專利名稱：數(shù)字式智能溫度控制方法及溫控半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器溫度控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器工作過(guò)程中，其功率、光譜特性等會(huì)隨其溫度變化而發(fā)生改變。在很多應(yīng)用中并不允許這樣的改變，因此需要對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行溫度控制。
傳統(tǒng)的可進(jìn)行溫度控制的半導(dǎo)體激光器采用模擬技術(shù)進(jìn)行溫度的控制，主要由溫度傳感器、三極管、半導(dǎo)體激光器及其致冷器組成。其溫度控制的工作原理是通過(guò)溫度傳感器，將測(cè)得溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號(hào)，并直接用該模擬信號(hào)反饋給三極管，通過(guò)三極管控制半導(dǎo)體致冷器電流或電壓，從而控制溫度的變化。
上述采用模擬技術(shù)控制溫度雖然電路簡(jiǎn)單，但存在諸多的不足之處其一、控制過(guò)程是簡(jiǎn)單的負(fù)反饋過(guò)程，只能應(yīng)付線性的溫度變化。而對(duì)于系統(tǒng)中出現(xiàn)非線性的溫度變化過(guò)程，以及發(fā)生瞬態(tài)的溫度干擾，不具備靈敏的響應(yīng)能力和有效的處理能力。因此溫度波動(dòng)較為明顯，精度不高其二、采用三極管分壓或分流方式控制半導(dǎo)體制冷器的工作電壓或電流，使得功耗大，大多數(shù)功率消耗在三極管上并變?yōu)闊崮埽龢O管需要大面積的散熱片，增加了體積和重量，系統(tǒng)效率低下。
其三、無(wú)法與外部的處理器交換數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的反饋控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服采用模擬溫度控制器的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器不足，提出一種數(shù)字式智能溫度控制方法及溫控半導(dǎo)體激光器，具有溫度控制精度高、可監(jiān)測(cè)溫度突變，效率高、功耗低的特點(diǎn)，同時(shí)具有外部處理器的數(shù)據(jù)輸入輸出接口。
本發(fā)明提出的一種數(shù)字式智能溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集被測(cè)物的溫度并轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)；2)將模擬電壓信號(hào)經(jīng)電壓放大器放大之后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；3)該數(shù)字電壓信號(hào)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、非線性自適應(yīng)算法或非穩(wěn)態(tài)修正算法之中的任意一種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到用于調(diào)節(jié)溫度的控制數(shù)據(jù)；4)該控制數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成比例脈沖信號(hào)，用該信號(hào)控制開(kāi)關(guān)元件按照一定占空比和頻率開(kāi)啟與關(guān)斷，進(jìn)而控制被測(cè)物的致冷器的工作，最終達(dá)到控制被測(cè)物的溫度。
本發(fā)明提出采用上述數(shù)字式智能溫度控制方法的溫控半導(dǎo)體激光器，包括半導(dǎo)體激光器及與其相連的半導(dǎo)體致冷器、散熱器，固定在半導(dǎo)體激光器上的溫度傳感器，其特征在于，還包括與該溫度傳感器的輸出端相連的數(shù)字式智能控溫電路，該控溫電路包括與溫度傳感器相連的前置電壓放大電路，將前置電壓放大電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的微處理器，根據(jù)微處理器處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)生比例脈沖信號(hào)的比例脈寬調(diào)節(jié)器，與比例脈寬調(diào)節(jié)器相連的用于控制半導(dǎo)體致冷器的開(kāi)關(guān)三極管。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明通過(guò)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得溫度的數(shù)字量信息，利用微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)比例脈寬控制的方法對(duì)與被測(cè)物連接的制冷器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式的人工智能型的高精度溫度控制；本方法可監(jiān)測(cè)溫度突變，因此可對(duì)溫度突變產(chǎn)生靈敏的反應(yīng)，并可同時(shí)輸出變異溫值，以了解溫度突變情況，有效防止溫度突變。
本發(fā)明的溫控半導(dǎo)體激光器的溫度控制精度高，效率高，功耗低，同時(shí)具有外部處理器的數(shù)據(jù)輸入輸出接口。


圖1本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的溫度控制電路原理圖。
圖3為本發(fā)明的溫度控制實(shí)現(xiàn)流程框圖。
