光電檢測方法研究

1、安徽建筑工業(yè)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院安徽建筑工業(yè)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 課 題： 光電檢測方法研究 專 業(yè)： 06 自動化 班 級： 2 班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 填表日期： 2010-06-01 安徽建筑工業(yè)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 二一年六月 摘要摘要 隨著石油、天然氣工業(yè)以及煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤礦爆炸事故日益增加。我國 是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是世界上少數(shù)以煤為主要能源的國家之一。 在煤炭的生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn)生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆氣 體，帶來了煤礦安全、環(huán)境污染等一系列的問題。因此，對煤礦生產(chǎn)、加工過程 中

2、產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行高靈敏度檢測變得十分重要。通信技術(shù)的發(fā)展使得光源及 各種光纖器件性能更加完善。因此，在各種氣體傳感器中光纖氣體傳感器受到國 內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。光纖氣體傳感器因其敏感元件與檢測電路和信號處理電 路實現(xiàn)了完全的電隔離，使系統(tǒng)更加安全可靠。 本文基于差分檢測原理，設(shè)計了用于氣體傳感中微弱信號測量的增益可調(diào)的 便攜式雙光路光電檢測和采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以AD795 為核心的低噪聲、高靈敏 度前置放大器，通過有效的抗干擾措施，實現(xiàn)了微弱信號的高精度低噪聲檢測， 并配以具有極強(qiáng)抗噪性能的24bits模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7794，完成高分辨率的 數(shù)據(jù)采集。通過AVR 單片機(jī)控制實現(xiàn)電路增益的

3、自動調(diào)節(jié)，解決了差分檢測中存 在的小信號放大，大信號飽和的問題。 關(guān)鍵詞：氣體傳感；光電檢測；微弱信號測量；可調(diào)增益；數(shù)據(jù)采集 Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the

4、most energy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engenderin

5、g in the coal mine. 目目 錄錄 第一章 緒 論 1.1 課題的來源及意義 1.2 光電檢測系統(tǒng)概況和發(fā)展趨勢 1.3 論文的主要工作 第 2 章 氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ) 2.1 氣體差分檢測技術(shù)原理 2.2 光電檢測技術(shù)原理 2.3 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設(shè)計原理 第三章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 前置放大電路設(shè)計 3.2 自動控制增益電路設(shè)計 3.3 主放大電路與濾波電路設(shè)計 3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 結(jié) 束 致 謝 附 錄 參考文獻(xiàn)： 英文翻譯英文翻譯 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 選題的來源和選題的來源和意義意義 利用光電

6、傳感器實現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量， 并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動測量。 近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展,光纖氣體傳感器也得到了廣泛的研究 和應(yīng)用。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、防燃防爆、不受電磁干擾、可以實現(xiàn)光 信號的長距離傳輸和現(xiàn)場實時遙測等優(yōu)點,所以對光電檢測方法研究的關(guān)注也一 直在增加。光電檢測技術(shù)的應(yīng)用是廣泛而有前景的，比如說在煤礦災(zāi)害事故防范 中，瓦斯爆炸和礦井火災(zāi)占很大比例，而且二者常常伴隨發(fā)生。為了有效地控制 井下事故發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡事故，加強(qiáng)對甲烷和一氧化碳在井下環(huán) 境空氣中濃度的實時監(jiān)測，積極開發(fā)對井下有害氣體的實時監(jiān)

7、測系統(tǒng)，將甲烷和 一氧化碳?xì)怏w傳感探頭安裝在井下生產(chǎn)現(xiàn)場中，及時檢測環(huán)境空氣中有害氣體的 含量，并將氣體傳感器與報警裝置、保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動，以減少事故的發(fā)生。這些措 施對于保障井下職工的身體健康和礦井安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。 在本次設(shè)計中根據(jù)氣體差分測量的具體應(yīng)用，針對微弱信號檢測中的穩(wěn)定性 和噪聲問題設(shè)計了一種極微弱光電流信號檢測電路；本系統(tǒng)采用程控增益可調(diào)電 路，有效的檢測氣體吸收信號的同時很好的解決了參考信號易飽和的問題； 自 動增益系統(tǒng)采用 ADG10204 芯片控制整個光電檢測、采集形成一個便攜式系統(tǒng)； 系統(tǒng)具有很高的精度和穩(wěn)定性，能有效的滿足氣體差分檢測的要求的檢測系統(tǒng)。 1.21

