CN116914556A - 一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统和方法，该系统包括线光谱共焦传感器激光芯片、热沉、制冷系统、散热翅片和单片机，制冷系统包括NTC热敏电阻、热电制冷片和恒压源，线光谱共焦传感器激光芯片安装在热沉上，热沉和散热翅片分别安装在热电制冷片的冷端和热端，NTC热敏电阻安装在热沉上，恒压源与NTC热敏电阻和热电制冷片连接，单片机用于根据NTC热敏电阻的阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值，并在获取的给定温度值与实际温度值的差值小于零时，开启恒压源，以通过热电制冷片对线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制。本发明能够实现制冷功率自适应，从而便于实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

Description

一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统和方法

技术领域

本发明涉及线光谱共焦传感器技术领域，尤其涉及一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统和方法。

背景技术

线光谱共焦传感器的激光光源是一类基于半导体材料的光电子器件，其电流与温度有着密切的关系。光谱域和输出功率等特性参数的变化都与激光器的工作温度有关。线光谱共焦传感器在工作时会产生大量热量，因此会导致激光器温度的升高。当激光器温度超过一定值时，其输出功率和光谱域上色散的线性度将会发生变化，从而影响到激光器的工作性能和测量精度。因此，维持线光谱共焦传感器温度的稳定是保证设备性能和测量精度的必要条件之一。

对于半导体激光器，可以采取多种手段来控制激光器的温度，如加装散热片或散热风扇等主动散热方式，或者采用温度控制电路实现被动控制。通过这些手段，可以有效地控制半导体激光器的温度，并保证半导体激光器的测量精度和稳定性。但是传统的控温散热方式比如散热风扇、循环水冷等不适合用于线光谱共焦传感器，因为这些方法均会带来一定的振动，影响线光谱共焦传感器的测量精度，且传统的控温方式由于功率恒定通常无法很好地控制温度的稳定，对于精准控温方式通常又需要复杂的设备。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，该系统能够实现制冷功率自适应，从而便于实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

本发明的第二个目的在于提供一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，包括：线光谱共焦传感器激光芯片、热沉、制冷系统、散热翅片和单片机，所述制冷系统包括NTC热敏电阻、热电制冷片和恒压源，所述线光谱共焦传感器激光芯片安装在所述热沉上，所述热沉安装在所述热电制冷片的冷端，所述散热翅片安装在所述热电制冷片的热端，所述NTC热敏电阻安装在所述热沉上，所述恒压源与所述NTC热敏电阻和所述热电制冷片连接，所述单片机与所述NTC热敏电阻和所述恒压源连接，所述单片机用于根据所述NTC热敏电阻的阻值确定所述线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值，并将获取的给定温度值与所述实际温度值作差，以及根据差值结果判断是否开启所述恒压源，并在开启所述恒压源时，通过所述热电制冷片对所述线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制。

优选的，所述NTC热敏电阻与所述热电制冷片串联，以实现制冷功率自适应控制，并实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

优选的，所述单片机在所述给定温度值与所述实际温度值的差值小于零时，输出高电平以开启所述恒压源，以便控制所述制冷系统开启。

优选的，所述单片机还用于在所述单片机与所述恒压源连接的端口所采集的信号为低电平时，直接采集获取所述NTC热敏电阻的阻值，并在所述单片机与所述恒压源连接的端口所采集的信号为高电平时，采集获取所述NTC热敏电阻的电压值，并根据所述电压值得到所述NTC热敏电阻的阻值。

优选的，所述热沉上设置有导热硅脂层。

优选的，所述热沉为铜铝合金材质的散热片。

优选的，所述单片机通过外部计算机获取所述给定温度值。

为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法，应用于上述的温控系统，包括：

获取给定温度值和NTC热敏电阻的阻值，并根据所述NTC热敏电阻的阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值；

将所述给定温度值与所述实际温度值作差，并在差值小于零时，开启恒压源，以通过热电制冷片对所述线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制，其中，所述NTC热敏电阻与所述热电制冷片串联接入所述恒压源，以实现制冷功率自适应控制，并实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明将NTC热敏电阻和热电制冷片串联接入恒压源，然后获取NTC热敏电阻的阻值，并根据该阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值，之后根据给定温度值和实际温度值的差值结果控制恒压源开启，以便通过热电制冷片进行温度控制，其中，在线光谱共焦传感器激光芯片温度逐渐降至给定温度的过程中，由于NTC热敏电阻具有负温度系数特性，与其串联的热电制冷片的功率会随之降低，从而可实现制冷功率的自适应控制，进而克服了传统散热方式由于功率恒定导致的温度波动不稳定等问题。

