面向红外气体检测的半导体发光器件温控系统的研究

发布时间：2020-11-04 07:58

　　 煤矿下瓦斯爆炸、CO泄露等安全事件屡次发生,危及人们生命财产的安全。目前,可以利用红外吸收光谱技术检测CO及CH_4等易燃气体,检测仪器的核心器件为红外光源及红外探测器等半导体器件。而温度对红外光源相关参数至关重要,温度发生改变,将直接影响气体检测的准确性。因此,研制高性能的半导体器件温度控制系统是气体检测系统的关键。本论文针对应用于CO及CH_4气体检测的半导体激光器、红外LED等半导体发光器件,设计了温度控制系统。既能够完成对内置半导体制冷器(TEC)的半导体发光器件的温控,又可同时实现在宽环境温度范围内对无TEC及热敏电阻的半导体发光器件的温控。首先,详细介绍了红外吸收光谱技术的原理以及朗伯比尔定律公式推导,同时阐述了PID控制器原理及其参数整定方法,分析了选择积分限幅式PID算法的缘由。其次,设计了面向红外气体检测的半导体器件温度控制电路。针对半导体器件内部有无TEC的情况,设计了不同的TEC驱动方式。硬件部分由两部分组成,第一部分实现对内置TEC的半导体器件的温控,由主控制器、温度采集电路、TEC电流控制电路组成。第二部分实现对无TEC的半导体器件的温控,由辅控制器、温度采集电路、MOS管开关电路以及附加四级TEC组成。此外,设计了按键、通信接口以及液晶显示等电路,便于人机交互。第三,介绍了系统中软件部分,主要包括:主程序、A/D采集、D/A输出、PWM波形产生、积分限幅PID控制、中断及液晶显示等程序以及利用LabVIEW设计上位机。最后,实验验证所研制温度控制系统的性能及可靠性。研制的温度控制系统对内置TEC的半导体激光器的温控精度为±0.01℃,响应时间小于1s,温度稳定性为0.0048℃;在对外置四级TEC的红外光源的温度控制实验中,-18℃、室温、40℃环境下的温控精度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃。利用该温控系统测试1.563μm激光器发射光谱,连续监测5h,激光器峰值输出波长稳定。采用1.653μm激光器,分别利用研制的温控系统和商用温度控制系统进行了甲烷气体检测实验,与商用控制器相比,本文研制的温控仪浓度波动范围更小,获得的检测下限更低。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.7;TN36
【部分图文】：

图 1.2 TED200C 型温度控制器O 公司的产品 PTCC-01-BAS 热电制冷器电流控制器，具有高点，该产品通常与红外探测器配合使用，实物图如图 1.3 所示、三级以及四级 TEC，通过数字 PID 算法实现高精度的温度电流、电压、温度实时监测功能，且能够对过流、过压、过热进参数如下：）输出 TEC 电流：1.2A（二级 TEC）、0.45A（三级/四级 TE）温控精度：±0.01℃）温度稳定性：0.001℃

品通常与红外探测器配合使用，实物图如及四级 TEC，通过数字 PID 算法实现高精、温度实时监测功能，且能够对过流、过：C 电流：1.2A（二级 TEC）、0.45A（三级：±0.01℃性：0.001℃

A-S 以 及 TWK-12V10A 。 如 图 1.4 所 示 ，，其输入电源为直流电源 5～9V，输出电流为 准的控制接口，具有设定温度、检测温度、报警过智能 PID 调节可实现温控精度为±0.01℃，且100℃，但体积较大，外形尺寸达到 200*135*45
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本文编号：2869845