一种微腔光子测温系统和方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种微腔光子测温系统和方法。


背景技术：

2.传统的电子传感器，例如铂电阻温度计，外界环境对它的影响很大，振动、氧化、污染、电磁干扰都会影响其测量准确度，导致其稳定性和准确度依赖于频繁校准，很难应用于高准确度的测量，相比之下，光学微腔传感器具有电磁免疫的优点，因而可以适用于极端的工作环境，其高性能决定它将会为物联网在高精度测量领域和特殊极端场合的应用带来突破。
3.目前，回音壁模式光学微腔广泛用于单纳米尺度颗粒物检测以及各种微腔环境物理参数传感中，如温度、磁场、应力以及陀螺仪等。回音壁模式的微腔可以做成具有物联网控制功能的高灵敏度温度传感器并用于航空测绘、资源勘探、石油化工领域等等。
4.如图1所示，现有系统包括分布式激光器(dbr)、激光二极管(ld)驱动、热电冷却器(tec)驱动、光电探测器、自制的互阻抗放大器(tia)电路等。dbr激光器包括tec、热敏电阻和监测光电二极管。激光电流驱动器和tec驱动器用于稳定激光频率，两者都可用于调制或扫描激光波长。该传感器在固定tec温度的情况下，在中心电流附近对激光施加40ma振幅的锯齿波进行频率扫描，使得激光器的波长呈现锯齿波线性变化。但是该系统的测温范围以及测温准确度都非常低，测温范围在10℃左右，测温准确度只有0.5℃量级。
5.该温度传感器直接采用stm32内部的数模转换器(位数较低，最高只能到12位)，dac的位数和稳定性直接影响锯齿波驱动电流的稳定性和分辨率，从而会影响激光器波长的稳定性和分辨率。除了dac之外，该系统中的电流驱动模块，直接采用已集成好的驱动芯片，虽然可以缩小体积，但是电流的稳定性和准确度还有线性度效果一般。
6.此外，施加锯齿波电流导致在一个波形周期的终点和下一个周期的起点，电流发生突变，不利于波长的稳定，对测温的准确度造成一定影响。采集电路部分仅使用单个运算放大器将光电探测器输出的微弱电流转换为适当增益的电压，单次放大倍数过大，波形起伏大、易失真，影响测温的准确性。放大之后的电压，直接连接到stm32的adc接口，stm32内部的adc位数为12位，采集到的电压信号精度相较于外接的高精度adc存在较大差距。
7.综合以上，该设计虽然缩小了体积，但是存在以下几点问题：
8.1、直接采用stm32内部低位数的dac；
9.2、直接采用集成好的电流驱动芯片，电流效果一般；
10.3、采用电流突变的锯齿波，且锯齿波的振幅太小；
11.4、采集电路单次放大倍数过大，波形起伏大；
12.5、直接采用stm32内部低位数的adc；
13.6、微控制器实现激光发送与透射谱接收同步，在时间一一对应关系的处理和校准上仍存在一定的改进空间。
14.以上技术问题会导致该技术方案的测温精度不佳。


技术实现要素：

15.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种微腔光子测温系统和方法，用以解决现有微腔光子温度计的测温范围和测温准确度都非常低的问题。
16.一方面，本发明实施例提供了一种微腔光子测温系统包括：微控制器、电流驱动电路、激光二极管和光学微腔传感器，其中，所述电流驱动电路，用于生成驱动电流，以及所述电流驱动电路包括：fpga，用于在从所述微控制器接收的控制信号的作用下生成数字波形信号；数模转换器，用于将所述数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；串联反馈电路，用于基于所述幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；所述激光二极管，用于在所述线性可调的驱动电流驱动下，生成波长线性变化的发射光；以及所述光学微腔传感器，所述发射光入射到所述光学微腔传感器，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，所述微控制器根据所述规律变化的输出光信号获取温度值。
17.上述技术方案的有益效果如下：通过数模转换器将数字波形信号转换为幅值相位可调的电压波形并且通过串联反馈电路基于所述幅值相位可调的电压波形生成线性可调的驱动电流，使得激光二极管生成波长线性变化的发射光，所以光学微腔传感器接收波长呈线性变化的发射光，进而使得测温范围可调节。