2、本发明提供了恒压源处于不同状态时NTC热敏电阻阻值的获取方法，具体为当恒压源未供电时，直接获取NTC热敏电阻阻值，当恒压源供电时，通过获取NTC热敏电阻电压的方法确定NTC热敏电阻阻值。

3、本发明通过采用热电制冷片控温技术，成功解决了激光电源体积小、设计紧凑等方面的挑战，并且利用NTC热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的这一特性，可以将NTC热敏电阻兼用作温度传感器，省去了复杂的温度测量传感装置。

4、本发明通过单片机连接计算机操作系统，实现了通过操作系统自定义给定温度，使得温控系统的操作更加灵活，进一步提高了温度的可控性。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的制冷系统的结构示意图。

图3为用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法的流程图。

图4为本发明实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统的工作原理图。

图5为本发明实施例的NTC热敏电阻阻值R与温度T的变化曲线图。

图6为本发明实施例的热电制冷片的制冷功率P随温度T的变化曲线图。

图7为本发明实施例的热沉温度下降速率随制冷功率P变化曲线图。

图8为本发明实施例的激光芯片温度下降速率随温度T变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统和方法。

图1为本发明实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统的结构示意图。图2为本发明实施例的制冷系统的结构示意图。如图1-2所示，该用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统包括线光谱共焦传感器激光芯片1、热沉2、制冷系统3、散热翅片4、单片机5和计算机6，其中，制冷系统3包括恒压源7、NTC(负温度系数)热敏电阻8和热电制冷片9，线光谱共焦传感器激光芯片1安装在热沉2上，热沉2安装在热电制冷片9的冷端，散热翅片4安装在热电制冷片9的热端，NTC热敏电阻8安装在热沉2上，恒压源7与NTC热敏电阻8和热电制冷片9连接，单片机5与NTC热敏电阻8、恒压源7和计算机6连接，单片机5用于根据NTC热敏电阻8的阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片1的实际温度值，并将从计算机6获取的给定温度值与该实际温度值作差，以及根据差值结果判断是否开启恒压源7，并在开启恒压源7时，通过热电制冷片9对线光谱共焦传感器激光芯片1进行温度控制。

本实施例中，NTC热敏电阻8与热电制冷片9串联，在制冷的过程中，线光谱共焦传感器激光芯片1的温度逐渐降低，NTC热敏电阻8的阻值逐渐增大，使得与之串联的热电制冷片9分压逐渐减小，从而热电制冷片9的功率也随之减小，降温速率随之减缓，直至降至给定温度附近，由此可实现制冷功率自适应控制，并可实现线光谱共焦传感器激光芯片1温度稳定控制，从而可克服传统散热方式由于功率恒定导致的温度波动不稳定等问题。

本实施例中，单片机5在给定温度值与实际温度值的差值小于零时，会输出高电平以开启恒压源7，从而控制制冷系统开启，使得热电制冷片9对线光谱共焦传感器激光芯片1进行温度控制。

可选的，单片机5还用于在单片机5与恒压源7连接的端口所采集的信号为低电平时，直接采集获取NTC热敏电阻8的阻值，并在单片机5与恒压源7连接的端口所采集的信号为高电平时，采集获取NTC热敏电阻8的电压值，并根据电压值和分压原理计算出NTC热敏电阻8的阻值。由于单片机5与恒压源7连接的端口处于高电平时，会触发恒压源7供电，此时电路带电，不能直接采集NTC热敏电阻8的阻值，所以可通过采集NTC热敏电阻8的电压值并根据分压原理计算得到NTC热敏电阻8的阻值。

可以理解的是，本实施例中的单片机5为带有AD转换(模数转换)功能的处理器。

需要说明的是，本实施例中的热沉2为铜铝合金材质的散热片，其上设置有导热硅脂层。另外，本实施例中的温控系统主要采用热电制冷片9进行控温，所述热电制冷片9是利用塞贝克效应通过在两侧进行热交换，使其中一侧吸收热量，另一侧释放热量来实现制冷。

