CN107328473A - 一种光电探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电探测装置，所述装置包括光电转换电路、滤波电路、放大电路、电压转换电路和电源电路，所述光电转换电路包括一个反向电压的高速光电二极管和一个电流‑电压转换运算放大器；滤波电路包括二阶低通滤波放大器；放大电路包括一个超高速运算放大器；电压转换电路包括一个低噪声超高速运算放大器；经所述放大电路处理后的电压信号经过所述电压转换电路后转换为高速数据采集卡能输入的电压范围内；电源电路包括一个ISA接口和两个稳压芯片MC7805HE和MC7905，通过该电路对其他电路进行供电。该装置具有宽带、高速和低噪声的特点，能显著提高分布式光纤温度传感器的空间分辨率和温度分辨率。

Description

一种光电探测装置
技术领域
本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种光电探测装置。
背景技术
近年来，随着国民经济的快速发展和科学技术的进步，大型或超大型工程结构(如桥梁、大坝、输油管线、电力电缆、深海立管等)不断出现，可是这些工程结构的规模大，所处的环境非常恶劣且复杂，那么在建造和维护它们的过程中有必要进行实时的安全和健康监测，这对确保这些工程结构自身状态是否良好以及能否实现设定的功能非常重要。因此需要一种能够在长距离及大范围内实现温度和应变实时检测的传感技术。
传统的测量方法是在被测点布设大量的传感器，一方面传感器的选取、布设困难且成本高；另一方面应用环境会对传感器造成腐蚀和电磁干扰，影响测量准确性，并且需要经常更换传感器等。分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，解决了传统测量中测量准确性和频繁更换传感器的问题，同时借助于光纤的低传输损耗和宽的频带范围可以实现大的测量覆盖范围和高效的信息传输性能，显著降低单位信息成本，分布式光纤温度传感器有两个重要的技术指标，空间分辨率和温度分辨率，而光电探测电路的好坏直接影响空间分辨率和温度分辨率，现有技术中缺乏应用在分布式光纤温度传感器上的光电探测电路的设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电探测装置，该装置具有宽带、高速和低噪声的特点，能显著提高分布式光纤温度传感器的空间分辨率和温度分辨率。
一种光电探测装置，所述装置包括光电转换电路、滤波电路、放大电路、电压转换电路和电源电路，其中：
所述光电转换电路包括一个反向电压的高速光电二极管和一个电流-电压转换运算放大器；待检测的布里渊散射信号经过所述高速光电二极管转化为电流信号，该电流信号经过所述电流-电压转换运算放大器处理后转化为电压信号；
所述滤波电路包括二阶低通滤波放大器；经所述光电转换电路处理后的电压信号经过所述滤波电路进行滤波处理，以消除噪声杂波；
所述放大电路包括一个超高速运算放大器；用于对所述滤波电路处理后的信号进行放大处理；
所述电压转换电路包括一个低噪声超高速运算放大器；经所述放大电路处理后的电压信号经过所述电压转换电路后转换为高速数据采集卡能输入的电压范围内；
所述电源电路包括一个ISA接口，两个稳压芯片MC7805和MC7905，通过电源电路对其他电路进行供电。
所述高速数据采集卡将采集到的信号转换为计算机终端能够处理的数字信号，并输入到计算机终端进行相应处理。
在所述光电转换电路中，采用两个或两个以上的电阻串联构成系列反馈电阻来分散寄生电容。
选取PIN型光电二极管作为反向电压的高速光电二极管；
选取OPA656运算放大器作为电流-电压转换运算放大器。
所述二阶低通滤波放大器选用LMC6482芯片。