18.基于上述系统的进一步改进，所述微控制器用于将控制信号指令发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述控制信号指令生成并发送波形数字波形信号；或者所述微控制器还用于将变量参数发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述变量参数生成一定幅值和相位的数字波形信号，其中，所述变量参数包括频率、幅值和相位。
19.基于上述系统的进一步改进，所述驱动电流的线性可调范围越大，所述发射光的波长范围越大，使得所述光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大；和/或通过调节所述激光二极管自身温度来改变测温区间。
20.基于上述系统的进一步改进，所述串联反馈电路包括：跟随器、比较器、mos晶体管、采样电阻器和激光二极管，其中，所述跟随器，用于跟随所述幅值相位可调的电压波形；所述比较器，用于将所述幅值相位可调的电压波形与采样电阻器的反馈电压进行比较以生成所述mos晶体管的控制信号；以及所述mos晶体管，其栅极接收所述mos晶体管的控制信号以控制所述mos晶体管的电流输出，其源极经由所述采样电阻器接地以及其漏极连接至所述激光二极管。
21.基于上述系统的进一步改进，微腔光子测温系统还包括信号采集电路，其中，所述信号采集电路包括：光电二极管、电流电压转换器、二级放大器和第一模数转换器，所述光电二极管，用于将所述输出光信号转换为微弱的电流信号；所述放大器，用于将所述微弱的电流信号进行转换和二级放大以生成二级放大的电压信号；以及所述第一模数转换器，用于对所述第二电压信号进行模数转换以将数字电压信号提供给所述微控制器。
22.基于上述系统的进一步改进，所述放大器包括：一级放大器和二级放大器，其中，所述一级放大器，用于以t型网络运算放大的方式将所述微弱的电流信号转换为一级放大的电压信号；以及所述二级放大器，用于将所述一级放大的电压信号进行放大，以生成二级放大的电压信号。
23.基于上述系统的进一步改进，微腔光子测温系统还包括温度控制电路，所述温度
控制电路包括热敏电阻、第二模数转换器、热电制冷器驱动芯片和热电制冷器，其中，所述热敏电阻，用于检测环境的温度变化以生成差分电压；所述第二模数转换器，用于将所述差分电压转换为差分电压数字信号并将所述差分电压数字信号提供给所述微控制器；所述微控制器，用于根据所述差分电压数字信号获取当前环境温度，并将目标温度与所述当前环境温度之间的温度差值，然后根据所述温度差值提供pwm信号；所述热电制冷器驱动芯片，用于根据所述pwm信号提供驱动电流；所述热电制冷器，用于在所述驱动电流的控制下发热或者制冷。
24.另一方面，本发明实施例提供了一种微腔光子测温方法，包括：生成驱动电流，其中，生成驱动电流包括：在微控制器的控制下由fpga生成数字波形信号；将所述数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；基于所述幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；在所述线性可调的驱动电流驱动下，通过激光二极管生成波长线性变化的发射光；以及将所述发射光入射到光学微腔传感器，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，所述微控制器根据所述规律变化的输出光信号获取温度值。
25.基于上述方法的进一步改进，将控制信号指令发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述控制信号指令生成并发送波形数字信号；或者将变量参数发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述变量参数生成一定幅值和相位的三角波，其中，所述变量参数包括频率、幅值和相位。
26.基于上述方法的进一步改进，所述驱动电流的线性可调范围越大，所述发射光的波长范围越大，使得所述光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大；和/或通过调节所述激光二极管自身温度来改变测温区间。
