CN115494896A - 一种激光器的升温控制方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光器的升温控制方法、装置，该方法首先通过第一感温组件反馈的温度场检测值确定安装槽的温度场的当前温度，然后确定激光器的当前环境温度变化情况，之后依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度确定加热组件在当前温控周期的加热功率，最后依据加热功率控制加热组件在当前温控周期的运行，利用温度场的自散热特性，结合内部加热组件，实现激光器内部恒温，并且采用单向控制来代替TEC的双向控制，简化了驱动方式和恒温方法，可采用常规器件进行制作，能够完全替代TEC调温器件，摆脱对进口器件的依赖，结构和组装工艺便捷，大幅度降低成本，且易于大批量生产应用。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别涉及一种激光器的升温控制方法、装置。
背景技术
近年来，以可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）为基础的甲烷检测技术得到广泛应用，采用可调谐半导体激光器，通过恒温和电流扫描，发出特定波长的窄线宽激光透过甲烷气体，形成吸收峰，采用浓度反演算法计算甲烷浓度。
在实现本申请的过程中，发明人发现，目前用于天然气浓度检测的激光器主要为DFB近红外分布反馈半导体激光器，为使激光器发出稳定波长，激光器内部封装半导体制冷器TEC，配合一定驱动电路驱动TEC制冷或制热，保证激光器达到一定数值恒温目的。但该器件主要产自国外，存在严重依赖进口、成本高、封装工艺复杂等问题；恒温方式采用制热和制冷双向驱动模式，导致驱动方式和恒温方法较复杂。
需要说明的是，本背景技术部分中公开的信息仅用于理解本申请构思的背景技术，并且因此，它可以包含不构成现有技术的信息。
发明内容
本申请的第一个目的在于提出一种激光器的升温控制方法，可采用常规器件进行制作，降低进口器件依赖，大幅度降低成本，简化驱动方式和恒温方法。
本申请的第二个目的在于提出一种激光器的升温控制装置。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种激光器的升温控制方法，所述激光器包括基座、激光组件、加热组件和第一感温组件，所述基座表面设有安装槽，所述激光组件和所述第一感温组件安装于所述安装槽底部，所述加热组件安装于所述安装槽的侧壁上，所述方法包括：通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度；确定所述激光器的当前环境温度变化情况；依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率；依据所述加热功率控制所述加热组件在当前温控周期的运行。
根据本申请实施例提出的激光器的升温控制方法，基于温度场的恒温方法，利用温度场的自散热特性，结合内部加热组件，实现激光器内部恒温，并且采用单向控制来代替TEC的双向控制，简化了驱动方式和恒温方法；激光器所用器件的国产化率高，可采用常规器件进行制作，能够完全替代TEC调温器件，摆脱对进口器件的依赖，结构和组装工艺便捷，大幅度降低成本，且易于大批量生产应用。
根据本申请的一个实施例，通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度，包括：通过所述第一感温组件获取温度场检测值；依据所述激光组件的初始温度和所述加热组件在上一温控周期的加热能量算出所述激光组件的当前温度估计值；依据所述温度场检测值和所述当前温度估计值算出所述温度场的当前温度。
根据本申请的一个实施例，所述激光器还包括第二感温组件，所述第二感温组件安装于所述基座的外侧壁，所述方法还包括：通过所述第二感温组件获取环境温度；确定所述激光器的当前环境温度变化情况，包括：依据上一个测温周期的环境温度确定所述激光器的当前环境温度变化情况。
根据本申请的一个实施例，所述第二感温组件包括多个第二感温单元，多个所述第二感温单元周向均布于所述基座的外侧壁，通过所述第二感温组件获取环境温度，包括：每隔预设的测温周期获取每个所述第二感温单元的环境温度检测值；计算所有所述第二感温单元的环境温度检测值的均值，得到所述激光器的环境温度。
根据本申请的一个实施例，依据上一个测温周期的环境温度确定所述激光器的当前环境温度变化情况，包括：依据上一个测温周期的环境温度和当前测温周期的环境温度算出当前温度变化量；依据所述当前温度变化量和所述测温周期算出当前温度变化率。
