的 关键，t e c 的数字p w m 功率驱动模式是设计算法的前提与依据，所以，我们首先必须了 解半导体激光器组件的安装和t e c 的一些驱动模式知识，然后再重点对控制算法做进一 步的理论分析和实验。 2 2 采样系统的改进与设计 温度测量已是很成熟的技术，温度敏感元件既有传统的热电偶、热敏电阻等温度传 感器，又有现代的集成温度传感器、数字温度传感器，还有超高温的光学温度传感器， 其中，熟敏电阻和热屯偶是工业生产过程自动化最常用垂勺两种温度传感器，但热敏电阻 由于在测量的灵敏度、线性度等诸多方面均优于热电偶 9 1 ，因此，在中低温测量中得到 了更广泛的应用。 由于本文设计的t e c 制冷器是应用于p i d f u z z y 温度控制单元中，利用输出电流大 小随着采样温度的变化而变化的规律，达至0 温度控制的目的，所以，熟敏电阻采样值的 精确度直接影响控制系统的性能，因此，本文针对采样系统的设计进行改进。 2 2 1 采样系统的改进设计恒流桥电路 使用热敏电阻测温时，常采用桥式测量电路、热敏电阻线性化等处理微小信号的方 法，其缺点是使用传统的不平衡电桥作为电阻温度变送器( 如铜热敏电阻、铂热敏电阻 等) ，在测量电路中存在着桥臂电阻和电桥输出电压之间的非线性问题。除此之外，还 存在自热升温、引线电阻、零点迁移等因素。 在对一些成果进行借鉴的基础上，本论文提出了种新的热敏电阻测量电路，克服 了非平衡电桥桥臂电阻变化与输出电压的非线性关系。这种电路也经常作为单片机的一 种前向通道接口使用，进而构成智能化测量控制仪表，这种新型的热敏电阻测量电路， 具有通用性强、测量精度高、电路简单等特点。在温度测量和控制中起着极其重要的作 用。 ( 一) 电桥非线性分析 如图2 2 所示，在桥臂电阻焉上产生a r 的变化时。电桥输出电压变化为： a u = 1 1 ( r 2 + 歙2 ) - i 2 r 4 ( 2 2 1 ) ，。= 汹+ ( r 2 + 蝇) ( 2 。2 2 ) ， 1 2 = u r 3 + r 4 若r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = r 。， i ( a r 2 2 r ) 得：u 2 百面两 ( 2 2 3 ) ， 综合式子( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 可 图2 - 2 电桥电路 u ，在a r 2 2 r = 3 时，非线性误差1 5 ；在擞：2 r = 1 0 时，非 线性误差可达6 。这当然不能适应高精度测量的要求。显然，上式的分母项是产生非 线性的根本原因，即当r ：发生变化时，该侧桥臂上的电流也相应的发生变化。那么，如 果保证该侧电流恒定，电压与电阻的关系就是线性的。基于这种思路，本文利用恒流源 t i 翮回l二一l 设计了热敏电阻测量电路，下一部分将进行重点说明。 图2 3 左侧为恒流源电路。在理想的情况下，流过n t c ( r ：) 的电流就是一个恒定的 r 图2 3 热电阻测量电路 值，与其他参数无关。恒流源电路由基准电压源l m 3 8 5 、电阻r 及r r 。、p n p 三极管 9 0 1 2 和运算放大器t l v 2 2 5 2 组成，其中r 。选择不同的电阻时，恒流源具有不同的输出。 在图2 - 3 中， r ，r ：半桥的电流。是由串联可调整恒流源提供的稳定电流通过 使用电压跟随器庀。，使r l ，r 2 半桥与马，r 。半桥相互隔离，即电流j i 与r ，r 一半桥 的电流l 无关，而两半桥的电压相等。电桥的各部分电压差分别为：。= r ：，l ， u 。= ( r i + r 2 ) ，= ， u m = 瓦 i u 。， 则电桥输出电压为 u = 【，拈一u 出= 量型垦塑篙睾丢删，电桥的初始平衡状态时，a u = 0 , 即r 2 ( 玛+ r 4 ) 一( 置+ r ：) r 。，设此时r ，= r ：= r 3 = r 。= r 。- 当热敏电阻r ：的阻值因温 度改变而改变时，即r ：= r + 础，电桥偏了原来的平衡状态，此时电桥的输出电压为 ，：生! 丛鱼竺丛鱼墨! ! 二! 墨! 竺三= ! 趔，即u ：l l j s r ，式中为恒定电流， r ，+ r 。 2 1 可见a u 与a r 成线性关系。 盯，和圯组成两个电压跟随器，输入阻抗极高，以保证在测量过程中不影响两个 半桥的电压和电流。电桥的输出为差压，c 。将电桥输出进行放大，令r 。= r ，= r ， r l o = r f = k x r ，最后输出的电压为u 。= k ( u 6 u d ) = k u = k ，2 a r 。