激光器水冷机关键技术研究

论文摘要

激光器水冷机是提供循环冷却水为激光器进行降温的设备。随着激光技术的发展,激光在工业、医疗、国防等领域中广泛应用,半导体激光器(LD)由于具有输出光束质量好、转换效率高、使用寿命长等优点,逐渐成为固态激光器的一个重要种类。但是半导体激光器自身产生的热量严重影响着出光波长、输出功率等输出特性,进而影响半导体激光器的控制精度和使用寿命,因此需要对半导体激光器的温度变化进行严格控制。本课题的以中小功率的半导体激光器的水冷机为研究对象,水冷机采用AT89S52芯片为核心控制器件,采用数字式温度传感器为测温元件,利用了通过改变电流大小和方向来实现制冷和加热的半导体致冷器作为系统执行元件,在控制原理方面,采取了模糊理论和PID控制相结合的方法,利用模糊理论对PID参数进行整定。本论文主要包括以下几个方面:第一,简述了温度对半导体激光器输出特性的影响,介绍了国内外半导体激光器的温度控制的研究进展状况。第二,采用模糊理论和PID控制相结合的方法,利用模糊推理对PID参数进行整定,首先,以临界比例度法确定PID参数的初始值,其次,以实测温度与设定温度之间的偏差以及偏差变化作为水冷机控制器的输入,根据PID各个参数与偏差和偏差变化之间的模糊关系实时调整PID控制中的比例系数、积分时间和微分时间。第三,分别对系统的硬件和软件进行了设计,主要包括温度数据的检测和显示、控制算法的实现和半导体制冷器的驱动等,并对系统的抗干扰问题经行了研究。第四,搭建半导体激光器水冷机的实验平台,对中小功率的半导体激光器进行了多次的温度控制实验研究。通过实验研究表明:本系统在10℃～40℃范围内,测量分辨率高于0.1℃,控制精度高于0.2℃,系统达到稳定的时间大约是3分钟。本课题为中小功率半导体激光器的温度控制提供了一个可行的解决方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 半导体激光器简介
• 1-2 温度对半导体激光器特性的影响
• 1-3 半导体激光器温度控制的国内研究现状
• 1-3-1 国外发展现状
• 1-3-2 国内发展现状
• 1-3-3 综合分析
• 1-4 论文研究主要内容
• 1-5 本章小结
• 第二章 激光器水冷机温控方案研究
• 2-1 激光器水冷机温控方案设计
• 2-1-1 闭环控制系统
• 2-1-2 LD 水冷机温控方案设计
• 2-2 本课题研究方案可行性分析
• 2-3 本章小结
• 第三章 模糊 PID 控制理论和控制算法
• 3-1 PID 控制原理
• 3-1-1 传统的模拟PID 控制原理
• 3-1-2 数字PID 控制原理
• 3-2 模糊控制原理
• 3-2-1 模糊控制系统
• 3-2-2 模糊控制器的组成结构
• 3-3 模糊PID 控制原理
• 3-3-1 模糊PID 控制的结构
• 3-3-2 模糊PID 的控制算法
• 3-4 本章小结
• 第四章 激光器水冷机控制系统硬件设计
• 4-1 微型控制器的选择
• 4-2 温度传感器的选择与电路设计
• 4-3 单片机外围模块的设计
• 4-3-1 显示模块的设计
• 4-3-2 键盘模块的设计
• 4-3-3 数模转换模块的设计
• 4-3-4 通讯模块的设计
• 4-4 制冷模块的设计
• 4-4-1 半导体制冷器简介
• 4-4-2 半导体制冷器驱动电路的设计
• 4-4-3 半导体制冷器使用注意事项
• 4-5 系统硬件的抗干扰措施
• 4-6 本章小结
• 第五章 激光器水冷机控制系统软件设计
• 5-1 初始化模块的设计
• 5-2 显示模块的设计
• 5-2-1 温度传感器DS18B20 的软件控制
• 5-2-2 数字滤波软件的实现
• 5-2-3 数据显示的软件实现
• 5-3 系统控制模块的设计
• 5-3-1 模糊PID 控制算法的软件实现
• 5-3-2 数模转换的软件实现
• 5-4 系统的软件抗干扰措施
• 5-5 本章小结
• 第六章 实验与数据分析
• 6-1 温控实验平台的搭建与调试
• 6-2 实验过程与实验数据
• 6-3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