根据本申请的一个实施例，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率，包括：依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量；依据所述控制输出量确定所述加热组件的驱动功率。
根据本申请的一个实施例，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量，包括：依据所述当前环境温度变化情况计算PID参数的调整量；依据所述PID参数的调整量、所述温度场的当前温度和预设的目标温度计算当前温控周期的控制输出量。
根据本申请的一个实施例，通过下式计算PID参数的调整量：
其中，
、
、
依次为当前测温周期的比例参数调整量、积分参数调整量、微分参数调整量，etc为当前测温周期的环境温度变化情况，i为测温周期的序号，a为积分参数的常量系数，b为微分参数的常量系数，c为比例参数的常量系数。
根据本申请的一个实施例，通过下式计算当前温控周期的控制输出量M(n)：
其中，
、
、
依次为比例参数的常量系数、积分参数的常量系数、微分参数的常量系数，e(j)为所述目标温度与第j个温控周期的温度场温度的差值，e(n)为所述目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值，e(n-1)为所述目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值，n为当前温控周期的序号。
根据本申请的一个实施例，依据所述控制输出量确定所述加热组件的驱动功率，包括：依据所述控制输出量确定PWM信号的占空比；依据所述占空比计算所述加热组件的驱动功率。
为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种激光器的升温控制装置，所述升温控制装置包括：基座、加热组件、第一感温组件和控制器，所述基座表面设有安装槽，激光组件和所述第一感温组件安装于所述安装槽底部，所述加热组件安装于所述安装槽的侧壁上，所述控制器分别与所述加热组件和所述第一感温组件连接，所述控制器用于通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度，确定所述激光器的当前环境温度变化情况，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率，以及依据所述加热功率控制所述加热组件在当前温控周期的运行。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
图1是本申请一个实施例的激光器的升温控制方法的流程示意图。
图2是本申请一个实施例的激光器的升温控制装置的结构框图。
图3是本申请一个实施例的激光器的三维结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，下文描述的实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的激光器的升温控制方法、装置。
请参阅图1和图3，本申请实施例提出了一种激光器的升温控制方法，其中，激光器L包括基座100、激光组件200、加热组件300和第一感温组件400，基座100表面设有安装槽110，激光组件200和第一感温组件400安装于安装槽110底部，加热组件300安装于安装槽110的侧壁上。
基座100可以为金属结构固定件，激光组件200可以采用激光芯片，加热组件300可以包括多个加热单元，例如包括5个加热单元，加热单元可以采用加热电阻片，5个加热单元可以周向均布于安装槽110的侧壁上，通过加热单元进行热辐射将热量传递至激光组件200和第一感温组件400，第一感温组件400可以采用热敏电阻。
本实施例提出的升温控制方法包括以下步骤S100至步骤S400。
S100，通过第一感温组件400反馈的温度场检测值确定安装槽110的温度场的当前温度。
安装槽110的内侧边缘至中心形成具有一定温度梯度的温度场，通过位于该温度场内的第一感温组件400进行实时温度检测，并且激光器L可以通过自身配置的控制器来算出温度场的当前温度。
