光纤分布式传感中半导体激光器驱动的设计与研究

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分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度方向连续分布的环境参数,具有分辨率高、误差小等特点。另外,光纤的自身属性优点让光纤传感器能够在很多特殊环境下工作,因此受到了很多工业领域的青睐,使得其市场规模愈加庞大,所以工业的需求变成了推动光纤传感技术发展的主要动力。  一个完整的光纤分布式传感系统,传感器的设计和其性能的实现固然重要,但系统中各个技术环节的应用器件的性能优劣也直接影响着传感的效果。本文以基于布里渊散射、拉曼散射的光纤分布式传感系统为例,详细介绍了传感系统中各个技术环节的应用器件。结合课题的研究重点从工作原理、内部结构对半导体激光器进行了研究,同时分析了半导体激光器的工作特性,验证了工作温度和驱动电流对半导体激光器输出功率的影响。最后设计了半导体激光器的驱动电路和STM32最小系统板,顺利完成了实验室光纤传感系统搭建的激光器光源驱动设计部分。  本文设计的半导体激光器驱动电路主要包括恒流驱动单元、温度控制单元,并采用32位的微控制芯片STM32F103RCT6作为两个单元的统一控制单元。恒流驱动单元选用CXA2610作为驱动电流开关,通过其V-I特性引脚和逻辑引脚共同调节半导体激光器的输入电流。温度控制单元采用经典的PID控制,STM32微控制器连续采集LD内温敏电阻两端的电压,经模数转换变为数字信号,再通过串口上传给上位机就显示出了LD当前的工作温度值。当温控系统采集的温度值偏离设定值时,PID控制会根据采集的温度值与设定值的偏差进行PID运算,然后将一个合适的控制信号输出给STM32,STM32会输出一个具有一定占空比的PWM波形给TEC的温度执行器件L298,L298内部的H桥式电路会根据输入进来的PWM波形来控制输出电流的方向及大小,进而控制TEC制冷或者制热,促使半导体激光器的温度值恢复到设定值,实现动态闭环控制,达到LD的温度控制效果。温度控制系统的控制精度可达到±0.1℃,稳定度可达0.01℃,控制范围15-70℃,温度调节时间可达5-10s。STM32最小系统可独立实现数据上传、信号发生等功能,所以设计了STM32最小系统开发板。
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