畢業(yè)論文---光電檢測方法研究

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　課 題： 光電檢測方法研究 </p><p>　　專 業(yè)： 06自動化 </p><p>　　班 級： 　　 　　 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、： 　　　 </p><p>　　學(xué) 號： 　　　</p><p>　　指導(dǎo)教師： 　　　　 </p><p>　　填表日期： 　2010-06-01　　　　　 </p><p><b>　　摘要</b></p><p

3、>　　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)、加工過程中產(chǎn)生的有害氣體進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)

4、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。</p><p>　　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，并配以具有極強抗噪性能的24bitsΣ－△模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7794，完成

5、高分辨率的數(shù)據(jù)采集。通過AVR 單片機控制實現(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。</p><p>　　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</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the development of oil a

6、nd 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 most energy sources. Many ki

7、nds 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 t

8、o detect more sensitive t</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論</p><p>　　1.1 課題的來源及意義</p><p>　　1.2 光電檢測系統(tǒng)概況和發(fā)展趨勢</p><p>　　1.3 論文的主要工作</

9、p><p>　　氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)</p><p>　　2.1 氣體差分檢測技術(shù)原理</p><p>　　2.2 光電檢測技術(shù)原理</p><p>　　2.3 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設(shè)計原理</p><p>　　第三章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>

10、;　　3.1 前置放大電路設(shè)計</p><p>　　3.2 自動控制增益電路設(shè)計</p><p>　　3.3 主放大電路與濾波電路設(shè)計</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) </p><p><b>　　結(jié) 束</b></p><p><b>　　致 謝</b>&l

11、t;/p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p><b>　　英文翻譯</b></p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1 選題的來

12、源和意義</p><p>　　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。</p><p>　　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

13、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)測系統(tǒng)，將甲烷和一氧化碳氣體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

14、井安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。</p><p>　　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)。</p

15、><p>　　1.2 光電檢測系統(tǒng)概況和國內(nèi)外發(fā)展情況</p><p>　　及時、準確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進行監(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

16、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)。</p><p>　　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、快速的微型光、機、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

17、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)等先進的光電檢測技術(shù)的進步和廣泛應(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。</p><p>　　1.3 論文主要工作<

18、;/p><p>　　1、系統(tǒng)總體框圖的設(shè)計</p><p>　　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</p><p>　　氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　2.1 氣體差分檢測技術(shù)原理</p><p>　　2.1.1 差分吸收光纖傳感機理</p><

19、;p>　　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。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)的長度與透射光強滿足：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中, I、Io分別是透射和入射光強；α是一定波長下的單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸收系數(shù)；β 是瑞利散射系數(shù)；γ是米氏散射系數(shù)；δ是氣體密

20、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</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　僅從(2) 式來確定待測氣體的濃度c 是困難的。因為δ反映平均數(shù), 它隨時間變化, 且是隨機量。如果用2個波長(λ1、λ1) 相隔極近(但在吸收系數(shù)上有很大差別

21、) 的單色光同時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，則有：</p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　由式(3) 和式(4) , 待測氣體的濃度可以表示為</p><p><b>　　(5)</b></p>

22、<p>　　由于λ1、λ2 相差很小, 并且光是幾乎同時接近和通過待測氣體的, 可以認為</p><p>　　這樣(5) 式就可以化簡為</p><p><b>　　(6)</b></p><p><b>　　適當調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)使</b></p><p><b>　　(7)&l

23、t;/b></p><p><b>　　式又可簡化為</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　由光學(xué)上的相近條件,有:</p><p>　　實際應(yīng)用中, 波長λ的光對應(yīng)檢測氣體的吸收譜線, 波長λ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

24、I ( λ1) < I ( λ2 ) ,I (λ2 )／I (λ1) > 1 和I (λ1 )／I (λ2 ) < 1。對ln [ I(λ2 )／I(λ1 ) ]進行泰勒展開:</p><p><b>　　(9)</b></p><p><b>　　所以氣體濃度為</b></p><p><b>

25、;　　(10)</b></p><p>　　在波長λ1，λ2下, 若氣體的吸收系數(shù)α1、α2可以測量,則氣體濃度就可以從I(λ1) - I (λ2) 和I(λ2) 的測量中求出。這種方式稱為差分吸收式。 </p><p>　　2.1.2 差分檢測系統(tǒng)工作原理</p><p>　　當光波通過氣體介質(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

26、傳播。所以通過充有待測氣體的氣室的光信號的強度會減弱,而光強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:.式中：I0 (λ) 為輸入光強度；I (λ) 為輸出光強；λ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；αm 為單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù)。對上式進行變換可得:，由式可知,因為L 為已知的定量，根據(jù)λ值可以得到αm ，所以我們通過測定I0 (λ) 和I (λ) 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

27、線,只有光源發(fā)出的入射光強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。</p><p>　　2.1.3 CH4 的吸收譜線</p><p>　　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

