物理学论文_TDLAS呼吸气检测温控系统结构优化 - 电子设计工程杂志社投稿

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物理学论文_TDLAS呼吸气检测温控系统结构优化

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文章目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 TDLAS激光器温度控制研究现状

1.2.1 温控系统结构设计

1.2.2 系统辨识方法

1.2.3 温控系统算法设计

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文章节安排

第2章温控结构设计及优化

2.1 激光器温控需求分析

2.2 二级TEC温控系统结构

2.2.1 TEC工作原理

2.2.2 温控结构设计

2.3 TEC器件的优化选型

2.4 温控结构整体优化

2.5 本章小结

第3章温控系统控制算法设计

3.1 二级温控算法原理

3.1.1 PID算法原理

3.1.2 PID/F-PID结合二级温控算法设计

3.2 温控系统传递函数辨识

3.2.1 系统辨识方法

3.2.2 温控系统传递函数

3.3 一级模糊PID控制器设计

3.3.1 模糊化与隶属度函数设计

3.3.2 模糊控制规则库设计

3.3.3 模糊推理与解模糊化

3.4 仿真与模糊规则优化

3.5 本章小结

第4章温控系统实现与测试

4.1 温控系统组成

4.2 温控系统软件设计

4.2.1 软件功能概述

4.2.2 算法在线整定实现

4.2.3 通讯模块设计

4.3 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术成果

学位论文评阅及答辩情况表

文章摘要:呼吸气诊断技术通过检测人体呼出气体中的特定异常成份诊断疾病,具有无创、快速、安全等优势,临床应用前景广阔。中红外可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）在检测灵敏度、系统稳定性和运维成本等方面有明显的综合优势,极有潜力应用于呼吸气检测。中红外TDLAS激光器温控系统的温度稳定性和功耗对气体检测灵敏度及整体功耗有重要影响,本文在温控系统结构、控制算法等方面的对其进行系统化的优化设计。为避免激光器受到多变空气环境的直接影响,设计了以两级半导体制冷器（Thermoelectric Cooler,TEC）为核心,分别对激光器芯片和激光器外壳进行温度控制的二级温控结构。以TEC的低耗高效应用为原则进行两级TEC器件选型,并通过温控系统中各部件的材料、尺寸等参数调整进行整体结构优化。以此设计方法,从CO气体检测激光器的温控需求出发,设计了半导体激光器温控系统结构,FloTHERM仿真结果显示,此温控系统的一、二级TEC 的制冷系数（Coefficiency of Performance,COP）分别达到 8.0 和 10.17。针对上述二级温控结构,设计了以模糊PID算法控制激光芯片温度、经典数字PID算法控制激光器外壳温度的温控算法。采用实验测试方法辨识获得了温控系统传递函数。以Python语言编写了上位机控制程序,直观显示监测两级温度变化、TEC电流驱动、激光器驱动电流等参数信息,实现了模糊控制规则和温控算法的在线调整。通过将算法优化的上位机控制程序与温度检测、TEC驱动等下位机电路模块结合,构建了完整的温控实验系统。实验证明,系统可在10～50℃范围内快速稳定在设定值的±0.01℃内,且具有较高的能耗效率,可以满足CO检测半导体激光器的温控要求,也为中红外TDLAS系统整体性能优化设计提供了保障。相关中红外半导体激光器温控系统的优化设计方法的建立为呼吸气检测设备的研究奠定了必要的技术基础。

文章关键词:

论文DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2020.001096

论文分类号:TN249;TH77

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2021/1110/1568.html