CN215181607U - 一种半导体激光温度控制系统及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体激光温度控制系统及设备，系统包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路和温度采集电路；实时操作子系统包括第一通用接口和串行接口，第一通用接口连接至H桥驱动器，H桥驱动器连接至制冷片模块，制冷片模块连接至半导体激光器，半导体激光器连接至温度测量电路，温度测量电路还连接至温度采集电路，温度采集电路连接至串行接口；本实用新型能够有效地解决温度调节控温范围小，响应时间长等问题，提高了控制效率，也能够有效地提高采集温度的精度和稳定性可广泛应用于激光控制技术领域。

Description

一种半导体激光温度控制系统及设备

技术领域

本实用新型涉及激光控制技术领域，尤其是一种半导体激光温度控制系统及设备。

背景技术

半导体激光器是一种使用半导体材料产生受激发射作用的器件，也称为激光二极管(Laser Diode，LD)，通过一定的激励方式，使得载流子处于不平衡状态，在半导体物质及能带间产生粒子反转，当反转的电子超过一定数量同时与空穴重合时，会产生受激发射作用，通过光学谐振腔辐射放大后输出激光，具有尺寸小、效率高、功耗低、可靠性好以及使用寿命长等优点，广泛用于国防军事及工业测试等各个领域，具有很好的应用前景。但是半导体激光器对外界温度的变化敏感，温度变化会影响激光器的阈值电流密度，其中，半导体激光器工作温度和注入的驱动电流会会对激光器的输出功率和波长等造成影响，从而影响器件的性能稳定。因此保证激光器处于稳定的工作状态需要对其温度进行精确稳定的控制。

现有技术针对二极管激光器温度控制的方案，均无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统有较大的波动温度，对系统的稳定工作造成了影响；还存在着使用成本高、功率大、控制效率低等缺点，由于温度变化过程的滞后性致使系统温度波动较大，不利于半导体激光器工作的稳定性；此外，不能实时进行远程检测半导体激光器的工作温度状态和具有报警及系统响应措施的功能。

实用新型内容

为解决上述技术问题之一，本实用新型的目的在于：提供一种控温范围大、响应时间短的半导体激光温度控制系统及设备。

本实用新型所采取的技术方案是：

第一方面，本实用新型提供了一种半导体激光温度控制系统，系统包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路、温度采集电路；

其中，所述实时操作子系统包括第一通用接口和串行接口，所述第一通用接口连接至所述H桥驱动器，所述H桥驱动器连接至所述制冷片模块，所述制冷片模块连接至所述半导体激光器，所述半导体激光器连接至所述温度测量电路，所述温度测量电路还连接至所述温度采集电路，所述温度采集电路连接至所述串行接口。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述温度测量电路包括铂热电阻、第一运算放器和第二运算放大模组；所述第一运算放大器连接至所述铂热电阻，所述铂热电阻还连接至所述第二运算放大模组。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述温度测量电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接至所述第二运算放大模组。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述制冷片模块采用帕尔贴TEC制冷片，所述帕尔贴TEC制冷片的冷端接触所述半导体激光器。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述制冷片模块还包括散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源；所述电热丝辅助热源排布在所述散热片上，散热片的第一端与所述帕尔贴TEC制冷片连接，所述散热片的另一端连接至所述散热风扇。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述H桥驱动器包括若干场效应管和若干半桥驱动器，所述场效应管的栅极连接至所述半桥驱动器，所述场效应管的源极和漏极连接至所述制冷片模块。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述半导体激光温度控制系统还包括通信模块，所述实时操作子系统还包括高速串行接口，所述通信模块连接至所述高速串行接口。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述半导体激光温度控制系统还包括声光报警模块，所述实时操作子系统还包括第二通用接口，所述声光报警模块连接至所述第二通用接口。

在本实用新型的一些可行的实施例中，所述半导体激光温度控制系统还包括按键模块以及显示模块，所述按键模块连接至所述实时操作子系统，所述显示模块连接至所述实时操作子系统。