所述光电探测装置应用在分布式光纤温度传感器上，使所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率达到1m，温度分辨率达到1℃。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置具有宽带、高速和低噪声的特点，能显著提高分布式光纤温度传感器的空间分辨率和温度分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供的光电探测装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例所述光电转换电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的滤波电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例所述放大电路的电路结构示意图；
图5为本发明实施例所述电压转换电路的电路结构示意图；
图6为本发明实施例所述电源电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的光电探测装置的整体结构示意图，所述装置包括光电转换电路、滤波电路、放大电路、电压转换电路和电源电路，其中：
所述光电转换电路包括一个反向电压的高速光电二极管和一个电流-电压转换运算放大器；待检测的布里渊散射信号经过所述高速光电二极管转化为电流信号，该电流信号经过所述电流-电压转换运算放大器处理后转化为电压信号；
所述滤波电路包括二阶低通滤波放大器；经所述光电转换电路处理后的电压信号经过所述滤波电路进行滤波处理，以消除噪声杂波；
所述放大电路包括一个超高速运算放大器；用于对所述滤波电路处理后的信号进行放大处理；
所述电压转换电路包括一个低噪声超高速运算放大器；经所述放大电路处理后的电压信号经过所述电压转换电路后转换为高速数据采集卡能输入的电压范围内；
所述电源电路包括一个ISA接口，两个稳压芯片MC7805和MC7905，通过该电源电路对其他电路进行供电。
下面对上述各电路的具体构成进行详细说明：
如图2所示为本发明实施例所述光电转换电路的电路结构示意图，参考图2：选取PIN型光电二极管作为反向电压的高速光电二极管；选取OPA656运算放大器作为电流-电压转换运算放大器。这种跨阻抗接法直接将电流信号转换为电压信号，减小了放大器的输入阻抗,增加了带宽，比较容易获得最佳信噪比的信号。另外，由于光电转换电路的响应时间很大程度上取决于反馈电阻及其并联的寄生电容，为了将这个时间常数的影响减到最小，采用两个或两个以上的电阻串联构成系列反馈电阻来分散寄生电容，这里使用贴片电阻作为反馈电阻将有效地减少寄生电容。
具体实现中，反向电压的高速光电二极管是将光信号转换为电信号的关键器件，它的选取也是决定传感精度的一个重要因素，由于PIN型光电二极管具有频带宽、响应度高、噪声小、价格低廉、工作稳定等特点，因此这里选择PIN型光电二极管用于检测受激布里渊散射信号。同时在选择PIN光电二极管时，要尽可能选择灵敏度高，内阻较大，结电容小，保证温度稳定，以免带来额外噪声，综合考虑传感系统输出信号的特点，可以选用型号为PDCS985的PIN型光电二极管。
所述电流-电压转换运算放大器选用OPA656运算放大器。它可用于设计超高动态范围的跨阻放大器，具有极低的直流误差保证了在光学应用中具有很高的精度，高单位增益稳定的带宽和FET输入使其工作时具有高速和低噪声输入的卓越性能，并且可以实现230MHz的高增益带宽。所以OPA656运算放大器具有高的增益带宽、低输入电压和电流噪声的特点使其非常适用于具有宽带光电二极管的前置放大电路设计。
对于OPA656运算放大器的反馈电阻参数设置。首先光功率计测得的布里渊信号强度最小为-40dBm,信号电流非常小,要想改善信噪比,可以加大OPA656运算放大器的反馈电阻的阻值。例如当光电转换电流为10μA时，如果增大反馈电阻的阻值为100kΩ，则所述的电流-电压转换放大电路的输出电压为1V，信噪比肯定提高，但是频带宽度降至320KHz，频率特性变差。另外，反馈电阻太大会使电路产生自激震荡，要使输出信号的信噪比、频率特性、稳定性均表现最佳，选择合适的反馈电阻非常重要。
