摘要
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术由于具有非接触性测量、灵敏度高、
环境适应能力强、高选择性和成本低等特点，目前被广泛应用于大气环境监测、流
DFB
场诊断、工业过程监测、深海溶解气体探测等领域。分布式反馈（）半导体激
光器是基于TDLAS技术的气体传感器中的核心元器件，对温度十分敏感，其输出波
长受到工作温度稳定性的影响，进而影响TDLAS测量系统的精准度。针对此问题，
本文设计了一款高稳定性的激光器温度控制系统。
本文通过对激光器的原理及结构进行研究，制定了系统的设计方案。系统在硬
件方面以STM32H743VIT6微处理器作为核心控制器，以激光器内部集成的负温度
NTC
系数（）热敏电阻为测温元件设计了高精度的温度采集电路，以半导体制冷器
（TEC）为控温元件设计了基于脉冲宽度调制（PWM）技术的TEC驱动电路。考虑
到激光器内部TEC在极端温度环境下控温能力不足，设计添加了二级温控系统。在
--PID
算法方面，系统的温度控制方式采用数字比例积分微分（）控制，相比较模拟
PID控制电路，数字PID参数调节更加灵活，且不受元器件参数漂移与热噪声影响，
抗干扰能力更强。针对DFB激光器的温度响应特性，系统在普通PID控制算法的基
础上提出了改进型的积分分离式PID控制算法和模糊PID控制算法，并研究了PID
参数整定的方法。经实验验证，积分分离式PID控制算法可避免积分环节的无效积
累，改善系统温度的震荡、超调等现象；模糊PID控制算法实验操作流程更加方便
快捷，解决了在不同环境下需要重新进行PID参数整定的问题，两种算法可结合应
用需求相应选择。在软件方面，本文设计了激光器温度控制系统的下位机和上位机
软件，其中下位机负责系统各模块的功能实现，上位机用于数据显示与参数设置。
在完成系统的硬件以及软件设计后，本文对激光器温度控制系统进行了性能测
试，包括温度响应速度测试、温度稳定性测试、温度控制范围测试以及波长稳定性
测试。实验结果表明，在积分分离式PID算法的控制下，激光器温度控制系统的温
15~3513s25
控范围为℃℃，系统响应时间优于，℃下短期温度控制精度达到±
0.002℃，稳定度为0.016%，长期控制精度达到±0.003℃，稳定度为0.022%，且在
0℃~40℃的外界环境下仍可保持温度的稳定性，激光器输出波长的标准差为0.00011
nmPID27s252h24
。模糊控制算法的系统响应在达到稳定状态，℃下短期与长期
h的控温精度都优于±0.007℃，短期温度稳定度为0.054%，长期温度稳定度为0.055%。
激光器温度控制系统性能良好，能够满足TDLAS测量系统对DFB激光器的温度稳
定性要求。
关键词：TDLAS技术；激光器温度控制系统；NTC热敏电阻；TEC；PID控制算法
I
Abstract
TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy(TDLAS)technologyiscurrently
widelyusedinatmosphericenvironmentmonitoring,flowfielddiagnosis,industrial
processmonitoring,anddeep-seadissolvedgasdetectionduetoitsfeaturesofnon-contact
measurement,high