第二方面，本实用新型提供一种半导体激光温度控制设备，该设备包含了第一方案中任意一个半导体激光温度控制系统。

本实用新型的有益效果是：本申请的实施例通过实时操作子系统控制制冷片模块，能够有效地解决因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等问题，提高了控制效率；同时，通过H桥驱动电路与温度测量、采集电路的协同，有效地提高了采集温度的精度和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的半导体激光器温度控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的温度采集电路的电路原理图；

图3为本实用新型实施例的电热丝辅助热源的驱动电路的电路原理图；

图4为本实用新型实施例的H桥驱动器的电路原理图；

图5为本实用新型实施例的电源模块的电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

第一方面，如图1所示，本实用新型所提供的一种半导体激光温度控制系统，其包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路和温度采集电路；

其中，实时操作子系统包括第一通用接口和串行接口，第一通用接口连接至H桥驱动器的输入端，H桥驱动器的输出端连接至制冷片模块的输入端，制冷片模块的输出端连接至半导体激光器，半导体激光器连接有温度测量电路，该温度测量电路的输出端连接至温度采集电路的输入端，温度采集电路的输出端连接至实时操作子系统的串行接口。

具体地，在本实施例中，实时操作子系统根据接收的控制指令，结合子系统中设置的模糊PID温度调节机制，通过子系统的GPIO接口，即第一通用接口对制冷片模块和H桥驱动器输出脉冲宽度调制(PWM)信号。实时操作子系统采用MCIMX6Y2CVM08AB的工业级CPU，采用KLM8G1GET作为为EMMC芯片，且包含有GPIO、SPI以及MiniPCIE等丰富的接口。H桥驱动器，主要用作制冷片模块的功率开关电路。制冷片模块可以包括制冷片、散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源等器件，用于实现对半导体激光器的加热或制冷的控温功能。半导体激光器，又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，用于输出激光。温度测量电路和温度采集电路则用于测量并采集激光器当前的温度，并将转换温度转换为对应的数字信号，通过SPI接口反馈至实时操作子系统。

在一些可行的实施例中，温度测量电路包括铂热电阻、第一运算放大器和第二运算放大模组。

其中，第一运算放大器连接至铂热电阻的一端，而铂热电阻连接至第二运算放大模组。具体地，如图2所示，本实用新型实施例中，温度测量电路是选用体积小、测量精度高、稳定性好的铂热电阻Pt100，该传感器是利用金属的电阻变化随温度的变化呈线性关系的特点，采用四线制的接线方式，首先使用运放U1将基准电压转换为恒流源，此时Pt100产生的微弱压降信号经过运放U2放大后输送的后续的AD转换测量电路，在本实施例中，第一运算放大器即为运放U1，第二运算放大模组即为运放U2，可以包括运放U2A和运放U2B。实施例中的温度采集电路具有抗干扰能力强、不易受环境的影响。

在一些可行的实施例中，温度测量电路还包括模数转换电路。

其中，模数转换电路的输入端连接至第二运算放大模组的输出端，该模数转换电路将转换后的数字信号传输至后续的其他控制电路或、芯片或器件。具体地，本实用新型实施例的AD转换电路使用TCL2543CN的高速AD转换芯片，12位分辨率，具有66kbps采样率和10us的转换时间，实现了模拟的电压信号转换为数字信号的功能。

在一些可行的实施例中，制冷片模块采用帕尔贴TEC制冷片，帕尔贴TEC制冷片的冷端接触半导体激光器。

具体地，本实用新型实施例采用适用于温度循环应用而设计的帕尔贴TEC制冷片，该制冷片分为冷端和热端，冷端接触半导体激光器，使用导热硅脂粘合。

在一些可行的实施例中，制冷片模块还包括散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源。

其中，电热丝辅助热源排布在散热片上，散热片的一端与帕尔贴TEC制冷片连接，散热片的另一端连接至散热风扇。具体地，在本实用新型实施例中，散热片上布有电热丝辅助热源，冷面使用导热硅脂将散热片粘合，散热片另外一端与散热风扇连接在一块，实施例引入这样的温度调节装置有效地解决了因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等缺点。如图3所示，是实施例中电热丝辅助热源的驱动电路，通过PWM信号调节电热丝的温度以获取合适的热源温度。

