时分复用光纤光栅传感阵列中DFB激光器的高精度温控设计*

1 DFB的温控方案

TDM-FBG传感阵列使用SLT5411型DFB激光器［7］，25 ℃时中心波长为 1 544.53 nm，波长随温度的最大漂移为0.2 nm/℃，温度变化10℃时波长将漂移2 nm。假设工作时环境温度为25℃，并有可能利用温度效应对DFB的输出波长进行微调，因此确定以25℃为中心的目标温控范围。目标温控范围设置过大，不利于温控精度的提高，范围太小则会限制激光器波长的调节。因此以25℃为中心，选择15℃～35℃作为激光器的目标温控范围。

选择ADI公司的高效率低功耗半导体制冷(TEC)控制器ADN8830为核心来设计DFB的温控电路，设计方案如图1所示［8－11］。DFB的温度由其内部紧贴管芯安装的负温度系数(NTC)热敏电阻测量后转换为电压值，称为测量温度电压;设定的DFB温度同样可以用一个电压来代替，由DAC模拟输入或者分压电路获得，称为设定温度电压。这两个电压通过ADN8830内部的温度测量和补偿放大器进行比较后得到一个电压差，由高增益放大器对这个电压差值进行放大，并使用比例积分微分(PID)补偿网络对DFB温度变化引起的相位延迟进行补偿，最后由ADN8830的PWM和线性控制器控制两组金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成的H桥的截止与导通，驱动DFB内部的TEC对DFB进行制冷或加热。同时DFB的温度再通过热敏电阻测量并反馈到ADN8830进行修正，形成一个闭环控制系统，最终使DFB温度达到设定温度值。

图1 DFB的温控方案

在温度显示部分，提出使用一个单刀双掷开关在测量温度电压和设定温度电压之间切换，再通过A/D电压采集电路、单片机数据处理电路、数码管显示电路等显示温度值或电压值。

2 温控电路设计

2.1 温度的测量与设定

图2 温度测量和设定电路

热敏电阻的测量温度电压要和设定温度电压进行比较后送入ADN8830的误差放大器，因此可将温度测量电路和温度设定电路构成一个电桥，如图2所示。电桥平衡，激光器的温度等于设定温度;电桥不平衡，电桥的两端会输出一个电压差，实时送入温控电路进行温度调节。串联电阻RX和热敏电阻RT构成了电桥的右半桥，作为温度测量电路，测量激光器温度时热敏电阻RT产生的分压输入到ADN8830的热敏电阻反馈输入端PIN2;RX和可调电阻R2构成了电桥的左半桥，作为温度设定电路，可调电阻R2获得的分压输入至ADN8830的目标温度输入端PIN4。ADN8830的2和4引脚是差分放大器的两个输入端，VREF为芯片提供稳定的2.5 V参考电压。RX采用精度为0.1%的高精度、高热稳定性精密电阻，R2采用调节精度为1%的精密滑动变阻器。在目标温控范围15℃～35℃内热敏电阻的阻值为6.541 kΩ～15.745 kΩ。为使设定温度也在这个范围内，R2的调节范围为0～20 kΩ。RX的值将在热敏电阻线性化中进行确定。

2.2 热敏电阻线性化

热敏电阻通常指负温度系数(NTC)热敏电阻，其阻值和温度的关系可表示为

式中 T=t+273.15(T为开尔文温度 K，t为摄氏度℃)，RT、R0分别是被测温度T和参考温度T0的热敏电阻值，B为热敏电阻的材料常数。实验用DFB内封装的热敏电阻在25℃即T0=298.15 K时，R0=10 kΩ，B=3 900 K。

由图2中RX和RT构成的温度测量半桥电路可得热敏电阻分压

其中U为VREF参考电压。式(1)中电阻－温度曲线是非线性的，因此式(2)中代表温度信息的热敏电阻分压U(T)和温度T之间也是非线性的。通过选择合适的串联电阻RX可使温控范围内的热敏电阻分压与温度近似为线性关系［12］。

图3 热敏电阻分压与温度关系

由式(2)知，低温区热敏电阻分压U(T)趋近于U，高温区U(T)趋近于0，如图3所示。U(T)曲线中存在一个拐点，设为P点，离P点愈近，曲线的线性度越好。以P为中心的一定温度范围内，U(T)和T近似呈线性关系。如果使温控范围的中点25℃与P点温度TP重合，则在TP附近可得到线性度好且灵敏度高的U(T)。

为得到串联电阻RX的最佳值，将式(1)代入式(2)，求关于T的二阶导数，令其为零，整理得

当T=TP=25℃时，得到RX=7.348 kΩ，即为串联电阻RX的最佳值。将温控范围15℃ ～35℃四等分得到 Ta=15℃、Tm=20℃、Tp=25℃、Tn=30℃、Tb=35℃ 5个等分点，直线an的斜率最接近线性化直线的斜率，即