圖4位本發(fā)明溫度控制器所采用的遺傳算法的流程圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明的數(shù)字式智能溫度控制方法及溫控半導(dǎo)體激光器結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的溫控半導(dǎo)體激光器實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括半導(dǎo)體激光器1及與其相連的半導(dǎo)體致冷器2，散熱器3，固定在半導(dǎo)體激光器上的溫度傳感器4，與該溫度傳感器4的輸出端相連的控溫電路5。
本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器1可采用各種常規(guī)產(chǎn)品并可與常規(guī)的半導(dǎo)體致冷器2、散熱器3產(chǎn)品配套，溫度傳感器4也可采用傳統(tǒng)的常規(guī)產(chǎn)品并用常規(guī)的方式固定在半導(dǎo)體致冷器的適當(dāng)位置。
本實(shí)施例的控溫電路的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括與溫度傳感器相連的前置電壓放大電路，將前置電壓放大電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的微處理器，根據(jù)微處理器處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)生比例脈沖信號(hào)的比例脈寬調(diào)節(jié)器PWM，與比例脈寬調(diào)節(jié)器相連的用于控制半導(dǎo)體致冷器的開(kāi)關(guān)三極管。
本發(fā)明的控溫電路還可包括與微處理器相連將微處理器處理的數(shù)據(jù)送至外部計(jì)算機(jī)的RS232接口芯片，將溫度或其他數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中或者通過(guò)該信號(hào)與其他處理器之間交換數(shù)據(jù)。
以及，本發(fā)明的控溫電路還可包括與微處理器相連將微處理器處理的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行顯示的數(shù)碼顯示管及其控制芯片。
本發(fā)明的微處理器也可采用內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器和比例脈寬調(diào)節(jié)器PWM的單片機(jī)。
本實(shí)施例的工作原理經(jīng)傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)前置電壓放大器進(jìn)行放大后，再經(jīng)過(guò)偏置分壓，送往A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入微處理器(單片機(jī))通過(guò)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生比例脈沖信號(hào)，用以控制開(kāi)關(guān)三極管。例如當(dāng)所測(cè)溫度過(guò)高時(shí)，經(jīng)溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)就高，通過(guò)PWM控制器轉(zhuǎn)換得到的PWM控制信號(hào)的占空比增加，該控制信號(hào)用以控制三極管的開(kāi)關(guān)，從而使半導(dǎo)體致冷器通電的時(shí)間增加，使半導(dǎo)體激光器溫度降低。如此反復(fù)，使溫度無(wú)限逼近最優(yōu)溫度值并在該點(diǎn)保持穩(wěn)定。由于在數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用了人工智能控制算法(本發(fā)明中采用了遺傳算法)，當(dāng)溫度發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，并進(jìn)行有效處理，從而克服了模擬控制系統(tǒng)的主要不足，提高了控制精度。
本發(fā)明的溫度控制方法的實(shí)施例流程如圖3所示，包括以下步驟1)先通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集半導(dǎo)體激光器上的溫度并轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)；2)將模擬電壓信號(hào)經(jīng)前置電壓放大器放大之后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；3)該數(shù)字信號(hào)再經(jīng)微處理器處理得到用于調(diào)節(jié)溫度的控制數(shù)據(jù)；4)再經(jīng)過(guò)PWM控制器產(chǎn)生比例脈沖信號(hào)，該信號(hào)用于控制三極管按照一定占空比和頻率開(kāi)啟與關(guān)斷，進(jìn)而控制半導(dǎo)體致冷器，最終達(dá)到控制被測(cè)物的溫度的目的。
本實(shí)施例還可包括5)通過(guò)與微處理器的串行總線連接的數(shù)碼管控制芯片及數(shù)碼管將溫度或其他數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；6)通過(guò)與微處理器相連的RS232接口芯片輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，該信號(hào)可以與計(jì)算機(jī)連接，將溫度或其他數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中。或者通過(guò)該信號(hào)與其他處理器之間交換數(shù)據(jù)。
上述的微處理器的數(shù)據(jù)處理方法，可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，遺傳算法和非線性自適應(yīng)算法，以及非穩(wěn)態(tài)修正算法之中的任意一種。