所以， l _ 与r 具有线性关系。这样，通过测量u o 就可知热敏电阻的阻值变化，而且完全消 除了传统的不平衡电桥的非线性误差。 ( ：，) 恒流桥法实验结果 实验时用电位器代替热敏电阻，用电阻r = 1 2 0 q 代替基准电压源l m 3 8 5 ，调整恒流 源电流，使为1 l 】a ，选择置o = r f = 1 0 0 r g = 1 0 0 r 9 ，则输出电压u o = o 0 5 a r 。实验 数据如下表： r ，测量 【，d 测量计算 5 r ( q ) 值)值( v )值( v ) 1 0 0 000 0 0 0 0o 1 0 1 0i o0 5 6 0 0o 5 1 0 2 02 01 0 7 8 l1 1 0 3 03 0l ，5 9 0 21 s 1 0 4 04 02 3 5 82 2 5 2 0 1 5 s1 0 0 5 0 0 01 02 03 04 0 z 虫 图2 4 与a r 的线性关系 由实验数据绘出图2 4 ，从图中可以看出u 。与r 呈线性关系。 利用上述方法测量温度，不仅能消除电噪声，而且消除了单纯桥氏电路的非线性。 它具有简单、实用、抗干扰能力强、测量精度高等特点，我们称这种方法为直流桥法。 2 2 2 采样系统设计的改进设想锁相桥法 锁相放大器能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高，而它的核心部件 是相关器( 简称p s d ) 蚓，相关器是由乘法器和积分器组成。乘法器通常采用开关乘法器， 积分器通常由低通滤波器构成。相关器的原理图如图2 5 所示。 设待测信号k o ) = ( f ) + 以( r ) = kc o s 佃；，+ 仍) + 厅( r ) ，其中k ，( r ) 为待测信号中的有 效信号，n q ) 为噪声。参考信号 ( f ) = 咋c o s ( c o ，t + ) ，则经乘法器的输 出信号为( f ) = 圪( f ) 一( f ) ，积分器的输 图2 - 5 锁相放大器原理图 出信号为： = 嬲去i ( r ) + ”( r ) l - 一o ) a t v 。= 能寺l r r ( 小一( r ) + ln ( 咿( r ) 陋= 砖( r ) + ( r ) ， 上式中r 。( f ) ，r 。( f ) 分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函 数。对于r 。( r ) 项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相 9 独立，即经过长时间的积分， r 。( f ) 项为零实际上积分时间不可能无限长，也就是说 实际计算中r 。( r ) 不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大 降低对于也( r ) 项为五，( f ) = 密寺e 一) v ( t ) d t = l 。i m 。2 1 一丁 ( k 一【c o s ( 峨+ q 弦+ ( 仍+ 竹) 】+ 言t 一【c o s ( q q ) f + ( 依十佴) 】 由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频功。十，及差频 ( 珊。一，) 。当，= g o ，时，噪声相关函数r 。( f ) 为零，积分器输出的信号v 。可表示为： v o = 髟l c o s r p ，式中k 为低通滤波器的传输系数，为待测信号与参考信号的相位差。 当待测信号与参考信号同频率时，相关器输出的信号与待测有效信号的幅度v s 有关， 也与相位差有关。调整参考信号的相位办，当咖= 丸时，相关器的输出信号与待测信 号的幅度成正比。总之，由于输入信号o ) 中的噪声疗o ) 与参考信号不相关，经积分器 积分后，噪声被抑制，而有效信号得到放大，因而提高测量的精度。 测量电路图如图2 - 6 所示，交流信号源 产生标准的正弦波信号，正弦波信号一路作 为参考信号直接送相关器，另一路接入电桥 测量电路的h b 两端，r ，和r ，均为1 0 0 0 q 左 右的电阻，r 。为1 0 q 左右的电阻，r t 为待测 的热敏电阻，阻值为几q 到十几q 。由于电 桥a 、b 两端的信号电压值为固定，当热 敏电阻碍所测的温度改变时，将引起电桥c 、 图2 - 6 测量电路图 d 两点的电压的变化，而c 、d 两点的电压就是锁相放大器的被测信号的输入信号。 根据式子= k v , v , c o s p ，在参考信号不变的情况下，相关器的输出电压圪与有线 性系如下：= 【r ，( 砖+ 且。) 