其中U(Tn)和U(Ta)分别为Tn和Ta测温点对应的分压。将TP代入式(2)可得U(Tp)=1.441 V，因此斜率为k且过P点的直线方程VL(T)为

对于15℃ ～35℃的温控范围，Ta=288.15 K，U(Ta)=1.705 V，Tn=303.15 K，U(Tn)=1.575 V，且 Tp=298.15 K，B=3 900 K，U=2.5 V，代入式(5)得到线性化方程

在温控范围内将线性化方程曲线和原始分压－温度曲线进行比较，如图4所示，线性化误差不大于0.2%，可满足温度显示部分对热敏电阻的线性化要求。

图4 线性化曲线和原始分压－温度曲线比较

2.3 PID补偿回路

PID 是比例(P)、积分(I)、微分(D)三个单元的综合。PID补偿回路能有效提高温控系统的响应速度和控制精度。ADN8830内置一个专用放大器来作环路补偿，只需在芯片外部搭建由电容和电阻构成的补偿网络，如图5所示。由于采用的是硬件PID补偿网络，因此在温度的动态控制过程中，针对不同设定温度，通过调节PID网络的参数可以达到最佳温控效果。

图5 PID补偿网络

2.4 TEC的H桥驱动

ADN8830内置了PWM控制器和线性放大器，PWM输出使用P1和N1，线性输出使用P2和N2，需要外部MOSFET来驱动OUT A和OUT B，即TEC的正负极。

采用Fairchild公司的FDW2520C型MOSFET芯片，芯片内封装了两个互补型的P沟道和N沟道功率 MOS管，因此 TEC的驱动 H桥使用两片FDW2520C即可，如图6所示。TEC连接在H桥的中间，ADN8830根据采集到的温度参数，输出电压使Q3和Q1的MOS管导通，Q2和Q4的MOS管关闭，即有电流从TEC+流向TEC－;反之，控制Q2和Q4导通，Q1和Q3关闭，电流从TEC－流向TEC+，这样就实现了TEC的制冷和制热。

图6 H桥电路

2.5 温度电压采集与显示

用单片机对热敏电阻的分压－温度线性化方程进行处理，显示激光器的温度。温度测量电路得到的热敏电阻分压是一个模拟量，需要AD转换为数字量才能进行温度显示。AD采集电压参数时，使用了一个单刀双掷开关，如图7中S2所示。设定温度时，开关打到定温端，同时调节精密变阻器R24直到显示需要的设定温度，再将S2切换到测温端显示DFB的实时温度，这样就完成对温度设定和温度测量的操作。

图7 温度电压采集电路

3 测试与分析

3.1 测试

首先测试TDM-FBG传感阵列使用的DFB激光器的温漂特性。在未加温控时，通过DFB内热敏电阻的值计算出温度，并使用光谱仪测量对应的激光器输出波长，如图8所示，线性拟合后得到直线的斜率为0.098 nm/℃，即温度每变化1℃，DFB中心波长漂移 0.098 nm，小于资料给出的最大温漂0.2 nm/℃［6］。

图8 DFB激光器的温漂曲线

温控电路设计完成后，需对温控效果进行测试。根据激光器的温漂特性，为了对激光器输出波长进行微调，将最终的目标温度设定为23.5℃，让温控电路从室温对DFB的温度进行调节，每隔2 s记录一次数据，180 s之后目标温度在(23.5±0.04)℃范围内变化，因此最终的温控精度为±0.04℃，温控曲线如图9所示。可以看出目标温度在前180 s内有较大的振荡，随时间的增加振荡幅度逐渐缩小，180 s之后逐渐趋于稳定。

图9 温控电路的温度测试曲线

3.2 分析

由于TDM-FBG传感阵列是通过检测FBG反射谱和DFB中心波长之间的相对移动导致反射光功率的变化来测量应变，DFB波长随温度的漂移会大大增加系统的测量误差，并使激光器的中心波长与FBG反射谱的中心波长不匹配。1.55 μm的FBG波长应变灵敏度为1.15 pm/με［13］，假设 FBG 所处的环境温度不变且未加应变，DFB的最大温漂为0.2 nm/℃，理论计算可得±0.04℃的温控精度导致的漂移误差为±8 pm，对应的应变测量误差为±7 με。DFB实测温漂仅为0.098 nm/℃，这说明温控后激光器温度变化引起的应变测量误差仅为±3.4 με左右。

4 结论

为了满足TDM-FGB传感阵列的要求，完成了基于ADN8830的高精度DFB温控设计，包括温度测量与设定、热敏电阻线性化、PID补偿、MOSFET构成的H桥驱动、温度电压采集与显示等。以23.5℃为最终目标温度进行了测试，180 s内DFB温度稳定在(23.5±0.04)℃，温控后激光器温度变化引起的应变测量误差为±3.4 με 左右。

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