本实施例中的热电制冷片9具有体积小、结构简单、功率密度高以及制冷效果安全可靠等优点，所以本实施例的温控系统采用该控温技术，可成功解决激光电源体积小、设计紧凑等方面的挑战。另外，本实施例中的热电制冷片9能够在极短的时间内快速移除元器件的热量，使得激光器能够持续高效地运转，避免激光器工作时产生过热的可能性，并可避免发生由于高温引起的器件性能损失和寿命缩短问题。本实施例中的热电制冷片9不仅可以通过改变电流来实现快速的冷却，而且还可以实现精确的温度控制，从而可保证激光器的长期稳定性和可靠性。

进一步的，所述单片机5还连接计算机6。具体而言，单片机5可通过特定的通信协议或接口连接到计算机6等主机操作系统上。当单片机5接受到来自外部的信号或需要响应特定操作时，可通过编写相应的程序代码实现与操作系统的交互，以实现执行特定的任务或处理数据。本实施例中，可通过计算机6中的操作系统给单片机5输入给定温度值。

进一步的，本发明还提供了一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法，该温控方法应用于上述的温控系统。图3为本发明实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤S1：获取给定温度值和NTC热敏电阻的阻值，并根据NTC热敏电阻的阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值。

步骤S2：将给定温度值与实际温度值作差，并在差值小于零时，开启恒压源，以通过热电制冷片对线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制，其中，NTC热敏电阻与热电制冷片串联接入恒压源，以实现制冷功率自适应控制，并实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

具体而言，本实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法具体为采用被动控温结合主动控温的方式实现线光谱共焦传感器激光芯片控温的。如图4所示，用户通过操作系统给单片机输入给定温度值，单片机通过A/D(模/数)转换器实时采集NTC热敏电阻两端电阻值(单片机连接恒压源端口为低电平时)或者电压值(单片机连接恒压源端口为高电平时)，然后根据直接采集的NTC热敏电阻的阻值或者根据电压值和分压原理计算得到的NTC热敏电阻的阻值，以及NTC热敏电阻的阻值与温度关系式计算出线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值。之后，将给定温度值与实际温度值作差，当差值小于零时触发高电平启动制冷系统。在制冷的过程中，线光谱共焦传感器激光芯片的温度逐渐降低，NTC热敏电阻的阻值逐渐增大，使得与之串联的热电制冷片分压逐渐减小，从而热电制冷片的功率也随之减小，降温速率随之减缓，直至降至给定温度附近。由此可实现制冷功率自适应控制，并可实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制，从而可克服传统散热方式由于功率恒定导致的温度波动不稳定等问题。

进一步的，假设NTC热敏电阻选用25℃时电阻值为10Ω，温度系数为6000的热敏电阻，其阻值与温度关系表达式为其中T表示温度，如图5所示为该电阻的阻值R随温度T变化曲线。

进一步地，假设热电制冷片额定参数为15V、3A，为了热电制冷片的功率不超过额定功率，恒压源选择为15V，在不考虑其他能量损失的情况下，热电制冷片的制冷功率P随温度T的变化曲线如图6所示。

进一步地，假设忽略激光芯片即线光谱共焦传感器激光芯片向周围空气中的散热，只考虑通过制冷片散热，且激光芯片温度与热沉温度一致，热沉的体积大小为v＝10cm*10cm*0.1cm＝1×10^-5m³，热沉的比热容为c＝0.45×10³J/(kg·K)，热沉的密度为ρ＝7×10³kg/m³。

进一步地，假设不考虑制冷功率的损失等因素，由公式(其中/>表示温度下降速率，即单位时间内温度下降的度数)可以计算并作出热沉温度下降速率随制冷功率变化曲线，如图7所示。

进一步地，假设热沉温度与激光芯片温度一致，则可以将如图7所示的曲线视为激光芯片温度下降速率随制冷功率变化曲线，进而可以作出激光芯片温度下降速率随温度变化曲线，如图8所示。