27.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
28.1、通过数模转换器将数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形并且通过串联反馈电路基于所述幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流，使得激光二极管生成波长线性变化的发射光，所以光学微腔传感器接收波长呈线性变化的发射光，使得测温范围可调节。改变激光二极管自身的温度，可以使波长的初始值发生变化，那么对应的温度也会发生变化，从而通过改变激光器自身的温度可以调节传感器测温区间。
29.2、三角波电流扫描范围可以从0ma变化到500ma，驱动电流稳定性在500ma
±
10ua左右，三角波电流的线性度较好。pid控温的精度在1mk左右。用三角波电流扫描激光器，激光器的波长也呈三角波变化，且线性度较好，所以微腔光子测温系统具有高精度、大测温范围。
30.3、利用电流源和控温模块去驱动激光器，在电流和温度都维持恒定的情况下，发现波长的稳定性较好。
31.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
32.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
33.图1为现有温度传感器的框架图；
34.图2为环境温度起伏会导致共振模式谐振波长的移动的示图；
35.图3为根据本发明实施例的微腔光子测温系统的框图；
36.图4为根据本发明实施例的微腔光子测温系统的框架图；
37.图5为根据本发明实施例的微腔光子测温系统中的电流驱动电路的框图；
38.图6为根据本发明实施例的微腔光子测温系统中的温度控制电路的框图；
39.图7为根据本发明实施例的微腔光子测温系统中的信号采集电路的框图；
40.图8为根据本发明实施例的微腔光子测温系统的整体结构图；
41.图9为根据本发明实施例的幅值相位可调的电压三角波波形的曲线图；
42.图10为根据本发明实施例的二级放大器的具体结构图；
43.图11为激光器温度维持在20℃条件下驱动电流与发射光波长的线性关系的曲线图；
44.图12为根据本发明实施例的微腔光子测温方法的流程图；
45.图13为根据本发明实施例的驱动电流和透射谐波信号图。
具体实施方式
46.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
47.本发明的一个具体实施例，公开了一种微腔光子测温系统，如图3所示。微腔光子测温系统包括：微控制器302、电流驱动电路304、激光二极管306和光学微腔传感器308。电流驱动电路304用于生成驱动电流，以及电流驱动电路304包括：fpga 310用于从微控制器接收的控制信号的作用下生成数字波形信号；数模转换器312用于将数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；串联反馈电路314用于基于幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流。激光二极管306用于在线性可调的驱动电流驱动下，生成波长线性变化的发射光。光学微腔传感器308在发射光入射到光学微腔传感器的条件下，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，微控制器根据规律变化的输出光信号获取温度值，具体地，微控制器通过捕捉该规律变化的输出光信号的尖峰位置来获取温度值。
48.与现有技术相比，本实施例提供的微腔光子测温系统，通过数模转换器将数字波形信号转换为幅值相位可调的电压波形并且通过串联反馈电路基于所述幅值相位可调的电压波形生成线性可调的驱动电流，使得激光二极管生成波长线性变化的发射光，所以光学微腔传感器接收波长呈线性变化的发射光，使得测温范围可调节。
49.下文中，将参考图3至图8，对根据本发明实施例的微腔光子测温系统进行详细描述。微腔光子测温系统包括：微控制器302、电流驱动电路304、激光二极管306、光学微腔传感器308、信号采集电路和温度控制电路。