举例来说，分布式光纤温度传感器的输出信号功率在-40dBm～-10dBm之间变化，电流-电压转换运算放大器能探测的最大布里渊散射信号光功率设计为100μW，它的最大输入电流为：
I＝S×Φ (1)
其中布里渊散射光功率S为0.89A/W，PIN光电二极管的灵敏度Φ为100μW，代入式(1)，得I＝89μA。
OPA656的反馈电阻Rf为：
Rf＝VO/I (2)
其中VO为光电转换电路的输出电压，通过计算与实验调试，设置反馈电阻Rf＝10kΩ
时，电流-电压转换运算放大器的输出电压为0.89V。
对于OPA656运算放大器的反馈电容参数设置。为了达到最大的二阶巴特沃斯频率响应,其反馈极点应按下式设置：
经过转换后得到反馈电容Cf的计算公式为：
其中，GBP为OPA656的增益带宽，CD为前置放大电路中的源电容、光检测器的结电容和OPA656的输入寄生电容(包括共模输入电容和差模输入电容)之和。将GBP＝230MHz、Cf＝4pF、Rf＝10kΩ代入式(4)中得到总的反馈电容Cf＝0.4pF。另外设计时往往期望反馈极点设置在3.8MHz，将Rf＝10kΩ、Cf＝0.4pF代入式(3)中得1/2πRfCf＝3.8MHz，满足最佳反馈极点的要求，典型的贴片电容有0.2pF的寄生电容，因此图2中并联了一个0.2pF的反馈电容。
在本实例中，光电探测电路采用两级级联的方式，且第一级的增益远远高于第二级，根据放大器多级级联的噪声水平计算公式，当第一级增益较高时，噪声水平主要由第一级决定，所以前置放大电路的噪声水平决定了整个光电探测电路的噪声水平，噪声水平的计算公式如下：
基于OPA656的前置放大电路的等效输入噪声电流为：
其中，IN、EN分别为OPA656的反相输入电流、电压噪声，4KT＝1.6×10-2(T＝290K)，F为带宽截止频率，当Cf＝0.2pF时，F＝7.6MHz。
将相关参数代入式(6)得IEQ＝3.1fA/(Hz)1/2，这一数值高于OPA656自身的电流噪声1.3fA/(Hz)1/2，这一结果是占主导地位的等效输入噪声电流表达式的最后项，在这种情况下，使用低电压噪声运算放大器是必要的。
如图3所示为本发明实施例所提供的滤波电路的电路结构示意图，该滤波电路中的二阶低通滤波电路的放大器件选用LMC6482芯片，LMC6482芯片是双通道输入输出放大器，每个芯片上集成两个放大器。RC耦合电路的时间常数远大于输入信号的脉宽，耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数,时间常数如下：
tRC＝C3R3 (7)
RC耦合电路有以下三个作用：一是将电源中的高频纹波去除，将多级放大器的高频信号通过电源相互串扰的通路切断；二是大信号工作时，电路对电源需求加大，引起电源波动，通过退耦降低大信号时电源波动对输入级/高电压增益级的影响；三是形成悬浮地或是悬浮电源，在复杂的系统中完成各部分地线或是电源的协调匹配。
RC耦合电路通常取值在0.1μF～1μF之间，本实施例选择容值为220nF的RC耦合电路。这样较低频率的信号增加衰耗，频率越高的信号越容易耦合到下一级，另一方面是使交流信号能传送到下一级，同时阻断直流电源隔绝直流噪声。当信号送入第二级放大器时，就会有一个电压加在输入级上，如果输入级阻抗很小则势必会有较大电流通过，而前级电路又提供不了如此大的电流，输入电压就降低了，那么送进放大器的电压就比源电压要小很多了，不能有效放大；所以第二级输入阻抗值根据前级电路的输出电阻来选择，输入阻抗至少应该比前级电路的输出阻抗高出一个数量级，所以输入阻抗至少应为10kΩ，为了保证放大器的放大作用，选择的电阻R8＝50kΩ。
如图4所示为本发明实施例所述放大电路的电路结构示意图，采用超高速运算放大器OPA656对滤波后的信号进行放大，举例来说：
反馈电阻Rf1＝30kΩ，接地端电阻RG＝1kΩ，放大电路的增益为31，经过放大后的输出信号电压为：
Vi＝Vo(1+Rf/RG) (8)