一r 2 i ( r 。+ r ：) 】。由于r 3 远大于r ，所以上式可近似 写为= a r f + 6 ，因此圪正比于a r t + 6 ( a ，b 为常数) 。 最后，根据实验测得的数据，作出电压圪与温度t 的关系曲线图，从图中找到经验 公式，再采用如2 3 2 中叙述的最小二乘法处理数据，便可得出圪与温度t 的关系公式。 下面针对输出电压圪与温度t 的关系曲线进行处理，即实现热敏电阻的拟合。 1 0 2 3 热敏电阻的拟合 好的数据拟合方法也能提高测量的精度，拟合有多种方法：最小二乘法、遗传算法、 免疫算法、多项式回归法、神经网络法。而且不同的工具有不同的优缺点：用t c 程 序拟合，吻合好，但很容易溢出；m a t i a b 有现成的语句，比较方便：用o r i g i n 直观。 2 3 。1 热敏电阻的参数介绍 温度传感器依据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号，目前我们常见的温 度传感器主要有热电偶、热敏电阻、r t d 和集成温度传感器。 热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，它是电阻随温度变化的热敏器件， 因此它又可以分为正温度系数热敏电阻( p t c ，电阻值随温度的升高而增大) 和负温度 02 04 06 08 01 0 0 r 图2 7n t c 热敏电阻r t 特性曲线 系数热敏电阻( n t c ，电阻值随温度的升 高而减小) 。 n t c 热敏电阻的典型电阻一一温度 特性曲线如图2 - 7 所示。n t c 在很高的温 度范围( 一般在- - 5 5 3 0 0 c ) 内，电 阻值随温度是按指数规律变化的。n t c 的 主要优点有：电阻温度系数大，灵敏性高： 结构简单，体积小，可测点温度；电阻率 高，热惯性小，适用于动态测量；易于维 护和进行远距离控制；制造简单，使用寿 命长。缺点是非线性严重。 我们在实验中选择了体积小，测温精 度高的n t c 型热敏电阻作为半导体激光 器的温度传感器。根据本实验的测量要求，我们选择了常州精达电子公司的 m f 5 1 c - 3 9 5 0 1 0 3 型负温度系数热敏电阻，它的参数如下： ( 1 ) 标称电阻值r ：。( q ) = i o k ( 热敏电阻在( 2 5 0 2 ) 时的电阻值，其大小由热 敏电阻材料和几何尺寸决定； ( 2 ) 材料常数b 可以由式b l n r ，r - l n r r 。l , t 算：b ( 5 0 c ) ：3 9 5 0 k ； r 兀 ( 3 ) 最大额定功率：2 0 m v 2 5 ，1 5 m v 1 0 0 c ； ( 4 ) 热时间常数： u ，时， 输出u 为低电平；u u ，时，输出u ， 为高电平。这样就将控制信号u 转换 p w m 信号，u 的大小决定p w m 信号的占空比。图2 1 3 是p w m 功率放大器原理的波形图， 其中u ，为控制信号，u 。为输出高电平电压值，u s 为输出电压信号，i t 为三角波信 图2 1 3 脉宽调制原理波形图 号，为p w m 功率放大器的电源电压， 圳，一杀) ，t 钉等， r = 巧= 格为负载 t e c 阻抗，r d 为开关器件的导通阻抗) ， m 0 s f e t 的导通电阻r o 很小。输出波形的占 空岍孚= j - 等r 输出屯压的数学表达就 = oh ，f 0 5 时，总输出电流i 为正向；当q = 0 5 时，总输出电流i 为零；当q 0 5 时，总输 出电流i 为负方向。当目标物体的温度低于设定点温度时，h 桥按t e c 制热的方向以一 定的幅值输出电流；当目标物体的温度高于设定点温度时，h 桥会减少t e c 的电流甚至 反转t e c 的电流方向来降低目标物体温度。当控制环路达到平衡时，t e c 的电流方向和 幅值就调整好了，目标物体温度等于设定的温度。另外，由于 t e c 消耗的功率圪2 ( 簧暑尝警) 2 r l ( 2 - 4 ，2 ) 电源消耗功率斥= 知坠r 。+ 2 r o n = 等等 4 3 ) 由式子( 2 4 2 ) 和( 2 4 3 ) 可以得出 ( ( 2 9 一1 ) ) 2 r 。 电源效孙号2 器2 志 范。 r l + 2 r o u 其中，瓦= ( 2 q i ) t 。由于m o s f e t 的导通电阻r 0 很小，所以由( 2 4 4 ) 我们可以看 出电源效率接近1 0 0 。 由此可见，开关模式的电源效率要远远大于线性模式。所以，在本文论文中我们 选择应用t e c 的开关式h 桥功率驱动电路。 1 9 第三章