50.微控制器302用于控制fpga 310。具体地，微控制器用于将控制信号指令发送给
fpga，使得fpga根据控制信号指令生成并发送波形数字波形信号；或者微控制器，还用于将变量参数发送给fpga，使得fpga根据变量参数生成一定幅值和相位的数字波形信号，其中，变量参数包括频率、幅值和相位。
51.电流驱动电路304用于生成驱动电流。参考图5和图8，电流驱动电路304包括：fpga 310，用于在从微控制器接收的控制信号的作用下生成数字波形信号，其中，微控制器(例如stm32)是主机、fpga是从机，主机和从机之间通过spi通信；数模转换器312，用于将数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；串联反馈电路314，用于基于幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流。串联反馈电路314包括：跟随器、比较器、mos晶体管、采样电阻器和激光二极管。跟随器用于跟随幅值相位可调的电压波形；比较器用于将幅值相位可调的电压波形与采样电阻器的反馈电压进行比较以生成mos晶体管的控制信号；以及mos晶体管，其栅极接收mos晶体管的控制信号以控制mos晶体管的电流输出，其源极经由采样电阻器接地以及其漏极连接至激光二极管。
52.激光二极管306，用于在线性可调的驱动电流驱动下，生成波长线性变化的发射光。
53.光学微腔传感器308，发射光入射到光学微腔传感器，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，微控制器根据规律变化的输出光信号获取温度值。驱动电流的线性可调范围越大，发射光的波长范围越大，使得光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大；和/或通过调节激光二极管自身温度来改变测温区间。
54.参考图7和图8，信号采集电路包括：光电二极管、电流电压转换器、二级放大器和第一模数转换器。光电二极管用于将输出光信号(即，输出微弱光信号)转换为微弱的电流信号；放大器用于将微弱的电流信号进行转换和二级放大以生成二级放大的电压信号；以及第一模数转换器用于对第二电压信号进行模数转换以将数字电压信号提供给微控制器。具体地，放大器包括：一级放大器和二级放大器，其中，一级放大器用于以t型网络运算放大的方式将微弱的电流信号转换为一级放大的电压信号；以及二级放大器用于将一级放大的电压信号进行放大，以生成二级放大的电压信号。
55.参考图6和图8，温度控制电路包括热敏电阻、第二模数转换器、热电制冷器驱动芯片和热电制冷器。热敏电阻用于检测环境的温度变化以生成差分电压。第二模数转换器用于将差分电压转换为差分电压数字信号并将差分电压数字信号提供给微控制器。微控制器用于根据差分电压数字信号获取当前环境温度，并将目标温度与当前环境温度之间的温度差值，然后根据温度差值提供pwm信号。热电制冷器驱动芯片(tec)用于根据pwm信号提供驱动电流。热电制冷器用于在驱动电流的控制下发热或者制冷。在可选实施例中，通过改变tec的电流方向也能够进行加热或者制冷。
56.本发明的另一个具体实施例，公开了一种微腔光子测温方法，参考图12，微腔光子测温方法包括：在步骤s1202中，通过电流驱动电路生成驱动电流。具体地，生成驱动电流包括：在从微控制器接收的控制信号的作用下由fpga生成数字波形信号；将数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；基于幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；在步骤s1204中，在线性可调的驱动电流驱动下，通过激光二极管生成波长线性变化的发射光；以及在步骤s1206中，将发射光入射到光学微腔传感器，使得波长线性
变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，微控制器根据规律变化的输出光信号获取温度值，具体地，微控制器通过捕捉该规律变化的输出光信号的尖峰位置来获取温度值，例如，根据规律变化的输出光信号转变而来的电信号尖峰最低点来获取温度值。