8、.2 光電檢測系統(tǒng)概況和國內(nèi)外發(fā)展情況光電檢測系統(tǒng)概況和國內(nèi)外發(fā)展情況 及時、準(zhǔn)確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報和控制已成為煤 炭、石油、化工、環(huán)保等部門迫切解決的問題。氣體傳感技術(shù)一直是傳感器技術(shù) 領(lǐng)域的一個重要前沿課題。光纖傳感技術(shù)及光電探測技術(shù)發(fā)展,光纖的本質(zhì)安全 及便于遙控遙測的特點,使得氣體光纖傳感檢測系統(tǒng)更具有優(yōu)越性。目前,光譜吸 收型光纖氣體傳感器是比較接近于實用化的一種氣體傳感器,本文基于氣體的差 分吸收檢測原理,以甲烷為實驗氣體,設(shè)計用于檢測系統(tǒng)的微弱信號處理電路系統(tǒng)。 隨著科技發(fā)展的日新月異，光電檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出納米、亞納米高精度的 光電測量新技術(shù)；小型、快速

9、的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)在各個領(lǐng)域應(yīng)用越來越 廣泛。非接觸、快速在線測量已經(jīng)取代原始的接觸式，較緩慢的檢測技術(shù)，并向 微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)方向發(fā)展；閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)， 實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光電跟蹤與光電 掃描測量技術(shù)等先進(jìn)的光電檢測技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用將對人們生活，工業(yè)生產(chǎn) 甚至國防科技產(chǎn)生巨大影響和改革。隨著光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展,光纖氣體傳 感器也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、防燃防爆、不 受電磁干擾、可以實現(xiàn)光信號的長距離傳輸和現(xiàn)場實時遙測等優(yōu)點,所以對光電 檢測方法研究的關(guān)注也一直在增加。 1.31.3

10、論文主要工作論文主要工作 1、系統(tǒng)總體框圖的設(shè)計 2、前置放大電路的設(shè)計 3、自動增益控制電路的設(shè)計 4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 第第2 2章章 氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應(yīng)用氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應(yīng)用 2.12.1 氣體差分檢測技術(shù)原理氣體差分檢測技術(shù)原理 2.1.12.1.1 差分吸收光纖傳感機(jī)理差分吸收光纖傳感機(jī)理 光波通過介質(zhì)時,部分被介質(zhì)吸收和散射,余下的按原來傳播的方向繼續(xù)前進(jìn)。由 Beer 定律可知，光的吸收系數(shù)、物質(zhì)的濃度、通過吸收介質(zhì)的長度與透射光強(qiáng) 滿足： (1)(expLcLII o 式中, I、Io分別是透射和入射光強(qiáng)；是一定波長下的單位濃度、單位長度介質(zhì) 的吸收系數(shù)；

11、 是瑞利散射系數(shù)；是米氏散射系數(shù)；是氣體密度波動造成 的吸收系數(shù)；L 是待測氣體與光相互作用的長度；c是待測氣體的濃度。當(dāng)用光 纖傳感系統(tǒng)檢測氣體時，(1) 式還應(yīng)包含比例系數(shù)K，則可改寫為 (2)(expLLcLKII O 僅從(2) 式來確定待測氣體的濃度c 是困難的。因為反映平均數(shù), 它隨時間變 化, 且是隨機(jī)量。如果用2個波長(1、1) 相隔極近(但在吸收系數(shù)上有很大差 別) 的單色光同時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，則有： (3)()()()(exp)()()( 1111111 LLcLIKI O (4)()()()(exp)()()( 2222222 LLcLIKI o 由式(3)

12、 和式(4) , 待測氣體的濃度可以表示為 )()()()()()( )( )( ln )()( )()( ln )()( 1 212121 2 1 22 11 21 LL I I IK IK L c (5) 由于1、2 相差很小, 并且光是幾乎同時接近和通過待測氣體的, 可以認(rèn)為 )()(),()(),()( 212121 這樣(5) 式就可以化簡為 (6) )()()( )()()( ln )()( 1 122 211 21 IIK IIK L c o o 適當(dāng)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)使 (7)()()()( 2211 oo IKIK (6) 式又可簡化為 (8) )( )( ln )()( 1 1

13、2 21 I I L c 由光學(xué)上的相近條件,有: 1)()( 21 LC 實際應(yīng)用中, 波長的光對應(yīng)檢測氣體的吸收譜線, 波長的光不被檢測氣體吸 收(即參考波長) ,在測試過程中為空值, 因此有I ( 1) 1 和I (1 )I (2 ) 1。對ln I(2 )I(1 ) 進(jìn)行泰 勒展開: (9) )( )()( )1 )( )( (1ln )( )( ln 2 12 2 1 1 2 I II I I I I 所以氣體濃度為 (10) )( )()( )()( 1 2 12 21 I II c 在波長1，2下, 若氣體的吸收系數(shù)1、2可以測量,則氣體濃度就可以從 I(1) - I (2) 和