28、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λ1 =3.43μm ,λ2 = 6.78μm ,λ3 = 3.31μm ,λ4 = 7.66μm處。然而,工作在室溫下的LED 僅在2μm 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 處都存在很強的吸波長分別為1.33μm 和1.66μm。甲烷氣體的吸收譜圖如下圖所示。</p&g

29、t;<p>　　圖 甲烷氣體吸收譜圖</p><p>　　由圖可以看出,甲烷氣體在1.66μm 處的吸收波譜比1.33μm 處寬,吸收系數(shù)比在1.33μm 處大,吸收強度遠大于1.33μm 處的吸收強度。所以,選擇LD 做光源對1.66μm 處的吸收譜線進行檢測,有利于提高檢測的靈敏度。</p><p>　　2.1.4 差分吸收檢測方法：用波長分別為λ1 和λ2 的單色光,同

30、時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，中,波長λ2 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數(shù)可以表示為</p><p>　?。?） </p><p>　　式中　I (λ

31、)為氣室出射光的光強；(λ)為一定波長下的氣體的吸收系數(shù)；被測氣體的體積分數(shù)；為待測氣體與光相互作用的長度。若在波長λ1 ，2 下，體的吸收系數(shù)α(λ1 ) ，α (λ2 ) 可以測量，則氣體體積分數(shù)就可以從I (λ2 ) - I (λ1 )和I (λ2 )的測量中求出。氣體差分檢測的雙光路雙通道光電檢測系統(tǒng)框圖如下：</p><p>　　2.2 光電檢測技術(shù)原理</p><p>　　2.

32、2.1 光電信息技術(shù)</p><p>　　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。</p><p><b>　　它涉及到:</b></p><p>　　1、光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成</p><p>　　2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò)</p>

33、<p><b>　　3、光頻微電子</b></p><p>　　4、光電方法用于瞬態(tài)光學(xué)觀測</p><p>　　5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感</p><p>　　6、激光、紅外、微光探測，定向和制導(dǎo)</p><p>　　7、光電精密測試，在線檢測和控制技術(shù)</p><p>　　

34、8、混合光電信息處理、識別和圖象分析9、光電人工智能和機器視覺</p><p>　　10、光（電）邏輯運算和光（電）計算機及光電數(shù)據(jù)存儲</p><p>　　11、生物光子學(xué)檢測與測量</p><p>　　2.2.2 光電探測器：</p><p>　　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。</p><p>

35、<b>　　光電探測器的種類</b></p><p>　　2.2.3 光電檢測技術(shù)概括</p><p>　　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</p><p>　　2.2.4 光電檢測系統(tǒng)主要部分</p><p><b>　　1

36、.光學(xué)變換</b></p><p><b>　　2.光電變換</b></p><p><b>　　3.電路處理</b></p><p><b>　　光電檢測系統(tǒng)概括：</b></p><p>　　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

37、測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。</p><p>　　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運算、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。</p><p><b>　　光電檢測系統(tǒng)</b></p><p>

38、　　2.2.5 光電檢測系統(tǒng)作用——I-V轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) </p><p>　　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，由于負反饋作用的存在，運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

39、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，因此必須進行相位補償，方法是在Rf 兩端并聯(lián)一個容值在幾十Pf的電容。</p><p><b>　　圖（1）</b></p><p>　　設(shè)光電流為IP，假定運放為理想放大器，其輸入電阻和放大大倍數(shù)都為無窮大，則輸出電壓為：</p><p>　　2.3 氣體差分檢測中光電檢測系

40、統(tǒng)總體設(shè)計原理</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)設(shè)計原理</p><p>　　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，并配以具有極強抗噪性能的24bitsΣ－△模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7794，完成高分辨率

41、的數(shù)據(jù)采集。通過AVR 單片機控制實現(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 單片機作為控制器，整個光電檢測、采集形成一個便攜式系統(tǒng)。</p><p>　　2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計原理總體框圖</p><p>　　第三章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　3.1 前置放大電路設(shè)計</p>

42、<p>　　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。</p><p>　　前置放大電路的設(shè)計是光電系統(tǒng)的一個重要問題。前置放大電路要保證信號的</p><p>　　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。</p>

43、<p>　　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)?；プ璺糯笃骺梢钥朔@一缺點，它實際上是一個利用了運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。</p><p>　　PIN管探測到的信號，

44、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。</p><p>　　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。</

45、p><p>　　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行處理, 一般都要先進行預(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</p><p>

46、;　　3.1.1 光電二極管的工作模式</p><p>　　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

47、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)兩種模式之一進行最優(yōu)化設(shè)計,而不是對兩種模式都進行最優(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。</p><p>　　圖（3.1） 光電二級管的工作模式</p><p>　　本設(shè)計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱

48、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。</p><p>　　3.1.2 光電二極管的等效電路模型</p><p>　　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,IL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

49、噪聲源；RS為串聯(lián)電阻。</p><p>　　圖（3.2）光電二級管工作模型</p><p>　　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

50、) 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)。</p><p>　　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,