具体的，激光组件200和第一感温组件400可以设置于安装槽110底部的靠近中心点的位置，例如激光组件200和第一感温组件400对称设置于安装槽110中心点的两侧且两者相距较近，或者激光组件200和第一感温组件400中的其中一个设置于安装槽110的中心点位置，另一个设置于中心点位置的一侧且两者相距较近。由此，第一感温组件400检测到的温度值可以被视为是温度场的中心温度。
S200，确定激光器L的当前环境温度变化情况。
当前环境温度变化情况可以是上一个测温周期期间的温度变化情况。测温周期为预设的时间周期，并且只针对环境温度，第一感温组件400检测温度场温度是实时的因此不受限于测温周期。由于环境温度的变化程度不会很剧烈，因此测温周期通常较长，例如可以设置为5秒。激光器L可以通过控制器来确定环境温度变化情况。
S300，依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度确定加热组件300在当前温控周期的加热功率。
整个加热过程可以由多个温控周期组成，温控周期为预设的时间周期，且温控周期通常较短，例如可以设置为10毫秒，通过较短的温控周期来增强对加热过程的控制性和准确性，提高响应速度并提升加热控制效果。加热过程采用闭环控制的方式进行，也就是通过上一温控周期的加热情况和加热结果来确定当前温控周期的加热功率，因此各温控周期的加热功率和加热能量不完全不同甚至完全不同。
激光器L可以通过控制器来确定加热功率，确定出的加热功率为当前温控周期的加热功率，在上一个温控周期结束时，也就是本温控周期开始时，即可以算出本温控周期的加热功率，并且该加热功率是通过上一测温周期期间的温度变化情况和温度场当前温度计算得到的。可以理解的是，加热功率可以随温度场当前温度的升高而降低。
目标温度是期望激光组件200能够达到的温度，由于国标中规定了家用燃气检测产品最高使用环境温度为55℃，因此可以将目标温度设置为高于55℃的数值，以适应于家庭场景下的燃气检测。若激光器L使用时的环境温度为55℃，则依旧可以通过加热组件300进行温控。
若上一温控周期的温度场当前温度与目标温度之间相差较大，说明需要使用较大的加热力度；若上一温控周期的温度场当前温度已经达到目标温度，说明只需使用很小的加热力度，甚至可能需要暂时停止进行加热，因此要依据温度场当前温度和目标温度来确定加热功率。同时，由于环境温度的变化也会对加热产生影响，因此也要同时依据上一测温周期的环境温度变化情况来确定加热功率。
由于温控周期可能远小于测温周期，因此在确定出连续多个温控周期的加热功率时所依据的环境温度变化情况，均为同一个环境温度变化情况，但同一个环境温度变化情况确定出的加热功率并非相同，因为温度场的当前温度会随着加热而变化。假设测温周期为5秒，温控周期为10ms，并且某测温周期X1的结束时刻（即测温周期X2的开始时刻）与某温控周期Y1的起始时刻相同，则在确定温控周期Y1～Y500的相应500个加热功率时，依据的环境温度变化情况均为测温周期X1内的环境温度变化情况，当确定出Y500的加热功率时，到达了测温周期X2的结束时刻，则温控周期Y501～Y1000的相应500个加热功率是依据测温周期X2内的环境温度变化情况进行确定，依此类推。
S400，依据加热功率控制加热组件300在当前温控周期的运行。
每个温控周期开始时，依据算出的当前温控周期的加热功率来驱动加热组件300在当前温控周期内进行加热，以通过产生热量并进行热辐射的方式对基座100的安装槽110进行加热。具体的，加热组件300可以包括多个能量单元，通过能量单元控制制热热量的大小，并且，激光器L可以通过控制器来控制加热组件300的运行。
在经过多个温控周期之后，若温度场的当前温度趋近于预设的目标温度，则说明激光组件200当前在固定温度下运行，能够产生固定波长激光。具体可以通过预设的温差阈值来确定温度场的当前温度是否已经趋近于目标温度，温度差阈值被设置为一个很小的数值，可以设置为小于1℃的一个数值，例如0.1℃。用
表示目标温度，用
表示温度场的当前温度，若
，说明温度场的当前温度趋近于预设的目标温度，则确定温度场的当前温度满足加热条件，此时可以继续以极小的加热功率进行加热以保持激光器内部恒温，也可以停止加热直至
时再重新开始启动加热，若停止加热，则
即为加热条件，满足加热条件则开始加热，未满足加热条件则停止加热。
根据本申请实施例提出的激光器的升温控制方法，基于温度场的恒温方法，利用温度场的自散热特性，结合内部加热组件，实现激光器内部恒温，并且采用单向控制来代替TEC的双向控制，简化了驱动方式和恒温方法；激光器所用器件的国产化率高，可采用常规器件进行制作，能够完全替代TEC调温器件，摆脱对进口器件的依赖，结构和组装工艺便捷，大幅度降低成本，且易于大批量生产应用。