14、I(2) 的測量中求出。這種方式稱為差分吸收式。 2.1.22.1.2 差分檢測系統(tǒng)工作原理差分檢測系統(tǒng)工作原理 當(dāng)光波通過氣體介質(zhì)時,部分光能量會被氣體吸收,剩余部分會繼續(xù)按照原來 的方向傳播。所以通過充有待測氣體的氣室的光信號的強(qiáng)度會減弱,而光強(qiáng)減弱 的程度與待測氣體的濃度有關(guān),根據(jù)比爾朗伯定律:.式)exp()()(LCII mo 中：I0 () 為輸入光強(qiáng)度；I () 為輸出光強(qiáng)；為光的波長；C 為待測氣 體濃度；L 為光通過吸收介質(zhì)的長度；m 為單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù)。對上式 進(jìn)行變換可得:，由式可知,因為L 為已知的定量，根據(jù)值可以 )( )( ln 1 I I L C o m 得

15、到m ，所以我們通過測定I0 () 和I () 就可以求出待測的氣體濃度C。 不同的氣體有不同的吸收譜線,只有光源發(fā)出的入射光強(qiáng)位于待測氣體吸收譜線 的位置時才能發(fā)生上述的氣體吸收作用。所以，首要的問題是找到氣體的吸收譜 線。 2.1.32.1.3 CH4 的吸收譜線的吸收譜線 甲烷氣體具有4 個固有的振動: V 1 =2913.0cm- 1 , V 2 = 1533.3 cm - 1 , V 3 = 3018.9cm- 1 , V 4 = 1305.9 cm- 1 ,每一個固有振動對應(yīng)一個光譜吸收 區(qū),甲烷氣體的本征吸收譜區(qū)在1 =3.43m ,2 = 6.78m ,3 = 3.31m ,4

16、 = 7.66m處。然而,工作在室溫下的LED 僅在2m 以下的波長范圍內(nèi)適用,常 用的低損耗光纖也被限制在這個波長范圍內(nèi)。在近紅外區(qū),甲烷氣體有許多泛頻 帶和聯(lián)合帶,在泛頻帶2V3和結(jié)合帶V2+2V3 處都存在很強(qiáng)的吸波長分別為1.33m 和1.66m。甲烷氣體的吸收譜圖如下圖所示。 圖 甲烷氣體吸收譜圖 由圖可以看出,甲烷氣體在1.66m 處的吸收波譜比1.33m 處寬,吸收系數(shù)比在 1.33m 處大,吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1.33m 處的吸收強(qiáng)度。所以,選擇LD 做光源對 1.66m 處的吸收譜線進(jìn)行檢測,有利于提高檢測的靈敏度。 2.1.42.1.4 差分吸收檢測方法：差分吸收檢測方法：用波長

17、分別為1 和2 的單色光,同時或相差 很短時間內(nèi)通過待測氣體，中,波長2 的光不被吸收作為參考波長，吸收波長 的光做差分和除法處理，而有效消除由光源、光纖和傳感頭的不穩(wěn)定和變化所引 起的測量誤差，高檢測的靈敏度。差分檢測的氣體體積分?jǐn)?shù)可以表示為 （2） )( )()( * )()( 1 2 12 21 I II l C 式中I ()為氣室出射光的光強(qiáng)；()為一定波長下的氣體的吸收系數(shù)；被測 氣體的體積分?jǐn)?shù)；為待測氣體與光相互作用的長度。若在波長1 ，2 下，體的 吸收系數(shù)(1 ) ， (2 ) 可以測量，則氣體體積分?jǐn)?shù)就可以從I (2 ) - I (1 )和I (2 )的測量中求出。氣體差分檢

18、測的雙光路雙通道光電檢測系 統(tǒng)框圖如下： 2.22.2 光電檢測技術(shù)原理光電檢測技術(shù)原理 2.2.12.2.1 光電信息技術(shù)光電信息技術(shù) 以光電子學(xué)為基礎(chǔ),以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、 接收、變換、處理和應(yīng)用。 它涉及到它涉及到: : 1、光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò) 3、光頻微電子 4、光電方法用于瞬態(tài)光學(xué)觀測 5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感 6、激光、紅外、微光探測，定向和制導(dǎo) 7、光電精密測試，在線檢測和控制技術(shù) 8、混合光電信息處理、識別和圖象分析9、光電人工智能和機(jī)器視覺 10、光（電）邏輯運(yùn)算和光（電）計算機(jī)及光

