CN102519522A

CN102519522A - 一种雪崩光电探测器信号补偿装置和方法

Info

Publication number: CN102519522A
Application number: CN2011104346433A
Authority: CN
Inventors: 靳占军; 霍佃恒; 张勇; 张永庆; 马宏
Original assignee: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明涉及一种雪崩光电探测器信号补偿装置及方法，属于分布式光纤传感领域，本发明通过一种基于负反馈的硬件检测控制装置，包括数字温度传感器、电压综合控制模块、外部E2PROM、雪崩光电探测器（APD），使用非线性的曲线拟合数据计算方法，精确补偿雪崩光电探测器（APD）的响应非线性，使雪崩光电探测器（APD）在较宽的温度范围内（零下5至50℃）增益保持恒定，很大程度的提高分布式光纤传感器在较宽温度范围的测量精度和稳定性。

Description

一种雪崩光电探测器信号补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及一种雪崩光电探测器信号补偿装置及方法，属于分布式光纤传感领域。

背景技术

雪崩光电探测器（APD）是分布式光纤传感器系统中将光信号转化成电信号的关键部件，雪崩光电探测器的增益稳定情况直接影响系统的性能指标及稳定性；但是雪崩光电探测器的增益深受工作环境温度和施加到雪崩光电探测器的电压的双重影响，要想保持雪崩光电探测器增益不变，必须在环境温度变化时，精确改变加到其上的电压值。现在解决这种问题的方法主要有两种，一种是将雪崩光电探测器置于一个温度恒定系统中，但这种方法需要引入一个恒温系统，控制方式复杂，增多了系统的风险点，同时也大大增大系统整体体积，受到很大限制；另一种方法是使用温敏电阻在环境温度变化时补偿雪崩光电探测器电压，控制雪崩光电探测器增益不变，但雪崩光电探测器增益受温度和电压影响是非线性的，此种方法经过严格调整后，在较小的温度范围内还可以满足要求，但在零下5至50℃范围内，雪崩光电探测器增益仍有较大改变。分布式光纤传感器系统需要一种在较宽温度范围内能够精确补偿雪崩光电探测器（APD）的响应的装置和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精确补偿雪崩光电探测器（APD）的非线性响应，使雪崩光电探测器（APD）在较宽的温度范围内（零下5至50℃）增益保持恒定的装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种雪崩光电探测器信号补偿装置及方法，包括：

数字温度传感器、将光信号转化成电信号的雪崩光电探测器、对电压实行闭环控制的电压综合控制模块、用于数据存储的外部E2PROM，其特征在于：所述数字温度传感器和雪崩光电探测器被夹持在一个铝质热沉夹具中；所述数字温度传感器将雪崩光电探测器实时温度信息转化为数字信号传送给电压综合控制模块，所述电压综合控制模块输出电压信号给雪崩光电探测器，所述电压综合控制模块与外部E2PROM之间进行数据存取。

本发明的有益效果是：采用高精度数字温度传感器准确监测APD温度，通过和APD实际响应曲线拟合得到的公式精确计算施加到APD的电压，并在ADC反馈的基础上通过DAC精确调整施加到APD的电压值，很精确的控制APD增益在零下5至50℃温度范围内保持恒定。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述电压综合控制模块包括微控制器，模数转换器，数模转换器，雪崩管电源，所述雪崩管电源与雪崩光电探测器相连接，为雪崩光电探测器提供工作电压，所述微控制器与外部E2PROM相连接，用于数据的存取，所述微控制器还与数字温度传感器相连接，用于获取温度信息，所述模数转换器与雪崩管电源相连接，用于检测雪崩管电源的电压信号，所述模数转换器与微控制器相连接，用于将电压信号传送给微控制器，所述微控制器还与数模转换器相连接，用于传送调整信号给数模转换器，所述数模转换器与雪崩管电源电压调整端相连接，用于传送模拟电压信号，从而调整雪崩管电源的输出电压。

进一步，所述雪崩管电源的电压调整端输入0至2.5V的电压时，其输出端可对应输出0至300V范围内的电压值。

采用上述进一步方案的有益效果是利用微控制器控制数模转换器输出，数模转换器的输出调整雪崩管电源的输出，使雪崩管电源的输出可以精确补偿雪崩光电探测器（APD）的非线性响应，使雪崩光电探测器（APD）在较宽的温度范围内（零下5至50℃）的增益保持恒定。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明雪崩光电探测器（APD）在零下5至50℃范围内保持100倍增益以5℃为间隔分段测定的电压值列表；

图3为本发明分段电压测定值曲线（系列1）及拟合曲线（系列2）图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、外部E2PROM ，2、电压综合控制模块，3、微控制器，4、数模转换器（DAC），5、模数转换器（ADC），6、雪崩管电源，7、雪崩管光电探测器（APD），8、数字温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

参见附图1至3，本发明包括数字温度传感器 8、将光信号转化成电信号的雪崩光电探测器（APD） 7、对电压实行闭环控制的电压综合控制模块 2、用于数据存储的外部E2PROM 1，其特征在于：所述数字温度传感器 8和雪崩光电探测器（APD） 7被夹持在一个铝质热沉夹具中；所述数字温度传感器 8将雪崩光电探测器（APD） 7实时温度信息转化为数字信号传送给电压综合控制模块 2，所述电压综合控制模块 2输出电压信号给雪崩光电探测器（APD） 7，所述电压综合控制模块 2与外部E2PROM 1之间进行数据存取。