在一些可行的实施例中，H桥驱动器包括若干场效应管和若干半桥驱动器。

其中，场效应管的栅极连接至半桥驱动器，场效应管的源极和漏极连接至制冷片模块。具体地，如图4所示，H桥驱动器作为制冷片的功率开关电路，由4个N型MOS管组成，下桥臂的Q2、Q4MOS管导通压降只需使得V_gs>V_th，但上桥臂的MOS管如Q1和Q3的导通压降则需要V_gs>VCC+V_th，因此，本实用新型实施例在半桥驱动器IR2014的VB端接有由电阻R13和R14的分压电路，保证HO输出为高电平时，上桥臂Q1和Q2的GS端有足够的压降能够被导通，实现了对帕尔贴TEC半导体的加热、制冷的控温功能。

在一些可行的实施例中，半导体激光温度控制系统还包括通信模块；实时操作子系统还包括高速串行接口。

其中，该通信模块的输入端连接至高速串行接口即实时操作子系统的MiniPCIE接口。具体地，在本实用新型实施例中，通信模块采用ME3630 4G模块，在LTE模式下可以提供50Mbps上行速率以及150Mbps的下行速率，系统带有Nano SIM接口，接入手机卡可实现与移动终端的4G通信。

在一些可行的实施例中，半导体激光温度控制系统还包括声光报警模块，实时操作子系统还包括第二通用接口。

其中，与第一通用接口相同，第二通用接口为GPIO接口。具体地，在本实用新型实施例中，声光指示模块是指含有声音、指示灯提示电路，当检测到温度异常时，此时声音报警，指示灯快闪。如图5所示，电源模块使用PW2153的降压控制器，调节R25和R26使得输出电压为12V，调节电阻R24使得电源输出最大电流为10A，12V的电压经过SU5-48S05三端稳压器降压为DC5V，DC5V经过ASM1117-3V3的LDO稳压器稳压成DC3.3V，其中电容C9，C10，C11，C12，C13起滤除电源纹波作用，将得到DC12V，DC5V和DC3.3V分别输送到所需的各个硬件模块，完成了不同模块电源的供应。此外，每个电源的状态都有不同指示灯显示，如DC20V、DC12V、DC5V、DC3V3分别用红、绿、黄以及蓝光显示。

在一些可行的实施例中，本实用新型实施例还包括按键模块以及显示模块。

其中，案件模块和显示模块均连接至实时操作子系统。具体地，可以使用按键对PID相关的恒温温度的设定，操作液晶屏对系统温度曲线的实时显示、以及与移动终端的连接状态显示。

综上所示，本实用新型实施例的完整实施过程为：实时操作子系统通过GPIO口产生PWM波调节电热丝辅助热源温度，使用GPIO接口通过条件判断实现对声音模块和LED光模块的控制，使用SPI接口完成对AD模块的采样读取，使用GPIO口完成对按键和液晶屏的功能操作，使用按键对PID相关的恒温温度的设定，操作液晶屏对系统温度曲线的实时显示、以及与移动终端的连接状态显示。在按键设定控温温度之后，依据当前接收的温度数据和拟设定的温度值的误差、误差率使用模糊推理机制，如模糊化处理、模糊推理、解模糊化，实现PID的三个调节参数Kp、Ki、Kd的设定，使用改进的PID算法，如引入了积分分离方法，当被控量与设定温度值有较大的偏差时，取消积分作用；当被控量接近设定温度值时，引入积分控制，以消除静态误差，提高精度；引入了变积分方法，改变积分项的累加速度，如果偏差越大，积分越慢；反之，积分越快；引入抗积分饱和方法，判断控制量是否超出给定的极限范围，若控制量大于给定的极限范围，则只累加负偏差；若控制量小于给定的极限范围，则只累加正偏差，优化PID整体性能，改变PWM占空比进行反馈调节，能够使得帕尔贴TEC半导体在一定的温度范围内得到精确控制，此外，使用MiniPCIE接口操作ME3630 4G模块完成与移动终端的4G通信；移动终端APP实现与下位机之间的4G通信的信息收发功能，实现终端能远程实时监控系统的工作温度曲线和发送系统命令，包括有强制暂停和开启运行系统等功能，同时如果监测到系统工作环境温度异常，会将此次的异常数据以日志的形式保存在移动终端，更便于后期的问题排查和系统的改进。