进一步地，阶跃函数是对系统稳定性最严峻的挑战，假设激光芯片温度在某一时刻点突然上升至40℃，假设给定温度为25℃，此时给定温度与实际温度的差值小于零，单片机连接恒压源的端口由高电平触发制冷系统开始对激光芯片散热降温，初始时刻温度为40℃，由图8可知，此时激光芯片的降温速率为0.46℃/s，降温较快；当激光芯片温度降至25℃附近时，此时激光芯片的降温速率仅有0.15℃/s，降温较慢，实现了制冷功率的自适应，大大减缓了温度反复波动不稳定等问题。

本实施例的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法系统能够实现制冷功率自适应，从而便于实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制，并且其应用的温控系统具有散热好、操作灵活且可以自定义给定温度的优点。

综上所述，本发明将NTC热敏电阻和热电制冷片串联接入恒压源，然后获取NTC热敏电阻的阻值，并根据该阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值，之后根据给定温度值和实际温度值的差值结果控制恒压源开启，以便通过热电制冷片进行温度控制，其中，在线光谱共焦传感器激光芯片温度逐渐降至给定温度的过程中，由于NTC热敏电阻具有负温度系数特性，与其串联的热电制冷片的功率会随之降低，从而可实现制冷功率的自适应控制，进而克服了传统散热方式由于功率恒定导致的温度波动不稳定等问题；并且，本发明提供了恒压源处于不同状态时NTC热敏电阻阻值的获取方法，具体为当恒压源未供电时，直接获取NTC热敏电阻阻值，当恒压源供电时，通过获取NTC热敏电阻电压的方法确定NTC热敏电阻阻值；另外，本发明通过采用热电制冷片控温技术，成功解决了激光电源体积小、设计紧凑等方面的挑战，并且利用NTC热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的这一特性，可以将NTC热敏电阻兼用作温度传感器，省去了复杂的温度测量传感装置；以及，本发明通过单片机连接计算机操作系统，实现了通过操作系统自定义给定温度，使得温控系统的操作更加灵活，进一步提高了温度的可控性。

需要说明的是，在本文中，诸如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。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，包括：线光谱共焦传感器激光芯片、热沉、制冷系统、散热翅片和单片机，所述制冷系统包括NTC热敏电阻、热电制冷片和恒压源，所述线光谱共焦传感器激光芯片安装在所述热沉上，所述热沉安装在所述热电制冷片的冷端，所述散热翅片安装在所述热电制冷片的热端，所述NTC热敏电阻安装在所述热沉上，所述恒压源与所述NTC热敏电阻和所述热电制冷片连接，所述单片机与所述NTC热敏电阻和所述恒压源连接，所述单片机用于根据所述NTC热敏电阻的阻值确定所述线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值，并将获取的给定温度值与所述实际温度值作差，以及根据差值结果判断是否开启所述恒压源，并在开启所述恒压源时，通过所述热电制冷片对所述线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制。

2.如权利要求1所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述NTC热敏电阻与所述热电制冷片串联，以实现制冷功率自适应控制，并实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。

3.如权利要求1所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述单片机在所述给定温度值与所述实际温度值的差值小于零时，输出高电平以开启所述恒压源，以便控制所述制冷系统开启。

4.如权利要求2所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述单片机还用于在所述单片机与所述恒压源连接的端口所采集的信号为低电平时，直接采集获取所述NTC热敏电阻的阻值，并在所述单片机与所述恒压源连接的端口所采集的信号为高电平时，采集获取所述NTC热敏电阻的电压值，并根据所述电压值得到所述NTC热敏电阻的阻值。

5.如权利要求1所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述热沉上设置有导热硅脂层。

6.如权利要求1所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述热沉为铜铝合金材质的散热片。

7.如权利要求1所述的用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控系统，其特征在于，所述单片机通过外部计算机获取所述给定温度值。

8.一种用于线光谱共焦传感器激光芯片的温控方法，应用于如权利要求1-7中任一项所述的温控系统，其特征在于，包括：

获取给定温度值和NTC热敏电阻的阻值，并根据所述NTC热敏电阻的阻值确定线光谱共焦传感器激光芯片的实际温度值；

将所述给定温度值与所述实际温度值作差，并在差值小于零时，开启恒压源，以通过热电制冷片对所述线光谱共焦传感器激光芯片进行温度控制，其中，所述NTC热敏电阻与所述热电制冷片串联接入所述恒压源，以实现制冷功率自适应控制，并实现线光谱共焦传感器激光芯片温度稳定控制。