所述电压综合控制模块 2包括微控制器 3，模数转换器（ADC） 5，数模转换器（DAC） 4，雪崩管电源 6，所述雪崩管电源 6与雪崩光电探测器（APD） 7相连接，为雪崩光电探测器（APD） 7提供工作电压，所述微控制器 3与外部E2PROM 1相连接，用于数据的存取，所述微控制器 3还与数字温度传感器 8相连接，用于获取温度信息，所述模数转换器（ADC）与雪崩管电源 6相连接，用于检测雪崩管电源 6的电压信号，所述模数转换器（ADC） 5与微控制器 3相连接，用于将电压信号传送给微控制器 3，所述微控制器 3还与数模转换器（DAC） 4相连接，用于传送调整信号给数模转换器（DAC）4，所述数模转换器（DAC） 4与雪崩管电源 6电压调整端相连接，用于传送模拟电压信号，从而调整雪崩管电源 6的输出电压。

与雪崩光电探测器（APD） 7紧密固定在一起的数字温度传感器 8实时监测到雪崩光电探测器（APD）的温度T，微控制器 3经过计算得到此时应该施加到APD 7的电压值Vt，同时模数转换器（ADC） 5检测到雪崩管电源 6的当前电压Vo，雪崩管电源 6电压偏差V（V =Vt-Vo），然后通过数模转换器（DAC） 4将雪崩管电源 6电压调整V，使APD 7的温度变化时雪崩管电源 6的电压一直趋于Vt，以保持雪崩光电探测器（APD） 7增益不变。在此装置中ADC 5起到了电压反馈的作用，还可以用于判断雪崩管电源 6工作是否正常。

附图2是保持雪崩光电探测器（APD） 7增益为100倍时在零下5至50℃范围内测得的应施加到雪崩光电探测器（APD） 7的电压列表，绘制曲线附图3中系列1所示，可以看出雪崩光电探测器（APD） 7响应的是非线性的。为了准确得到针对某个温度的雪崩光电探测器（APD） 7电压值，就需要首先对此曲线进行拟合，曲线拟合工具有很多种，在本实施例中采用excel作为拟合工具对分段电压测定值曲线进行拟合，拟合后得到拟合系数并将其存入外部E2PROM 1中，在系统初始化时微控制器 3从外部E2PROM 1中读取出拟合系数，微控制器 3通过数字温度传感器 8得到雪崩光电探测器（APD） 7的实时温度T，依据拟合公式计算得到响应电压Vt。经计算，此曲线（图3中系列1曲线）的拟合公式为：

Figure 2011104346433100002DEST_PATH_IMAGE001

（-5℃≤T≤50℃）

其响应曲线为附图3中系列2，可以看出系列2和系列1曲线基本重合，拟合准确度达到99.9%。

理论上，对雪崩光电探测器（APD） 7响应曲线进行拟合，雪崩光电探测器（APD） 7取的测试点越多拟合效果越好，在响应温度段内雪崩光电探测器（APD） 7任意温度下的电压越准确，这样就保证雪崩光电探测器（APD） 7在此温度段内的增益更稳定，测试点间隔5℃已经可以保证雪崩光电探测器（APD） 7在零下5至50℃范围内增益误差在±0.2%之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种雪崩光电探测器信号补偿装置，包括数字温度传感器、将光信号转化成电信号的雪崩光电探测器、对电压实行闭环控制的电压综合控制模块、用于数据存储的外部E2PROM，其特征在于：所述数字温度传感器和雪崩光电探测器共同被夹持在一个铝质热沉夹具中；所述数字温度传感器探测雪崩光电探测器的实时温度信息并将其转化为数字信号传送给电压综合控制模块，所述电压综合控制模块输出电压信号给雪崩光电探测器，所述电压综合控制模块与外部E2PROM之间进行数据存取。

2.根据权利要求1所述的一种雪崩光电探测器信号补偿装置，其特征在于：所述电压综合控制模块包括微控制器，模数转换器，数模转换器，雪崩管电源，所述雪崩管电源与雪崩光电探测器相连接，为雪崩光电探测器提供工作电压，所述微控制器与外部E2PROM相连接，用于数据的存取，所述微控制器还与数字温度传感器相连接，用于获取温度信息，所述模数转换器与雪崩管电源相连接，用于检测雪崩管电源的电压信号，所述模数转换器与微控制器相连接，用于将电压信号传送给微控制器，所述微控制器还与数模转换器相连接，用于传送调整信号给数模转换器，所述数模转换器与雪崩管电源电压调整端相连接，用于传送模拟电压信号，从而调整雪崩管电源的输出电压。

3.根据权利要求2所述的一种雪崩光电探测器信号补偿装置，其特征在于:所述雪崩管电源的电压调整端输入0至2.5V的电压时，其输出端可对应输出0至300V范围内的电压值。

4.一种雪崩光电探测器信号补偿方法，该补偿方法包含以下步骤：

Figure 2011104346433100001DEST_PATH_IMAGE001

首先要在保持雪崩光电探测器输出增益不变，且温度在零下5至50℃范围内的条件下，以大于或等于1℃并小于55℃为温度间隔记录对应实验测得的电压值，并以温度与电压点对点的关系为数据信息绘制分段电压测定值曲线；

拟合处理：对所绘制的分段电压测定值曲线利用曲线拟合工具进行拟合，得到拟合公式为：

Figure 2011104346433100001DEST_PATH_IMAGE003

其中，a、b、c是在零下5至50℃范围内拟合曲线的拟合系数值；

根据拟合公式中的拟合系数，形成目标电压计算公式：

Figure 2011104346433100001DEST_PATH_IMAGE005

其中，温度T通过数字温度传感器探测测得；

检测被控装置的电压，若检测电压值大于目标电压值，则减小数模转换器的输出电压，若检测值小于目标电压，则增大数模转换器的输出电压，从而调整被控装置电压值到目标电压值Vt。