19、電數(shù)據(jù)存儲 11、生物光子學(xué)檢測與測量 2.2.22.2.2 光電探測器光電探測器： 基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件。 光電探測器的種類光電探測器的種類 類型實例 PN結(jié) PN光電二極管（Si,Ge, GaAs) PIN光電二極管（Si） 雪崩光電二極管(Si, Ge) 光電晶體管(Si) 集成光電傳感器和光電晶閘管(Si) 非PN結(jié) 光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 電子管類 光電管，攝像管，光電倍增管 其他類 色敏傳感器 固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置檢測用元件（PSD） 光電池

20、2.2.32.2.3 光電檢測技術(shù)概括光電檢測技術(shù)概括 利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量， 并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動測量 2.2.42.2.4 光電檢測系統(tǒng)主要部分光電檢測系統(tǒng)主要部分 1.光學(xué)變換 2.光電變換 3.電路處理 光電檢測系統(tǒng)概括：光電檢測系統(tǒng)概括： 1.光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測 物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通 過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。 2.由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入 微型計算機(jī)運(yùn)算

21、、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。 光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng) 2.2.52.2.5 光電檢測系統(tǒng)作用光電檢測系統(tǒng)作用I-VI-V轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) 光電檢測電路的核心為跨導(dǎo)互阻放大器，如圖（1）所示。圖中，PIN 管將光 信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流流經(jīng)Rf完成了I-V 變換。值得注意的是，由于負(fù)反 饋作用的存在，運(yùn)算放大器的反相端電位幾乎等于同相端電位，即PIN 管兩端的 電壓差幾乎為零。從PIN 的I-V 曲線可知其在0 伏附近具有良好的線性關(guān)系，但 同時由于在反偏壓為零時PIN 管的等效體電容相對較大，所以此時電路的時間常 數(shù)較大，甚至可能使電路產(chǎn)生振蕩，因此必須進(jìn)

22、行相位補(bǔ)償，方法是在Rf 兩端 并聯(lián)一個容值在幾十Pf的電容。 圖（圖（1 1） 設(shè)光電流為IP，假定運(yùn)放為理想放大器，其輸入電阻和放大大倍數(shù)都為無窮大， 則輸出電壓為： fpO RIV* 2.32.3 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設(shè)計原理氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設(shè)計原理 2.3.12.3.1 系統(tǒng)設(shè)計原理系統(tǒng)設(shè)計原理 基于差分檢測原理及氣體差分測量的具體應(yīng)用，設(shè)計用于氣體傳感中微弱信 號測量的增益可調(diào)的便攜式雙光路光電檢測和采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以AD795 為核 心的低噪聲、高靈敏度前置放大器，通過有效的抗干擾措施，實現(xiàn)了微弱信號的 高精度低噪聲檢測，并配以具有極強(qiáng)抗噪性能的24bit

23、s模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7794，完成高分辨率的數(shù)據(jù)采集。通過AVR 單片機(jī)控制實現(xiàn)電路增益的自動調(diào) 節(jié)，解決了差分檢測中存在的小信號放大，大信號飽和的問題。系統(tǒng)采用AVR 單 片機(jī)作為控制器，整個光電檢測、采集形成一個便攜式系統(tǒng)。 2.3.22.3.2 系統(tǒng)設(shè)計原理總體框圖系統(tǒng)設(shè)計原理總體框圖 第第三三章章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計 3 3. .1 1 前置放大電路設(shè)計前置放大電路設(shè)計 光信號通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號，此時的電流信號時十分微弱的，前 置放大電路的設(shè)計就是為了實現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換，以方便后續(xù)的放大和濾波檢測。 前置放大電路的設(shè)計是光電系統(tǒng)的一個

24、重要問題。前置放大電路要保證信號 的 可靠放大，因為光電轉(zhuǎn)換后的有用信號淹沒在噪聲信號中，因此要根據(jù)輸入信號 的噪聲特性來設(shè)計前置放大電路。 系統(tǒng)中要探測很微弱的光電流信號，因此前放的增益必須足夠高。PIN光電二 極管探測光信號，將其轉(zhuǎn)換為電流，采用高阻負(fù)載將有利于獲得大的電壓信號， 故希望采用高阻抗放大器。但高負(fù)載電阻和放大器輸入電容將增大RC時間常數(shù)， 影響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。互阻放大器可以克服這一缺點，它實際上是一個利用了運(yùn) 算放微弱光電信號處理技術(shù)的研究大器的高增益性質(zhì)的電流-電壓變換器。 PIN管探測到的信號，是經(jīng)過方波調(diào)制的LED發(fā)出的光在經(jīng)過氣室氣體分子吸 收后的光信號，因此要檢測的