在一些实施例中，步骤S100具体可以包括步骤S110至步骤S130。
S110，通过第一感温组件400获取温度场检测值。具体的，第一感温组件400与激光器L的控制器连接，并向控制器反馈采集到的温度数据。
S120，依据激光组件200的初始温度和加热组件300在上一温控周期的加热能量算出激光组件200的当前温度估计值。
激光组件200的初始温度为加热组件300在未开始加热时的温度，也就是激光组件200在常温下的数据。加热组件300的上一温控周期的加热能量是加热组件300从上一温控周期的开始时刻直至上一温控周期的结束时刻（即当前温控周期开始时刻）期间的制热能量，制热能量E的计算公式为：
其中，α为制热效率因子，α的取值范围为：0<α<1，PN为加热组件300在上一温控周期内的加热功率（或称驱动功率），t1是上一温控周期的开始加热时间，t2是上一温控周期的结束加热时间。
激光组件200的温度通过上一温控周期的加热后变为当前温度估计值，在上一温控周期结束时，也就是本温控周期开始时，即可以开始计算激光组件200的当前温度估计值，激光组件200的当前温度估计值的计算公式为：
其中，
为激光组件200的当前温度估计值，
为激光组件200的初始温度，β为激光组件200的传递因子，E为加热组件300上一温控周期的加热能量，m为激光组件200的质量，c为激光组件200的比热容。
S130，依据温度场检测值和当前温度估计值算出温度场的当前温度。
具体的，温度场的当前温度可以是温度场的中心温度，中心温度可以是温度场检测值和当前温度估计值的平均值，即温度场检测值和当前温度估计值之和除以2得到的值。中心温度也可以通过下式计算：
其中，
为温度场的当前温度，
为第一感温组件400获取的温度场检测值，λ为温度场混合因子，λ的数值很小，
为激光组件200的当前温度估计值。可以理解的是，由于各组件的尺寸、材质和位置关系是固定不变的，且处于密封环境中，因此β和λ也是不变的常数。随着加热过程的不断发生，E在发生变化，使得激光组件200的当前温度估计值和第一感温组件400的温度场检测值发生变化，进而使得温度场的当前温度发生变化。
在一些实施例中，激光器还包括第二感温组件500，第二感温组件500安装于基座100的外侧壁。激光器的升温控制方法还可以包括：通过第二感温组件500获取环境温度。步骤S200中确定激光器的当前环境温度变化情况的方式，具体可以是：依据上一个测温周期的环境温度确定激光器的当前环境温度变化情况。
第二感温组件500与控制器连接，并且第二感温组件500可以包括多个感温单元，例如包括3个感温单元，感温单元可以采用加热电阻片，3个感温单元可以周向均布于基座100的外侧壁上。第二感温组件500对于环境温度的获取频次是按照测温周期进行的，可以是在每个测温周期的起始时刻进行环境温度的检测，也可以在每个测温周期中的多个时间点进行环境温度的检测。通过检测到的温度数据来得出激光器在测温周期中的环境温度变化情况。
在一种可能的实施方式中，第二感温组件500包括多个第二感温单元，多个第二感温单元周向均布于基座100的外侧壁。通过第二感温组件500获取环境温度的方式，具体可以是：每隔预设的测温周期获取每个第二感温单元的环境温度检测值，计算所有第二感温单元的环境温度检测值的均值，得到激光器的环境温度。
具体的，第二感温单元可以采用热敏电阻，如图3所示，第二感温组件500可以包括三个第二感温单元。假设在测温周期X2的开始时刻，三个第二感温单元测量得到的环境温度检测值分别为
、
和
，则激光器在测温周期X2开始时刻的环境温度Tc为：
在一种可能的实施方式中，步骤S200具体可以包括步骤S210和步骤S220。
S210，依据上一个测温周期的环境温度和当前测温周期的环境温度算出当前温度变化量。
S220，依据当前温度变化量和测温周期算出当前温度变化率。
具体的，当前温度变化量ΔTc即为当前测温周期的环境温度和上一个测温周期的环境温度之间的差值，测温周期用Δtc表示，则当前温度变化率etc=ΔTc / Δtc。假设在每个测温周期的开始时刻进行环境温度的检测，且Δtc=5s，则每隔5秒就会得到一个环境温度，同时还会算出当前温度变化量。
在一些实施例中，步骤S300具体可以包括步骤S310和步骤S320。
S310，依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量。
S320，依据控制输出量确定加热组件300的驱动功率。