其中遺傳算法說(shuō)明如下設(shè)目標(biāo)函數(shù)為F＝f(xi，yi，zi)x，y，z為自變量，(x，y，z)的定義域?yàn)棣?。F為實(shí)數(shù)，是檢測(cè)優(yōu)劣程度和適應(yīng)性的度量。
設(shè)(x0，y0，z0)使得F=f(x0,y0,z0)=max(x,y,z)∈Ωf(x,y,z)]]>采用GA求解(x0，y0，z0)，具體步驟如下2)編碼用一定比特?cái)?shù)的0，1二進(jìn)制碼對(duì)自變量(即A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果)進(jìn)行編碼形成基因碼鏈，每個(gè)碼鏈代表一個(gè)個(gè)體，如x有16種可能取值x0，x1，......x15，則可利用4bit的二進(jìn)制碼0000~1111來(lái)表示將x，y，z的基因碼組合在一起則形成碼鍵。
3)產(chǎn)生群體t＝0，產(chǎn)生n個(gè)個(gè)體形成一個(gè)群體P(t)，該群體代表優(yōu)化問(wèn)題的一些可能解的集合。起初，這些群體難以滿足解的要求，GA便從這些群體出發(fā)，模擬進(jìn)化過(guò)程，擇優(yōu)汰劣，最后選擇出優(yōu)秀的群體和個(gè)體，滿足目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化要求。
4)評(píng)價(jià)按編碼規(guī)則，將群體P(t)中的每個(gè)個(gè)體的基因碼所對(duì)應(yīng)的自變量取值(xi，yi，zi)帶入目標(biāo)函數(shù)式，算出其函數(shù)值Fi，i＝1，2，……，n。Fi越大，表明該個(gè)體有較高的適應(yīng)度，更適合于f所定義的生存環(huán)境，適應(yīng)度Fi為群體進(jìn)化提供了依據(jù)。
5)選擇(復(fù)制)按一定概率從群體P(t)中選出m個(gè)個(gè)體，作為雙親用于繁殖后代，產(chǎn)生新的個(gè)體加入下一個(gè)群體P(t+1)中，一般Pi與Fi成正比。這種選擇就是適應(yīng)度比例算法，即給予適應(yīng)與生存環(huán)境的優(yōu)良個(gè)體更多繁殖后代的機(jī)會(huì)，從而使優(yōu)良特性得到遺傳。此步是GA的關(guān)鍵。
6)交叉(重組)對(duì)于選中的用于繁殖后代的每一對(duì)個(gè)體，隨機(jī)地選擇同一整數(shù)n，將雙親的基因碼鏈再次位置相互交換。交叉可采用多種方式(信息交換方式)。
7)變異以一定的概率Pm從群體P(t+！)中隨機(jī)選區(qū)若干個(gè)體，對(duì)于選中的個(gè)體，隨機(jī)選取某一位進(jìn)行取反運(yùn)算，模擬生物進(jìn)化過(guò)程中基因突變現(xiàn)象(在本發(fā)命中溫度突變即可視為變異)。
8)對(duì)產(chǎn)生的新一代群體返回第(3)步再進(jìn)行評(píng)價(jià)，交叉如此反復(fù)循環(huán)，是群體中個(gè)體的自適應(yīng)度和平均適應(yīng)度不斷提高，直至最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度達(dá)到某一限值或最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度和群體的平均適應(yīng)度不再提高，則迭代過(guò)程收斂，算法結(jié)束。
本實(shí)施例采用上述遺傳算法的數(shù)據(jù)處理方法，其流程如圖4所示，包括以下步驟1)首先將A/D所得的數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行編碼，生成初始數(shù)據(jù)群；2)接著對(duì)數(shù)據(jù)群進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的適應(yīng)值根據(jù)該適應(yīng)值判斷每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)電壓值是否在溫度允許范圍內(nèi)；3)如果該數(shù)據(jù)是溫度允許范圍內(nèi)的溫度所對(duì)應(yīng)的電壓值，就將該數(shù)據(jù)輸出，送往比例脈寬控制器，產(chǎn)生一定占空比的比例脈沖，用以控制三極管；如果該數(shù)據(jù)是溫度突變對(duì)應(yīng)的電壓值，輸出該溫度突變的數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度突變；4)如果該數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的電壓值不在溫度允許范圍內(nèi)，則從中選出與該允許范圍高適應(yīng)性的電壓值的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制；5)將復(fù)制產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉處理以取代原數(shù)據(jù)；6)返回步驟2)再對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，并依次循環(huán)重復(fù)步驟2)至6)；直到得到溫度范圍允許的輸出數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式智能溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集被測(cè)物的溫度并轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)；2)將模擬電壓信號(hào)經(jīng)電壓放大器放大之后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