57.微控制器控制fpga包括将控制信号指令发送给fpga，使得fpga根据控制信号指令生成并发送波形数字信号；或者将变量参数发送给fpga，使得fpga根据变量参数生成一定幅值和相位的三角波，其中，变量参数包括频率、幅值和相位。
58.通过增大驱动电流的线性可调范围可以增大测温范围。具体地，驱动电流的线性可调范围越大，发射光的波长范围越大，使得光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大。因为激光器有个最大工作电流、最小工作电流，所以驱动电流在最小-最大工作电流之间变化来调整波长范围。通常情况下，可以将电流范围设置为最大工作电流。通过调节所述激光二极管自身温度来改变测温区间。改变激光二极管自身的温度，可以使波长的初始值发生变化，那么对应的温度也会发生变化，从而通过改变激光器自身的温度使传感器测温区间可调节。
59.下文中，参考图2、图4至图11，以具体实例的方式对根据本发明实施例的微腔光子测温进行详细描述。
60.光学微腔传感器进行温度传感的基本原理是：当微腔所处环境温度改变时，由于光学微腔材料本身的热折变或者热膨胀效应，分别导致材料折射率和微腔尺寸的改变，二者均会改变共振模式的谐振波长。
61.当探测光经过光纤锥耦合到光学微腔中，光学微腔在传输谱上呈现洛伦兹线型，满足谐振条件的波长的光会在透射谱中出现一个吸收峰(表现为透射光谱中的最低点)，对于特定的光学微腔，每个温度条件下都对应一个特定的吸收峰。
62.测温系统是基于微腔传感机制中的模式移动，在模式移动中，谐振波长很容易受到热效应的影响，光学微腔所处环境的温度起伏会导致共振模式谐振波长的移动，如图2所示。因此，只要测出谐振波长移动的大小，即可计算出温度的变化。
63.如图4所示，回音壁模式微腔光子温度计由光学系统和电路系统两部分组成。该技术方案侧重于电路系统的设计。总的电路包括驱动电路(含ld电流驱动和tec温度控制两个模块)和信号采集电路两部分，微处理器同时完成激光器驱动电流和温度的控制还有处理采集到的电压信号。光学系统由波导和谐振腔组成。
64.1、驱动电路的设计(包括电流驱动和温度控制)
65.将大型的高精度激光源装置用体积较小的电流驱动型的激光二极管替代。如图5和图8所示，利用fpga发送需要产生的波形数字信号，通过数模转换器(高位数dac)产生幅值相位可调的电压波形(如图9所示)，该电压三角波作为反馈型的恒流源电路的参考电压，最终产生可以驱动激光二极管的线性可调的电流三角波，以达到精准控制激光二极管发射光波长线性变化的目的。
66.fpga是由stm32控制的，参见图4，stm32是系统的cpu。stm32给fpga指令，fpga才能开始发送波形。同时stm32还能给fpga发送频率、幅值、相位等参数。fpga接收来自stm32的变量参数，然后再由fpga产生我们所需要的一定幅值和相位的三角波。
67.频率调整方法：1)修改dac_clk速度，clk加快，数模转换速度加快，输出的波形频
85.k
p
表示比例系数，其大小将直接影响系统的响应速度。
86.如果k
p
很大，那么一个小的差值ek也会得到一个较大的数值pout，系统将会出现剧烈震荡，很难达到稳定，k
p
过小则系统的响应速度太慢，尽管有一个很大的差值ek也只能得到一个较小的数值pout，故而系统需要很长一段时间才能达到稳定状态附近。
87.根据上述计算，得到了差值ek，在连续的温度采集情况下，得到一些差值样本，将这些差值进行累加，se为差值样本之和。
88.对于se》0，将提供正向电流控制tec发热。se《0时，将提供反向电流控制tec制冷。加热和制冷程度取决于se绝对值的大小。
[0089][0090]
ti表示积分时间，其大小会影响iout的大小。当ti的值很大时，环境温度需要较长的时间才能回到设定值，当ti较小时，环境温度波动会比较大。
[0091]
2、信号采集电路的设计
[0092]
由激光二极管发射出来的光经过光纤锥耦合到光学微腔传感器，不同波长的光通过微腔之后，可形成规律变化的光信号。
[0093]
如图7和图8所示，该光信号经由光电二极管可转换成微弱的电流信号，微弱的电流信号通过t型网络运算放大电路可一级放大为小电压信号，再通过三运放仪表放大器将小电压信号二级放大。参考图10，将三个运算放大器组成的仪表放大器作为二级放大器，其具有高共模抑制比的特点。