控制输出量为一个常数，用于调整驱动功率，控制输出量越大则驱动功率越大，加热组件300输出的制热能量就越多；控制输出量越小则驱动功率越小，加热组件300输出的制热能量就越少。
在一种可能的实施方式中，步骤S310具体可以包括步骤S311和步骤S312。
S311，依据当前环境温度变化情况计算PID参数的调整量。
S312，依据PID参数的调整量、温度场的当前温度和预设的目标温度计算当前温控周期的控制输出量。
PID参数主要包括比例参数、积分参数和微分参数，通过对PID参数进行调整来调节控制输出量，进而调整驱动功率。
具体的，可以通过下式计算PID参数的调整量：
其中，
、
、
依次为当前测温周期的比例参数调整量、积分参数调整量、微分参数调整量，etc为当前测温周期的环境温度变化情况，i为测温周期的序号，相当于测温次数，a为积分参数的常量系数，b为微分参数的常量系数，c为比例参数的常量系数。
可以理解的是，假设当前时刻为第2个测温周期的开始时刻（即第1个测温周期的结束时刻），i=2，且测温周期为5秒，则当前时刻为从激光器开始运行的第5秒，当前比例参数调整量、当前积分参数调整量、当前微分参数调整量依次为
、
、
，当前环境温度变化情况（当前温度变化率）为etc(2)。
另外，可以通过下式计算当前温控周期的控制输出量M(n)：
其中，
、
、
依次为比例参数的常量系数、积分参数的常量系数、微分参数的常量系数，n为温控周期的序号，相当于温控调节次数，j为温度差值累加过程中的温度周期起始序号，e(j)为所述目标温度与第j个温控周期的温度场温度的差值，e(n)为目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值，
，
为目标温度，
为当前温控周期的温度场温度，e(n-1)为目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值。
可以理解的是，假设当前时刻为第2个测温周期中的某个时刻，并且也是第710个温控周期的开始时刻（即第709个温控周期的结束时刻），且温控周期为10毫秒（即每10毫秒调整一次控制输出量），则当前时刻为从激光器开始运行的第7.1秒，当前比例参数调整量、当前积分参数调整量、当前微分参数调整量依次为
、
、
，目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值
，目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值
。
在一些实施例中，步骤S320具体可以包括步骤S321和步骤S322。
S321，依据控制输出量确定PWM信号的占空比。
控制器采用PWM信号来对加热组件300进行加热功率的调节，得到当前温控周期的控制输出量M(n)之后，可以通过公式G=δ*M(n)计算PWM信号的占空比，其中，G为当前温控周期的占空比，G的取值范围为：0<G<1，δ为比例调节系数，n为温控周期的序号。若当前时刻为第20个温控周期的开始时刻，则G(20)=δ*M(20)。
S322，依据占空比计算加热组件300的驱动功率。
得到占空比之后，可以通过下式计算驱动功率PN：
其中，T为PWM信号的单个周期，f(t)为表征PWM信号的函数，即PWM方波函数，f(t)与占空比G之间相关联。假设当前温控周期为Y10，得到当前温控周期Y10的驱动功率PN之后，即可以在温控周期Y10内均按照PN来控制加热组件300加热。在温控周期Y10结束且下一温控周期Y11开始的时刻，重新开始步骤S100，也就是开始确定温度场的新的温度，在确定温度场的新的温度的过程中，按步骤S120中描述的方式计算制热能量E，此时的t1和t2即为温控周期Y10的开始时刻和结束时刻，通过温控周期Y10的PN算出温控周期Y10的制热能量E，进而得到温控周期Y10的激光组件的温度估计值，进而得到温控周期Y11的温度场中心温度，然后结合环境温度变化情况来确定温控周期Y11的加热功率，以此类推，从而实现闭环控制。
另外，请参阅图2和图3，本申请实施例还提出了一种激光器的升温控制装置10，升温控制装置10包括：基座100、加热组件300、第一感温组件400和控制器600，其中，控制器600在图3中未示出。基座100表面设有安装槽110，激光组件200和第一感温组件400安装于安装槽110底部，加热组件300安装于安装槽110的侧壁上，控制器600分别与加热组件300和第一感温组件400连接，控制器600用于通过第一感温组件400反馈的温度场检测值确定安装槽110的温度场的当前温度，确定激光器的当前环境温度变化情况，依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度确定加热组件300在当前温控周期的加热功率，以及依据加热功率控制加热组件300在当前温控周期的运行。