25、有用電流信號是交流信號，要求前放電路具有一定 的帶寬或頻率響應(yīng)特性。 有用信號被深埋在噪聲信號中，在前置放大電路中還要最大限度地抑制噪聲， 以獲得最大的信噪比，這就要求放大器工作在最佳源電阻的情況。然而實際電路 很難同時滿足以上的各個要求，因此采用壓縮前置放大電路的頻率通帶的方法來 減少噪聲，提高檢測信號的動態(tài)范圍。 光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱, 而且光探測器輸出的信號往往 被深埋在噪聲之中, 因此, 要對這樣的微弱信號進(jìn)行處理, 一般都要先進(jìn)行預(yù)處 理, 以將大部分噪聲濾除掉,并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。 這樣, 就需要通過前置放大電路實現(xiàn)信號的I-V轉(zhuǎn)換，濾波

26、電路和主放大電路來 輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其光電檢測模塊的組成框 圖 3.1.13.1.1 光電二極管的工作模式光電二極管的工作模式 光電二極管一般有兩種模式工作: 零偏置工作和反偏置工作,下圖（3.1）所 示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中,在光伏模式時,光電二極管可非常 精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時,光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度,但要犧牲 一定的線性。事實上,在反偏置條件下,即使無光照,仍有一個很小的電流(叫做暗 電流或無照電流)。而在零偏置時則沒有暗電流,這時二極管的噪聲基本上是分路 電阻的熱噪聲；在反偏置時,由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因

27、此, 在設(shè)計光電二極管電路的過程中,通常是針對光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu) 化設(shè)計,而不是對兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。一般來說,在光電精密測量中,被 測信號都比較微弱,因此,暗電流的影響一般都非常明顯。 圖（圖（3.1） 光電二級管的工作模式光電二級管的工作模式 本設(shè)計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號,所以,盡量避免噪聲干 擾是首要任務(wù),所以, 設(shè)計時采用光伏模式。 3.1.23.1.2 光電二極管的等效電路模型光電二極管的等效電路模型 工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖（3.2）所示，它包含一個被 輻射光激發(fā)的電流源、一個理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中, I

28、L為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管 的寄生電容；Epd為噪聲源；RS為串聯(lián)電阻。 圖（圖（3.23.2）光電二級管工作模型）光電二級管工作模型 由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降, 故為零偏置。在這種方 式中, 影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD, 它們將影響光檢測電路的頻率 穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。 耗盡層越窄, 結(jié)電容的值越大。相反, 較寬的耗盡層(如PIN光電二極管) 會表現(xiàn) 出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。 而光電二極管的寄生電

29、阻RPD（也稱作“分流”電阻或“暗”電阻), 則與光電二 極管的偏置有關(guān)。 與光伏電壓方式相反, 光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個反向偏置電壓加至 光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測器件時, 耗盡層的寬度會增加, 從而大 幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作, 然而, 線性 度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設(shè)計將增加二極管的漏電流IL和線性 誤差。 3.1.33.1.3 前置放大電路前置放大電路 圖（3.1）所示的是光電檢測系統(tǒng)的前置放大電路。為了減小PIN光電二極管 暗電流的影響，前置放大電路中PIN光電二極管采用零伏電路偏置的電路設(shè)計(工 作于光伏模式)，即將

30、PIN供電二極管跨接于運(yùn)算放大器的兩個輸入端，利用運(yùn)算 放大器的“虛地”點形成零伏偏置。 圖（圖（3.3） 前置放大電路前置放大電路 3 3. .2 2 自動控制增益電路設(shè)計自動控制增益電路設(shè)計 3.2.13.2.1 自動增益控制電路的工作原理自動增益控制電路的工作原理 該自動增益控制電路由單片機(jī)、運(yùn)算放大器、數(shù)字電位器、比較器、采樣保 持器及A/ D 轉(zhuǎn)換器組成。該電路原理框圖如圖（3.3）所示。由圖（3.3）可以 看出,被測信號經(jīng)光電傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出電流信號,經(jīng)I/ V 變換電路將 電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,該電壓信號被由數(shù)字電位器作為反饋電阻的放大器放 大后進(jìn)入比較器,觸發(fā)器被比較

31、器輸出的電平觸發(fā)后送單片機(jī)中斷。單片機(jī)響應(yīng) 中斷信號后啟動采樣保持器和A/ D 轉(zhuǎn)換器,根據(jù)采樣結(jié)果分析該信號幅度是否在 規(guī)定范圍之內(nèi),從而相應(yīng)的輸出控制信號給數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)放大器的反饋電阻, 使放大器的輸出穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi),滿足后續(xù)數(shù)據(jù)采集電路的需要。 該放大電路的增益G為 )1lg(20lg20 i f vp R R AG 式(1) 中放大倍數(shù),為數(shù)字電位器的阻值,Ri為放大器反向端電阻。 i f vp R R A1 圖（圖（3.4）自動控制增益電路原理框圖）自動控制增益電路原理框圖 3.2.23.2.2 自動增益控制電路的實現(xiàn)自動增益控制電路的實現(xiàn) 如圖（3.4）光電傳感器輸出的電流