[0094]rg1
＝r
g2
，r1＝r3，r2＝r4，r5＝r6
[0095]
vout＝(v
in2-v
in1
)(1+r1/r
g1
)(r5/r2)
[0096]
根据以上公式所示，设置电阻器r
g1
＝r
g2
，r1＝r3，r2＝r4，r5＝r6，通过改变r5的值调节电压放大倍数。
[0097]
利用高精度adc将电压量转换为数字量传输给微控制器接收，微控制器判断接收到的数字信号是否为尖峰信号，并确定当前的驱动电流和该电流所对应的波长值(在激光器自身温度恒定的情况下，每个不同的驱动电流都对应一个确定的波长)，最终实现测温。
[0098]
3、技术细节：
[0099]
为了得到三角波电压信号，采用直接数字合成的方式，其通过相位累加器、相位调制器、改变实时的波形数据、da转换器等环节实现波形输出，具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。
[0100]
如图5右侧所示，为了满足激光器对电流参数的要求，设计基于场效应管和运算放大器组成的串联反馈电路来保证电流的稳定性和高精度，该串联反馈电路具体包括跟随器、比较器、mos管、采样电阻及激光器负载。在比较器模块中通过对参考电压(fpga产生的电压三角波作为参考电压)和采样电阻的反馈电压进行比较，来控制场效应管的电流输出，进而调节反馈电压直到与参考电压相等，以保证恒流源的稳定。
[0101]
激光器是一个电流型器件，其阈值电流为50ma，其最大工作电流为500ma。因此驱动电流源按照50-500ma的需求设计，基准电压的值为2.5v，因此采样电阻的阻值选用5欧姆左右，确保可以产生2.5v/5ω＝500ma的电流。
[0102]
参考图11，同时使用精密波长计来准确标定驱动电流和发射光波长的线性关系。电流每增大1ma，发射光波长增加大约5pm，且呈线性关系。
[0103]
放大电压信号选用低成本、高精度、大增益范围的仪表放大器，使用外部电阻来设置增益。放大电路分成两级放大，若单次放大倍数过大，则波形起伏大、且易失真。
[0104]
电路存在输入失调电压、输出失调电压，为了消除偏置，增加外部调零电路。调零电路连接在二级放大电路之后，通过一个减法器给透射谱信号叠加直流偏移，只需调节起分压作用的可变电阻阻值，调整电压加至反相输入端，输出信号的电压值可调整到合适范围内。
[0105]
信号的频率较低，低频噪声较大，选用斩波稳定运放，将测量信号赋予一定特征，可用正弦波调制，再放大，将噪声分离之后，解调出信号。
[0106]
电压采集选用高位数adc，其具有低噪声、抗干扰能力强、采样速度快、采样精度高等优点。
[0107]
通过软件调节使微控制器发送与接收同步，确保激光器发射光的峰值波长与时间的关系和透射谱尖峰与时间的关系可以一一对应。
[0108]
本技术实施例的关键点如下：
[0109]
1、使用微控制器作为核心进行智能化检测和控制，将实验室测温装置中其他仪器设备的功能在小型化的功能模块上实现，所需装置都集成在体积较小的嵌入式系统上，实现自由化和便携化。
[0110]
2、核心微处理器完成激光器驱动的控制和根据采集到的输出光信号进行匹配测量，为了使激光器发射光的波长与时间的关系和透射谱中波长与时间的关系可以一一对应，要求微控制器的发送与接收同步。
[0111]
编写程序过程中固定微控制器发送数据量到接收数据量的时间，若激光器的发射光的响应存在一定的延迟，则在后续的数据处理中消除或校准该延迟。
[0112]
3、为了实现微腔传感器的调谐(相当于一个遍历找谐振波长的过程，当环境温度发生变化时，微腔的表面材料的折射率会发生变化，满足其谐振条件的波长就会发生变化，为了寻找这个谐振波长，需要产生一个较大的波长范围来锁定这个谐振波长(即谐振频率))，需要使激光器的波长线性变化。
[0113]
激光器发射光的波长同时受到驱动电流和温度的影响，但是想要温度呈梯度或者线性变化比较困难，只能采用维持温度恒定，使电流呈线性变化的方式。
[0114]
4、激光器发射光的波长受激光器驱动电流和激光器自身温度两个因素的影响。驱动激光器的电流范围越大，激光器发射光的波长范围也越大，微腔接收的波长范围也越大，因此测温范围也越大，通过调节所述激光二极管(即，激光器)自身温度来改变测温区间。