另外，由于前级放大电路的最大输出电平为-5V～+5V，而高速数据采集卡的最大接收电压为范围为-0.65V～0.65V，因此为了避免信号放大过大需要对放大后的信号电压进行电压转换，使其输出的信号电压在高速数据采集卡的采集范围内，如图5所示为本发明实施例所述电压转换电路的电路结构示意图，采用低噪声超高速运算放大器TH3001实现电压转换电路的设计，经过转换后的输出电压为：
Vout＝Vi(Rf/RG) (9)
通过设置反馈电阻与接地电阻的比值，就可以使输出的信号幅值在高速数据采集卡的满度电压范围内，例如高速数据采集卡的最大电压为0.65V，输入电压最大为5V，选择反馈电阻为1kΩ，计算得到接地电阻为7.69kΩ，选择6.8kΩ和1kΩ的贴片电阻串联。
进一步的，该高速数据采集卡可以将采集到的信号转换为计算机终端能够处理的数字信号，并输入到计算机终端进行相应处理。
如图6所示为本发明实施例所述电源电路的电路结构示意图，该电源电路采用ISA接口，其总线定义了62条信号线，通过一个31脚分A、B两面的连接插槽来实现，其中A面为元件面，B面为焊接面。ISA总线与CPU兼容，具有20根地址线、8根数据线以及一些控制信号线、电源线、地线等接口信号线，本实施例中选用其中的4根电源线对其他电路进行供电。通过稳压芯片MC7805转换成5V电压，稳压芯片MC7905转换成-5V电压，给其模拟电路供电。
具体应用中，可以将本发明实施例所述的光电探测装置应用在分布式光纤温度传感器上，使所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率达到1m，温度分辨率达到1℃。首先将光信号转换成电信号，进行滤波去噪，然后进行电压放大，最后进行电压调整输给高速数据采集卡，从而实现分布式光纤温度传感器对某物体温度的测量。
综上所述，本发明实施例所述装置具有宽带、高速和低噪声的特点，能显著提高分布式光纤温度传感器的空间分辨率和温度分辨率。
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披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种光电探测装置，其特征在于，所述装置包括光电转换电路、滤波电路、放大电路、电压转换电路和电源电路，其中：
所述光电转换电路包括一个反向电压的高速光电二极管和一个电流-电压转换运算放大器；待检测的布里渊散射信号经过所述高速光电二极管转化为电流信号，该电流信号经过所述电流-电压转换运算放大器处理后转化为电压信号；
所述滤波电路包括二阶低通滤波放大器；经所述光电转换电路处理后的电压信号经过所述滤波电路进行滤波处理，以消除噪声杂波；
所述放大电路包括一个超高速运算放大器；用于对所述滤波电路处理后的信号进行放大处理；
所述电压转换电路包括一个低噪声超高速运算放大器；经所述放大电路处理后的电压信号经过所述电压转换电路后转换为高速数据采集卡能输入的电压范围内；
所述电源电路包括一个ISA接口，两个稳压芯片MC7805和MC7905，通过该电源电路对其他电路进行供电。
2.根据权利要求1所述光电探测装置，其特征在于，
所述高速数据采集卡将采集到的信号转换为计算机终端能够处理的数字信号，并输入到计算机终端进行相应处理。
3.根据权利要求1所述光电探测装置，其特征在于，
在所述光电转换电路中，采用两个或两个以上的电阻串联构成系列反馈电阻来分散寄生电容。
4.根据权利要求1所述光电探测装置，其特征在于，
选取PIN型光电二极管作为反向电压的高速光电二极管；
选取OPA656运算放大器作为电流-电压转换运算放大器。
5.根据权利要求1所述光电探测装置，其特征在于，
所述二阶低通滤波放大器选用LMC6482芯片。
6.根据权利要求1所述光电探测装置，其特征在于，
所述光电探测装置应用在分布式光纤温度传感器上，使所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率达到1m，温度分辨率达到1℃。
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