32、信號經(jīng)前置放大電路實現(xiàn)I/ V變換將電流 信號變?yōu)殡妷盒盘朧1 ，負(fù)載電阻R2 的選擇應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)而定,總的來講是負(fù)載電阻愈小愈 好。負(fù)載電阻越小,光電流和照度的線性關(guān)系越好,線性關(guān)系的范圍也越廣。 圖（圖（3.53.5） 如圖（3.5）所示,V1 進(jìn)入由X9313作為反饋電阻的放大器電路中放大。X9313 是美國Xicor公司生產(chǎn)的數(shù)字電位器,有32個電阻值,其電阻值可通過外部的數(shù)字 信號進(jìn)行控制,選擇好的電阻值被保存在非易失性存儲器中。X9313由輸入部分、 非易失性存儲器和電阻陣列三部分組成。輸入部分類似一個升/ 降計數(shù)器,其輸 出經(jīng)譯碼后控制接通某個電子開關(guān),這樣就把電阻陣列上的一個點連

33、接到滑動輸 出端,電阻陣列是由32個等值的電阻和與之相配套的電子開關(guān)組成。兩個頂腳引 線分別接V H 和VL,中間抽頭為VW/CS 、INC 和U/D和為三個控制端,分別與CPU AT89C52 的P1.0、P1.1和P1.2相連,根據(jù)控制端的電平,計數(shù)器的內(nèi)容可電阻R2 的選擇應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)而定,總的來講是負(fù)載電阻愈小愈好。負(fù)載電阻越小,光電流和 照度的線性關(guān)系越好,線性關(guān)系的范圍也越廣。以儲存到非易失存儲器以便以后 使用。系統(tǒng)上電時,器件自動將非易失性存儲器中的值送到計數(shù)器,作為計數(shù)器的 輸出。 圖（圖（3.63.6） 放大器的輸出分成兩路,其中一路進(jìn)入電壓比較器LM339 ,另一路進(jìn)入采樣保

34、 持器LF398,如圖（3.5）所示。 當(dāng)放大后的信號電平超過比較電平后就觸發(fā)了D觸發(fā)器74LS74,觸發(fā)器的輸出 發(fā)中斷給CPU AT89C52 的IN T0,CPU響應(yīng)中斷后,啟動采樣保持器LF398和A/D轉(zhuǎn)換 器ADC0804，如圖4所示。CPU根據(jù)采樣所得信號幅度相應(yīng)的調(diào)整數(shù)字電位器X9313 的數(shù)值,最后清D觸發(fā)器,重新開始新的一次采集轉(zhuǎn)換工作,如此往復(fù),最終調(diào)整信 號輸出穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi),從而滿足實際現(xiàn)場信號采集的需求。 3 3. .3 3 主放大電路與濾波電路設(shè)計主放大電路與濾波電路設(shè)計 3.3.13.3.1 主放大電路設(shè)計主放大電路設(shè)計 眾多需要檢測的微弱光信號通常都是通過

35、各種傳感器來進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換, 從而使檢測對象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量, 同時受 各種不同傳感器靈敏度的限制,因而所得到的電量自然是小信號, 一般不能直接 用于采樣處理。本設(shè)計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用, 但后續(xù)電路一般為A/D轉(zhuǎn)換電路, 所需電壓幅值一般為2 V。然而, 即使是這樣, 而輸出的電壓信號一般還需要繼續(xù)放大幾百倍, 因此還需應(yīng)用主放大電路。其典 型放大電路如圖4所示。 該主放大器的放大倍數(shù)為A=1+R2/R3, 其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的 正常工作, 設(shè)計時需要設(shè)定合理的R2和R1值, 以便得到所需幅值的輸出電壓。即 有

36、iio U R R AUU)1 ( 1 2 圖（圖（3.6） 373.2373.2 濾波器設(shè)計濾波器設(shè)計 為使電路設(shè)計簡潔并具有良好的信噪比,設(shè)計時還需要用帶通濾波器對信號進(jìn) 行處理。為保證測量的精確性,本設(shè)計在前置放大電路之后加入二階帶通濾波電 路,以除去有用信號頻帶以外的噪聲,包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲。 這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號,而抑制該頻段以外的信號。 該濾波器的幅頻特性如圖（3.7）所示。圖（3.7）中,f1、f2分別為上下限截止 頻率,f0為中心頻率,其頻帶寬度為:B=f2- f1=f0/Q式中,Q為品質(zhì)因數(shù),Q值越大, 則隨著頻率的變化,增益衰減越