；3)該數(shù)字電壓信號(hào)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、非線性自適應(yīng)算法或非穩(wěn)態(tài)修正算法之中的任意一種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到用于調(diào)節(jié)溫度的控制數(shù)據(jù)；4)該控制數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換成比例脈沖信號(hào)，用該信號(hào)控制開(kāi)關(guān)元件按照一定占空比和頻率開(kāi)啟與關(guān)斷，進(jìn)而控制被測(cè)物的致冷器的工作，最終達(dá)到控制被測(cè)物的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式智能溫度控制方法，其特征在于，所說(shuō)的數(shù)據(jù)處理采用遺傳算法，具體包括以下步驟1)首先將所得的數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行編碼，生成初始數(shù)據(jù)群；2)對(duì)數(shù)據(jù)群進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)的適應(yīng)值根據(jù)該適應(yīng)值判斷每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)電壓值是否在溫度允許范圍內(nèi)；3)如果該數(shù)據(jù)是溫度允許范圍內(nèi)的溫度所對(duì)應(yīng)的電壓值，就將該數(shù)據(jù)輸出，送往比例脈寬控制器，產(chǎn)生一定占空比的比例脈沖，用以控制三極管；如果該數(shù)據(jù)是溫度突變對(duì)應(yīng)的電壓值，輸出該溫度突變的數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度突變；4)如果該數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的電壓值不在溫度允許范圍內(nèi)，則從中選出與該允許范圍高適應(yīng)性的電壓值的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制；5)將復(fù)制產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉處理以取代原數(shù)據(jù)；6)返回步驟2)再對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，并依次循環(huán)重復(fù)步驟2)至6)；直到得到溫度范圍允許的輸出數(shù)據(jù)。
3.一種采用數(shù)字式智能溫度控制方法的溫控半導(dǎo)體激光器，包括半導(dǎo)體激光器及與其相連的半導(dǎo)體致冷器、散熱器，固定在半導(dǎo)體激光器上的溫度傳感器，其特征在于，還包括與該溫度傳感器的輸出端相連的數(shù)字式智能控溫電路，該控溫電路包括與溫度傳感器相連的前置電壓放大電路，將前置電壓放大電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的微處理器，根據(jù)微處理器處理的數(shù)據(jù)產(chǎn)生比例脈沖信號(hào)的比例脈寬調(diào)節(jié)器，與比例脈寬調(diào)節(jié)器相連的用于控制半導(dǎo)體致冷器的開(kāi)關(guān)三極管。
4.如權(quán)利要求3所述的溫控半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述控溫電路還包括與微處理器相連將微處理器處理的數(shù)據(jù)送至外部計(jì)算機(jī)的RS232接口芯片。
5.如權(quán)利要求3所述的溫控半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述控溫電路還包括與微處理器相連將微處理器處理的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行顯示的數(shù)碼顯示管及其控制芯片。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光器溫度控制技術(shù)領(lǐng)域。涉及數(shù)字式智能溫度控制方法及溫控半導(dǎo)體激光器。該方法包括實(shí)時(shí)采集被測(cè)物的溫度的模擬電壓信號(hào)；再轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；采用人工智能算法控制數(shù)據(jù)；再轉(zhuǎn)換成比例脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)元件，進(jìn)而控制被測(cè)物的致冷器的工作，最終達(dá)到控制被測(cè)物的溫度。該溫控激光器包括半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體致冷器、散熱器、溫度傳感器及數(shù)字式智能控溫電路。該控溫電路包括前置電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器、比例脈寬調(diào)節(jié)器及開(kāi)關(guān)三極管。本發(fā)明具有溫度控制精度高、可監(jiān)測(cè)溫度突變，效率高、功耗低的特點(diǎn)，同時(shí)具有外部處理器的數(shù)據(jù)輸入輸出接口。
文檔編號(hào)H05K7/20GK1492551SQ0315447
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者葛晗, 邱虹云, 孫利群, 章恩耀, 萬(wàn)順平, 毛獻(xiàn)輝, 葛 晗 申請(qǐng)人:清華大學(xué)