[0115]
测温范围受到激光器驱动的阈值电流和最大电流还有驱动电路的电流范围影响，但是测温的区间可以通过改变激光器波长的初始值，从而改变激光扫描的波长区间来实现。
[0116]
因此我们的驱动电路设计不但实现电流大小可调，pid控温电路还能够实现激光器温度可调。温度和峰值波长标定(参考以下表1)。
[0117]
表1
[0118]
温度/℃该温度对应的峰值波长/nm
01551.492101551.975201552.454301552.936
[0119]
将激光器温度控制在25度左右，其产生的光进入微腔传感器，传感器测温范围大约为-30℃-10℃，参考以下表2。
[0120]
表2
[0121][0122]
比如，将激光器的温度控制在20℃，给50ma-450ma的驱动电流，能够满足微腔谐振条件的波长所在的温度范围为-42℃到-1℃。将激光器的温度控制在25℃，还是给50ma-450ma的驱动电流，微腔谐振条件的波长所在的温度范围变换为-33.1℃到8.66℃。
[0123]
5、在激光器能承受的最大驱动电流范围内，三角波电流的幅值频率相位实现可调。当检测到某温度对应的谐振波长大致范围之后，可以迅速缩小扫频范围，在谐振波长附近进行扫频，寻找谐振峰，提高测温的准确性和快捷性。
[0124]
本技术实施例的有益效果：
[0125]
本发明的驱动电路部分已经设计和测试完毕。三角波电流扫描范围可以从50ma变化到450ma，驱动电流稳定性在500ma
±
10ua左右，三角波电流的线性度较好。pid控温的精度在1mk左右。
[0126]
利用电流源和控温模块去驱动我们的激光器，在电流和温度都维持恒定的情况下，发现波长的稳定性较好。
[0127]
用三角波电流去扫描我们的激光器，激光器的波长也呈三角波变化，且线性度较好。参考图13，根据本发明实施例的信号采集电路可以清晰地观测到透射光谱并且发生谐振时的谐振峰较为明显。
[0128]
综合以上实验结果，该技术方案下的微腔光子测温系统，将具有高精度、大测温范围、测温区间可调节等优点。
[0129]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
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以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种微腔光子测温系统，其特征在于，包括：微控制器、电流驱动电路、激光二极管和光学微腔传感器，其中，所述电流驱动电路，用于生成驱动电流，以及所述电流驱动电路包括：fpga，用于在从所述微控制器接收的控制信号的作用下生成数字波形信号；数模转换器，用于将所述数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；串联反馈电路，用于基于所述幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；所述激光二极管，用于在所述线性可调的驱动电流驱动下，生成波长线性变化的发射光；以及所述光学微腔传感器，所述发射光入射到所述光学微腔传感器，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，所述微控制器根据所述规律变化的输出光信号获取温度值。2.根据权利要求1所述的微腔光子测温系统，其特征在于，所述微控制器，用于将控制信号指令发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述控制信号指令生成并发送波形数字波形信号；或者所述微控制器，还用于将变量参数发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述变量参数生成一定幅值和相位的数字波形信号，其中，所述变量参数包括频率、幅值和相位。3.根据权利要求1所述的微腔光子测温系统，其特征在于，所述驱动电流的线性可调范围越大，所述发射光的波长范围越大，使得所述光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大；和/或通过调节所述激光二极管自身温度来改变测温区间。4.