根据本申请实施例提出的激光器的升温控制装置，基于温度场的恒温方法，利用温度场的自散热特性，结合内部加热组件，实现激光器内部恒温，并且采用单向控制来代替TEC的双向控制，简化了驱动方式和恒温方法；激光器所用器件的国产化率高，可采用常规器件进行制作，能够完全替代TEC调温器件，摆脱对进口器件的依赖，结构和组装工艺便捷，大幅度降低成本，且易于大批量生产应用。
在一些实施例中，控制器600确定安装槽的温度场的当前温度的方式，具体可以包括：通过第一感温组件400获取温度场检测值；依据激光组件的初始温度和加热组件300在上一温控周期的加热能量算出激光组件的当前温度估计值；依据温度场检测值和当前温度估计值算出温度场的当前温度。
在一些实施例中，升温控制装置10还包括第二感温组件500，第二感温组件500安装于基座100的外侧壁。控制器600还用于通过第二感温组件500获取环境温度。控制器600确定激光器的当前环境温度变化情况的方式，具体可以是：依据上一个测温周期的环境温度确定激光器的当前环境温度变化情况。
在一种可能的实施方式中，第二感温组件500包括多个第二感温单元，多个第二感温单元周向均布于基座100的外侧壁。控制器600通过第二感温组件500获取环境温度的方式，具体可以是：每隔预设的测温周期获取每个第二感温单元的环境温度检测值，计算所有第二感温单元的环境温度检测值的均值，得到激光器的环境温度。
在一种可能的实施方式中，控制器600确定激光器的当前环境温度变化情况的方式，具体可以包括：依据上一个测温周期的环境温度和当前测温周期的环境温度算出当前温度变化量；依据当前温度变化量和测温周期算出当前温度变化率。
在一些实施例中，控制器600确定加热组件300在当前温控周期的加热功率的方式，具体可以包括：依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量；依据控制输出量确定加热组件300的驱动功率。
在一种可能的实施方式中，控制器600通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量的方式，具体可以包括：依据当前环境温度变化情况计算PID参数的调整量；依据PID参数的调整量、温度场的当前温度和预设的目标温度计算当前温控周期的控制输出量。
具体的，可以通过下式计算PID参数的调整量：
其中，
、
、
依次为当前测温周期的比例参数调整量、积分参数调整量、微分参数调整量，etc为当前测温周期的环境温度变化情况，i为测温周期的序号，a为积分参数的常量系数，b为微分参数的常量系数，c为比例参数的常量系数。
具体的，可以通过下式计算当前温控周期的控制输出量M(n)：
其中，
、
、
依次为比例参数的常量系数、积分参数的常量系数、微分参数的常量系数，n为当前温控周期的序号，j为温度差值累加过程中的温度周期起始序号，e(j)为所述目标温度与第j个温控周期的温度场温度的差值，e(n)为目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值，e(n-1)为目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值。
在一些实施例中，控制器600确定加热组件300的驱动功率的方式，具体可以包括：依据控制输出量确定PWM信号的占空比；依据占空比计算加热组件300的驱动功率。
需要说明的是，本实施例的激光器的升温控制装置中未披露的细节，请参照本申请的激光器的升温控制方法实施例中所披露的细节，此处不再赘述。
另外，请参阅图3，本申请实施例还提出了一种激光器L，激光器L包括本申请实施例中的升温控制装置，还包括激光组件200，升温控制装置包括基座100、加热组件300、第一感温组件400和控制器，其中，控制器在图3中未示出。基座100表面设有安装槽110，激光组件200和第一感温组件400安装于安装槽110底部，加热组件300安装于安装槽110的侧壁上，控制器分别与加热组件300和第一感温组件400连接，控制器用于通过第一感温组件400反馈的温度场检测值确定安装槽110的温度场的当前温度，确定激光器L的当前环境温度变化情况，依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度确定加热组件300在当前温控周期的加热功率，以及依据加热功率控制加热组件300在当前温控周期的运行。