51、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。</p><p>　　3.1.3 前置放大電路</p><p>　　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PIN供電二極管跨接于運算放大器的兩個輸入端，利用運算放大器的“虛地”點形成

52、零伏偏置。</p><p>　　圖（3.3） 前置放大電路</p><p>　　3.2 自動控制增益電路設(shè)計</p><p>　　3.2.1 自動增益控制電路的工作原理</p><p>　　該自動增益控制電路由單片機、運算放大器、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

53、測信號經(jīng)光電傳感器進行光電轉(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入比較器,觸發(fā)器被比較器輸出的電平觸發(fā)后送單片機中斷。單片機響應(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。</p>

54、<p>　　該放大電路的增益G為</p><p>　　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。</p><p>　　圖（3.4）自動控制增益電路原理框圖</p><p>　　3.2.2 自動增益控制電路的實現(xiàn)</p><p>　　如圖（3.4）光電傳感器輸出的電流信號經(jīng)前置放大電路實現(xiàn)I/ V變換將電流信

55、號變?yōu)殡妷盒盘朧1 ，負載電阻R2 的選擇應(yīng)根據(jù)光強而定,總的來講是負載電阻愈小愈好。負載電阻越小,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。</p><p><b>　　圖（3.5）</b></p><p>　　如圖（3.5）所示,V1 進入由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

56、可通過外部的數(shù)字信號進行控制,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

57、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)光強而定,總的來講是負載電阻愈小愈好。負載電阻越小,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。</p><p><b>　　圖（3.6）</b></p><p>　　放大器的輸出分成兩路,

58、其中一路進入電壓比較器LM339 ,另一路進入采樣保持器LF398,如圖（3.5）所示。</p><p>　　當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)

59、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。</p><p>　　3.3 主放大電路與濾波電路設(shè)計 </p><p>　　3.3.1 主放大電路設(shè)計</p><p>　　眾多需要檢測的微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量的轉(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

60、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。</p><p>　　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

61、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</p><p><b>　　圖（3.6）</b></p><p>　　373.2 濾波器設(shè)計</p><p>　　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

62、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

63、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行設(shè)計。</p><p>　　圖（3.8） 二階帶通濾波器的幅頻特性</p><p>　　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

64、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電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。</p><p>　　圖（3.9） 二階帶通濾波器</p><p>　　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：</p><p><b>　　式中:</b></p><

65、;p>　　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:</p><p>　　3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) </p><p>　　3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　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</p><p>　　后與參考信號進行相關(guān)運算，從鎖相放大器輸出的是一個

66、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進行數(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。</p><p>　　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</p><p><b>　　統(tǒng)的要求。</b></p><p>　　A/

67、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)。</p><p>　　但又不能唯一確定系統(tǒng)的精度，因為系統(tǒng)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</p><p>　　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</p><p>　　是每秒鐘能完成的

68、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</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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</p>

69、<p>　　幾μs到100μs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</p><p>　　些用雙極型或CMOS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)</p><p>　　換器。轉(zhuǎn)換時間僅20~100ns。即轉(zhuǎn)換速率可達10~50MSPS。高速A/D轉(zhuǎn)換器適用</p><p>　　于雷達、數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時

70、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。</p><p>　　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”基準之比。若基準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

71、被吸收的參考信號進行差分運算，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(λ2)為A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓。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)。</p><p>　　如果輸人信號脈沖越過了額定值(VDD+0

72、.5V<VIN<VSS-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，加強各級的抗干擾措施；加強電源穩(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

73、容。還可以在A/D芯片上VDD端中人一個100~200Ω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。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　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

74、光電檢測系統(tǒng)，其中包括了前置放大電路，以實現(xiàn)I/V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、運算放大器、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,保證了信號采集的精度。</p><p>　　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

75、，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。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　大學(xué)四年匆匆而過，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

76、學(xué)表示衷心的感謝。</p><p>　　首先要感謝我的導(dǎo)師xx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，xx老師的熱情，認真，嚴謹，時刻關(guān)注著我論文的進度，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。xx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)。xx老師嚴謹?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)。</p>&l

77、t;p>　　感謝06機電的所有同學(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，但是四年的感情是我一輩子都要珍惜的。</p><p>　　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你們的期望。</p><p>　　最后，感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友，我的人生中永遠有你們可愛的笑臉。</p&g

78、t;<p><b>　　附錄</b></p><p>　　氣體差分檢測中光電檢測設(shè)計系統(tǒng)電路圖</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1、諸波編，《光電檢測和信號處理》，南京郵電大學(xué)</p><p>　　2、王正清，《光電探測技術(shù)》，電子工業(yè)出版社<

79、/p><p>　　3、雷玉堂，《光電檢測技術(shù)》，中國計量出版社</p><p>　　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</p><p>　　5、李小瑩，《傳感器與檢測技術(shù)》，高等教育出版社</p><p>　　6、林德杰，《電氣檢測技術(shù)》，機械工業(yè)出版社 </p><p>　　7、喻洪波

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