根据权利要求1所述的微腔光子测温系统，其特征在于，所述串联反馈电路包括：跟随器、比较器、mos晶体管、采样电阻器和激光二极管，其中，所述跟随器，用于跟随所述幅值相位可调的电压波形；所述比较器，用于将所述幅值相位可调的电压波形与采样电阻器的反馈电压进行比较以生成所述mos晶体管的控制信号；以及所述mos晶体管，其栅极接收所述mos晶体管的控制信号以控制所述mos晶体管的电流输出，其源极经由所述采样电阻器接地以及其漏极连接至所述激光二极管。5.根据权利要求2所述的微腔光子测温系统，其特征在于，还包括信号采集电路，其中，所述信号采集电路包括：光电二极管、电流电压转换器、二级放大器和第一模数转换器，所述光电二极管，用于将所述输出光信号转换为微弱的电流信号；所述放大器，用于将所述微弱的电流信号进行转换和二级放大以生成二级放大的电压信号；以及所述第一模数转换器，用于对所述第二电压信号进行模数转换以将数字电压信号提供给所述微控制器。6.根据权利要求5所述的微腔光子测温系统，其特征在于，所述放大器包括：一级放大器和二级放大器，其中，所述一级放大器，用于以t型网络运算放大的方式将所述微弱的电流信号转换为一级放大的电压信号；以及
所述二级放大器，用于将所述一级放大的电压信号进行放大，以生成二级放大的电压信号。7.根据权利要求5所述的微腔光子测温系统，其特征在于，还包括温度控制电路，所述温度控制电路包括热敏电阻、第二模数转换器、热电制冷器驱动芯片和热电制冷器，其中，所述热敏电阻，用于检测环境的温度变化以生成差分电压；所述第二模数转换器，用于将所述差分电压转换为差分电压数字信号并将所述差分电压数字信号提供给所述微控制器；所述微控制器，用于根据所述差分电压数字信号获取当前环境温度，并将目标温度与所述当前环境温度之间的温度差值，然后根据所述温度差值提供pwm信号；所述热电制冷器驱动芯片，用于根据所述pwm信号提供驱动电流；所述热电制冷器，用于在所述驱动电流的控制下发热或者制冷。8.一种微腔光子测温方法，其特征在于，包括：生成驱动电流，其中，生成驱动电流包括：在微控制器的控制下由fpga生成数字波形信号；将所述数字波形信号转换为幅值、相位和频率可调的电压波形；基于所述幅值、相位和频率可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；在所述线性可调的驱动电流驱动下，通过激光二极管生成波长线性变化的发射光；以及将所述发射光入射到光学微腔传感器，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，其中，所述微控制器根据所述规律变化的输出光信号获取温度值。9.根据权利要求8所述的微腔光子测温方法，其特征在于，将控制信号指令发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述控制信号指令生成并发送波形数字信号；或者将变量参数发送给所述fpga，使得所述fpga根据所述变量参数生成一定幅值和相位的三角波，其中，所述变量参数包括频率、幅值和相位。10.根据权利要求8所述的微腔光子测温方法，其特征在于，所述驱动电流的线性可调范围越大，所述发射光的波长范围越大，使得所述光学微腔传感器接收的波长范围越大，进而测温范围越大；和/或通过调节所述激光二极管自身温度来改变测温区间。

技术总结
本发明涉及一种微腔光子测温系统和方法，属于传感器技术领域，解决了现有微腔光子温度计的测温范围和测温准确度都非常低的问题。该系统包括：电流驱动电路生成驱动电流，包括：FPGA在从微控制器接收的控制信号的作用下生成数字波形信号；数模转换器将数字波形信号转换为可调的电压波形；串联反馈电路基于可调的电压波形生成线性可调的驱动电流；激光二极管在线性可调的驱动电流驱动下生成波长线性变化的发射光；光学微腔传感器在发射光入射到光学微腔传感器时，使得波长线性变化的发射光通过温度变化的光学微腔传感器之后形成规律变化的输出光信号，微控制器根据规律变化的输出光信号获取温度值。通过生成线性可调的驱动电流使测温范围可调节。流使测温范围可调节。流使测温范围可调节。


技术研发人员：潘奕捷 梅明城 施杨 韩琪娜 周琨荔 王瑾 屈继峰
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2023/9/22