根据本申请实施例提出的激光器L，基于温度场的恒温方法，利用温度场的自散热特性，结合内部加热组件，实现激光器L内部恒温，并且采用单向控制来代替TEC的双向控制，简化了驱动方式和恒温方法；激光器L所用器件的国产化率高，可采用常规器件进行制作，能够完全替代TEC调温器件，摆脱对进口器件的依赖，结构和组装工艺便捷，大幅度降低成本，且易于大批量生产应用。
在一些实施例中，控制器确定安装槽的温度场的当前温度的方式，具体可以包括：通过第一感温组件400获取温度场检测值；依据激光组件的初始温度和加热组件300在上一温控周期的加热能量算出激光组件的当前温度估计值；依据温度场检测值和当前温度估计值算出温度场的当前温度。
在一些实施例中，升温控制装置10还包括第二感温组件500，第二感温组件500安装于基座100的外侧壁。控制器还用于通过第二感温组件500获取环境温度。控制器确定激光器L的当前环境温度变化情况的方式，具体可以是：依据上一个测温周期的环境温度确定激光器L的当前环境温度变化情况。
在一种可能的实施方式中，第二感温组件500包括多个第二感温单元，多个第二感温单元周向均布于基座100的外侧壁。控制器通过第二感温组件500获取环境温度的方式，具体可以是：每隔预设的测温周期获取每个第二感温单元的环境温度检测值，计算所有第二感温单元的环境温度检测值的均值，得到激光器L的环境温度。
在一种可能的实施方式中，控制器确定激光器L的当前环境温度变化情况的方式，具体可以包括：依据上一个测温周期的环境温度和当前测温周期的环境温度算出当前温度变化量；依据当前温度变化量和测温周期算出当前温度变化率。
在一些实施例中，控制器确定加热组件300在当前温控周期的加热功率的方式，具体可以包括：依据当前环境温度变化情况、温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量；依据控制输出量确定加热组件300的驱动功率。
在一种可能的实施方式中，控制器通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量的方式，具体可以包括：依据当前环境温度变化情况计算PID参数的调整量；依据PID参数的调整量、温度场的当前温度和预设的目标温度计算当前温控周期的控制输出量。
具体的，可以通过下式计算PID参数的调整量：
其中，
、
、
依次为当前测温周期的比例参数调整量、积分参数调整量、微分参数调整量，etc为当前测温周期的环境温度变化情况，i为测温周期的序号，a为积分参数的常量系数，b为微分参数的常量系数，c为比例参数的常量系数。
具体的，可以通过下式计算当前温控周期的控制输出量M(n)：
其中，
、
、
依次为比例参数的常量系数、积分参数的常量系数、微分参数的常量系数，n为当前温控周期的序号，j为温度差值累加过程中的温度周期起始序号，e(j)为所述目标温度与第j个温控周期的温度场温度的差值，e(n)为目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值，e(n-1)为目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值。
在一些实施例中，控制器确定加热组件300的驱动功率的方式，具体可以包括：依据控制输出量确定PWM信号的占空比；依据占空比计算加热组件300的驱动功率。
需要说明的是，本实施例的激光器中未披露的细节，请参照本申请的激光器的升温控制方法实施例中所披露的细节，此处不再赘述。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，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、电子设备以及计算机可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。
Claims (11)
1.一种激光器的升温控制方法，其特征在于，所述激光器包括基座、激光组件、加热组件和第一感温组件，所述基座表面设有安装槽，所述激光组件和所述第一感温组件安装于所述安装槽底部，所述加热组件安装于所述安装槽的侧壁上，所述方法包括：
通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度；