37、快。這是因為中心頻率一定時,Q值越大,所通過的 頻帶越窄，濾波器的選擇性好。有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)算 放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對于無源濾波器的特點是體積小、 重量輕、價格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、輸出 阻抗低、高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性,且構(gòu)成簡單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計選用 了去處放大器來進(jìn)行設(shè)計。 圖（圖（3.83.8） 二階帶通濾波器的幅頻特性二階帶通濾波器的幅頻特性 圖（3.8）所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS) 帶通濾波器,其 濾波電路采用有源濾波器完成,并由二階壓控電壓源(VCVS) 低通濾波器和二階壓 控

38、電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。 圖（圖（3.9） 二階帶通濾波器二階帶通濾波器 對于第一部分, 即低通濾波器, 系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc, 其傳遞函數(shù) 為： 式中: 2 354353435 1 6 7 1 354 1 2 1 ; 111 1; )( CRR b CRCRCR A a R R A CRR A K baSS K sH 第二部分為高通濾波器, 系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc, 其傳遞函數(shù)如下: 4 2 984849 2 10 11 2 10 11 2 2 2 1 ; 21 ;11 )( CRR b CRCR A a R R A R R AK baSS KS SH ；式子中，

39、3 3. .4 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 3.4.13.4.1 A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 氣體的吸收光信號經(jīng)PIN轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)過前置放大、帶通濾波、同步積累 后與參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從鎖相放大器輸出的是一個攜帶了氣體吸收信息的 模擬電壓信號。為了將模擬量輸入到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成測量結(jié)果的輸出 或顯示，就要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這一轉(zhuǎn)換過程借助A/D轉(zhuǎn) 換器來完成。 要將模擬信號不失真地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，必須選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足系 統(tǒng)的要求。 A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個測量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關(guān)。 但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度，因為系統(tǒng)

40、精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器變換 精度，信號預(yù)處理電路精度和A/D換器及輸入電路等等。A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到 轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要的時間就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；其倒數(shù) 就 是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)即轉(zhuǎn)換速率。用不同原理實現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時 間 是大不相同的，總的來說，積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速 度 較慢，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間從幾ms到幾十ms不等，適用于一般 對溫度、壓力、流量等慢變化量的檢測。逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可 從 幾s到100s左右，屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間最短的高速A/D轉(zhuǎn)換器是那 些用雙極型或CMOS

41、工藝制成的全并行型、串并行型和電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)型的A/D轉(zhuǎn) 換器。轉(zhuǎn)換時間僅20100ns。即轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1050MSPS。高速A/D轉(zhuǎn)換器適用 于雷達(dá)、數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。一般來 說，對于直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器，其它情況都要加采樣保 持器。 在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字輸出值取決于量化的輸入值與“滿度”基準(zhǔn)之比。若 基準(zhǔn)能隨第二個模擬輸入信號而變化，則數(shù)字輸出就與模擬信號和基準(zhǔn)信號之比 成正比。這樣， “比例”型模數(shù)轉(zhuǎn)換器就可以看作為一個以數(shù)字輸出的模擬除法 器。因為檢測系統(tǒng)采用的差分吸收檢測技術(shù)，實際上就是要將攜帶氣體吸收的信 號與沒有被吸收的參考

42、信號進(jìn)行差分運(yùn)算，被測氣體的濃度最后由兩路輸出的電 壓值確定，系統(tǒng)選擇參考波長的輸出電壓Uo(2)為A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。在正 常使用中，如果出現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器芯片的電流驟增、突然發(fā)熱，只要把電源關(guān)了， 再重新打開，就會發(fā)現(xiàn)一切又正常了。這是可控硅現(xiàn)象，時間一長，芯片就會燒 壞。由于芯片襯底存在著寄生的橫向PNP管和縱向NPN管形成的可控硅結(jié)構(gòu)。 如果輸人信號脈沖越過了額定值(VDD+0.5VVINVSS-0.5V)，產(chǎn)生較大的輸入 電流，就會使寄生管獲得正偏激發(fā)寄生可控硅導(dǎo)通，使VDD與VSS或與地之間形成 直接通路，產(chǎn)生大的電路電流。這是CMOS管集成電路的先天缺陷，還無從根本上 杜絕發(fā)生