第二方面，本实用新型的实施例还提供一种半导体激光温度控制系统设备，其包括了至少一个如第一方面中描述的半导体激光温度控制系统。

综上所述，本实用新型与现有技术相比，具有以下的特点或优点：

1.本实用新型提出了一种新的帕尔贴TEC半导体装置，包含有帕尔贴TEC制冷片、散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源等，引入了基于PWM调节的电热丝辅助热源，有效地解决了因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等问题，提高了控制效率；

2.本实用新型在帕尔贴TEC半导体H桥驱动电路中，为了解决上桥臂的NMOS管GS导通压降问题，在半桥驱动器IR2014的VB端引入了电阻分压电路，保证了当HO端输出为高电平时，上桥臂Q1和Q2的GS端有足够的压降能够被导通，有效地实现了对帕尔贴TEC半导体的加热、制冷的控温功能；

3.本实用新型的温度采集电路使用的是高精度、稳定性好的铂热电阻Pt100，采用四线制的接线方式和具有强抗干扰能力的恒流源式，有效地提高了采集温度的精度和稳定性；

4.本实用新型激光半导体控温系统包含有温度调控、按键输入、屏幕显示、声光报警、4G远程通信等齐全功能，使得整个系统人机交互友好，使得该系统一方面温度调控正常进行，一方面实时监控系统环境温度并进行曲线显示，当系统环境温度连续一段时间出现异常值，此时进行声光报警提示，同时还可以通过系统命令强行关闭系统，并在移动终端记录这条异常信息，方便后续的问题排查和系统改进。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一实施方式”或“某些实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路和温度采集电路；

所述实时操作子系统包括第一通用接口和串行接口，所述第一通用接口连接至所述H桥驱动器，所述H桥驱动器连接至所述制冷片模块，所述制冷片模块连接至所述半导体激光器，所述半导体激光器连接至所述温度测量电路，所述温度测量电路还连接至所述温度采集电路，所述温度采集电路连接至所述串行接口。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述温度测量电路包括铂热电阻、第一运算放大器和第二运算放大模组；所述第一运算放大器连接至所述铂热电阻，所述铂热电阻还连接至所述第二运算放大模组。

3.根据权利要求2所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述温度测量电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接至所述第二运算放大模组。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述制冷片模块采用帕尔贴TEC制冷片，所述帕尔贴TEC制冷片的冷端接触所述半导体激光器。

5.根据权利要求4所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述制冷片模块还包括散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源；所述电热丝辅助热源排布在所述散热片上，散热片的一端与所述帕尔贴TEC制冷片连接，所述散热片的另一端连接至所述散热风扇。

6.根据权利要求1所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述H桥驱动器包括若干场效应管和若干半桥驱动器，所述场效应管的栅极连接至所述半桥驱动器，所述场效应管的源极和漏极连接至所述制冷片模块。

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述半导体激光温度控制系统还包括通信模块，所述实时操作子系统还包括高速串行接口，所述通信模块连接至所述高速串行接口。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述半导体激光温度控制系统还包括声光报警模块，所述实时操作子系统还包括第二通用接口，所述声光报警模块连接至所述第二通用接口。

9.根据权利要求8所述的一种半导体激光温度控制系统，其特征在于，所述半导体激光温度控制系统还包括按键模块以及显示模块，所述按键模块连接至所述实时操作子系统，所述显示模块连接至所述实时操作子系统。

10.一种半导体激光温度控制设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-9任一项所述的一种半导体激光温度控制系统。

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