确定所述激光器的当前环境温度变化情况；
依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率；
依据所述加热功率控制所述加热组件在当前温控周期的运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度，包括：
通过所述第一感温组件获取温度场检测值；
依据所述激光组件的初始温度和所述加热组件在上一温控周期的加热能量算出所述激光组件的当前温度估计值；
依据所述温度场检测值和所述当前温度估计值算出所述温度场的当前温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器还包括第二感温组件，所述第二感温组件安装于所述基座的外侧壁，所述方法还包括：
通过所述第二感温组件获取环境温度；
确定所述激光器的当前环境温度变化情况，包括：
依据上一个测温周期的环境温度确定所述激光器的当前环境温度变化情况。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二感温组件包括多个第二感温单元，多个所述第二感温单元周向均布于所述基座的外侧壁，通过所述第二感温组件获取环境温度，包括：
每隔预设的测温周期获取每个所述第二感温单元的环境温度检测值；
计算所有所述第二感温单元的环境温度检测值的均值，得到所述激光器的环境温度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，依据上一个测温周期的环境温度确定所述激光器的当前环境温度变化情况，包括：
依据上一个测温周期的环境温度和当前测温周期的环境温度算出当前温度变化量；
依据所述当前温度变化量和所述测温周期算出当前温度变化率。
6.根据权利要求1、3-5中任一项所述的方法，其特征在于，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率，包括：
依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量；
依据所述控制输出量确定所述加热组件的驱动功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度通过PID算法计算当前温控周期的控制输出量，包括：
依据所述当前环境温度变化情况计算PID参数的调整量；
依据所述PID参数的调整量、所述温度场的当前温度和预设的目标温度计算当前温控周期的控制输出量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过下式计算PID参数的调整量：
其中，
、
、
依次为当前测温周期的比例参数调整量、积分参数调整量、微分参数调整量，etc为当前测温周期的环境温度变化情况，i为测温周期的序号，a为积分参数的常量系数，b为微分参数的常量系数，c为比例参数的常量系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过下式计算当前温控周期的控制输出量M(n)：
其中，
、
、
依次为比例参数的常量系数、积分参数的常量系数、微分参数的常量系数，e(j)为所述目标温度与第j个温控周期的温度场温度的差值，e(n)为所述目标温度与当前温控周期的温度场温度的差值，e(n-1)为所述目标温度与上一个温控周期的温度场温度的差值，n为当前温控周期的序号。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，依据所述控制输出量确定所述加热组件的驱动功率，包括：
依据所述控制输出量确定PWM信号的占空比；
依据所述占空比计算所述加热组件的驱动功率。
11.一种激光器的升温控制装置，其特征在于，所述升温控制装置包括：基座、加热组件、第一感温组件和控制器，所述基座表面设有安装槽，激光组件和所述第一感温组件安装于所述安装槽底部，所述加热组件安装于所述安装槽的侧壁上，所述控制器分别与所述加热组件和所述第一感温组件连接，所述控制器用于通过所述第一感温组件反馈的温度场检测值确定所述安装槽的温度场的当前温度，确定所述激光器的当前环境温度变化情况，依据所述当前环境温度变化情况、所述温度场的当前温度和预设的目标温度确定所述加热组件在当前温控周期的加热功率，以及依据所述加热功率控制所述加热组件在当前温控周期的运行。
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