43、的可靠方法。但可采取一些措施有效地抑制這種現(xiàn)象的發(fā)生。盡量避免 較大的電流干擾竄入電路，加強(qiáng)各級的抗干擾措施；加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施，在 A/D芯片電源入口處加退耦濾波電路。為防止窄脈沖竄入，所有電解濾波電容上 加接一高頻濾波電容。還可以在A/D芯片上VDD端中人一個100200的限流電阻。 這個電阻基本不會影響A/D轉(zhuǎn)換器的正常工作，但在出現(xiàn)可控硅現(xiàn)象時，可有效 地把電流限在50mA以下，以保證不會燒壞芯片。 結(jié)束語結(jié)束語 該系統(tǒng)設(shè)計了研究了用于實現(xiàn)光譜吸收型光纖氣體傳感技術(shù)的差分吸收檢測 技術(shù)和頻率調(diào)制諧波檢測技術(shù)，設(shè)計了基于差分吸收原理的光電檢測系統(tǒng)，其中 包括了前置放大電路，以實現(xiàn)I/V

44、轉(zhuǎn)換；主放大電路和濾波電路，用于放大和濾 波的；基于單片機(jī)、運(yùn)算放大器、數(shù)字電位器、比較器、采樣保持器及A/ D 轉(zhuǎn) 換器的自動增益電路,可根據(jù)不同的應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)理信號幅值在規(guī)定的范圍內(nèi),實際 應(yīng)用證明該電路方便靈活,適應(yīng)性強(qiáng),保證了信號采集的精度。 整個系統(tǒng)，針對微弱信號檢測中的穩(wěn)定性和噪聲問題設(shè)計了一種極微弱光電 流信號檢測電路；采用程控增益可調(diào)電路，有效的檢測氣體吸收信號的同時很好 的解決了參考信號易飽和的問題；系統(tǒng)采用AVR 單片機(jī)作為控制器，整個光電檢 測、采集形成一個便攜式系統(tǒng)；理論分析和試驗表明，該系統(tǒng)具有很高的精度和 穩(wěn)定性，能有效的滿足氣體差分檢測的要求。 致謝致謝 大學(xué)四年匆

45、匆而過，在我的畢業(yè)論文完成之際，在此我向在大學(xué)期間指導(dǎo)過 我的老師和幫助過我的同學(xué)表示衷心的感謝。 首先要感謝我的導(dǎo)師王敏老師，我的畢業(yè)論文完成的每一個過程都傾注了鄭 老師的心血和辛苦。在畢業(yè)設(shè)計期間，王老師的熱情，認(rèn)真，嚴(yán)謹(jǐn)，時刻關(guān)注著 我論文的進(jìn)度，與我們及時的交流，指正我在設(shè)計論文中的誤區(qū)，這些將使我終 身受益。王老師在我畢業(yè)設(shè)計半年的時間里，在學(xué)習(xí)上，給予了我很多的幫助和 指導(dǎo)。王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神使我受益匪淺，更是值得我一生借鑒和學(xué)習(xí)。 感謝 06 機(jī)電的所有同學(xué)，和大家一起四年的學(xué)習(xí)生活給我留下了很多美好 的回憶，希望所有同學(xué)在以后的道路上越走越好。也許分開只是暫時的，但是四 年的

46、感情是我一輩子都要珍惜的。 感謝我的父母，是你們的支持才有今天的我，走出校門后我一定不辜負(fù)你們 的期望。 最后，感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友，我的人生中永遠(yuǎn)有你們可愛 的笑臉。 附錄附錄 氣體差分檢測中光電檢測設(shè)計系統(tǒng)電路圖氣體差分檢測中光電檢測設(shè)計系統(tǒng)電路圖 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： 1、諸波編， 光電檢測和信號處理 ，南京郵電大學(xué) 2、王正清， 光電探測技術(shù) ，電子工業(yè)出版社 3、雷玉堂， 光電檢測技術(shù) ，中國計量出版社 4、王玉田,鄭龍江， 光電子學(xué)與光纖傳感器技術(shù) ,國防工業(yè)出版社 5、李小瑩， 傳感器與檢測技術(shù) ，高等教育出版社 6、林德杰， 電氣檢測技術(shù) ，機(jī)械工業(yè)出版社 7、喻

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50、e on,2003,Vol.2:1363-1366 17、曹茂勇,張逸芳,張士昌.吸收光譜式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計.煤炭學(xué)報, 1997,22(3): 280-283 翻譯翻譯e 馬,陪F?lm嫄 W 壙獑?N?)?0?q?3拞屓?p 勌 m:b5a 漬璺1 疆 lv0 瘩艌 v?2 屘 b 瘌 Tq 妋 4UK袢,疀薤,A6 玭$? $徤?|?罪=T?G 駁 op1 尚懇袹戦疈 u 圻?賡 O?a?*p 懡 0L )w 懱拽?E?/扢?9 镃/潺hR烞 b 蔔 Ye 嚁劑 Bb?捚?慳曥 T?UFUZ!醋 MM 蘇g 壺鰷伸?qfg%厧1t? 戯憤焿驆罳騙萡 P?躀 cP 縮蒕?nP 砫

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