CN109387764A - 一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器 - Google Patents

Abstract

本发明一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，涉及光电二极管检测技术领域。其特点在于，金属屏蔽盒内包括设置的电路模块，光电池及光电池座，光纤及光纤接头、透镜及透镜底座，调节螺母，保温隔离及输出端子等。本发明保持光电二极管体积精巧，成本比光电倍增管低，灵敏度高及在抗干扰性优于光电倍增管的特色，采用高精度的电源为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接和为获得更佳的性能，采用飞安级运放为核心构成对称电路设计；采用带光纤和透镜组件的光引导方式，以及将所有敏感部件设置在金属屏蔽盒内和用敷铜形式包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线路技术措施为提高灵敏度，高抗干扰性作出贡献。

Description

一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器

技术领域

本发明涉及光电二极管检测技术领域，具体指一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器。

背景技术

在色谱和光谱类检测仪器领域中，涉及紫外和可见光检测器件较普遍采用光电二极管或者光电倍增管。采用光电二极管可以做到体积精巧，成本比光电倍增管低许多，而且灵敏度也毫不逊色，在抗干扰性方面也优于光电倍增管。进一步，具体到采用光电二极管检测，又分为反向偏置开漏输出以及跨阻放大电路较为常用。同时，在色谱仪器的前置放大电路的第一级，传统的采用AD549JHZ为核心运放构成，其为超低输入偏置电流运算放大器。因为属于To-99封装(8Lead Metal Can)，对于电路板设计来说尺寸过大，且为减小结电容效应还要求输入脚悬空，这些都不利于贴片集成电路的焊接和使用维护。虽然该器件价格昂贵，因为没有更合适的器件替代，长期只能作为第一级放大电路的首选，因为本身设计难度较大，且该器件对电路板的屏蔽设计要求较高，但实际应用中往往不能达到厂家所宣称的技术指标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器。

为实现高灵敏度和高抗干扰性，在电路设计和结构设计等方面本发明作如下改进：

第一，为提高灵敏度。在电路设计方面，首先，采用高精度的电源为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接。电路设计核心采用了ADI公司最新的飞安级运放。其次，针对色谱和光谱的特殊应用领域，为获得更佳的性能，采用了对称电路设计。

第二，为提高抗干扰性。首先，将所有敏感部件设置在金属屏蔽盒内。其次，用敷铜形式包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线路等。

本发明一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特点在于，金属屏蔽盒内包括设置的电路模块，光电池及光电池座，光纤及光纤接头、透镜及透镜底座，调节螺母，保温隔离及输出端子等。

所述电路模块包含高精度的电源，两级放大电路以电路方式连接；所述两级放大电路包括第一级测量光电二极管的跨阻放大器和第二级进行缓冲隔离的电压跟随器连接组成。

进一步，根据，采用色谱和光谱仪器的单色器，较为先进的多采用双光束系统，接受该双光束的两个光电二极管，应该尽可能性能一致、接受环境一致、光电转换和电路输出一致。则对光源、单色器、温度、电源，放大电路带来的同源干扰，在越好的对称性能条件下获得更佳的性能，其具体解释为通过后级AD电路以及MCU的控制和计算(采用朗伯比尔定律)，体现在后期仪器性能指标上是就是稳定平直的基线的基本原理，据此，电路采取完全对称结构。

采用金属屏蔽盒，虽然在前置放大电路抗干扰上采用较多的方案，但本发明的改进在于对金属屏蔽盒增加了新的功能，包括光纤接口和透镜调节功能，接口亦采用了专用密封和屏蔽元器件，在汇聚光能量的同时，又保证了金属屏蔽盒的空间气密性(隔绝性)，对光电池易受杂散光和温度干扰起到了较好的保护。

金属屏蔽盒设置有小孔引入光纤，使得光能量能够更加集中并且对光路的设计可以更加灵活。

光纤的出射光正对固定在金属屏蔽盒内侧的凹透镜，再汇聚到光电池上，可以更集中的汇聚光能量，从而可以在前期光路采用更窄的狭缝，减小了光的带宽，提高了光的纯度。

设置包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线，反馈电阻和反馈电容连接到高阻抗节点，沿着无源元件周围扩展的保护层，所述保护层为敷铜形式。

综上所述，本发明在电路设计上，采用高精度的电源为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接和为获得更佳的性能，采用飞安级运放为核心构成对称电路设计等；采用带光纤和透镜组件的光引导方式，以及将所有敏感部件设置在金属屏蔽盒内和用敷铜形式包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线路等技术措施为提高灵敏度，高抗干扰性作出贡献。

附图说明

图1为本发明一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器结构示意图；

图2为本发明实施例的线性电源电路原理图；

图3为本发明实施例的两级放大电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明是一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器(如附图1所示)，其特点在于，金属屏蔽盒1包括内设的电路模块3，光电池11及光电池座10，光纤4及光纤接头5、透镜6及透镜底座8，调节螺母7，保温隔离2及输出端子9。

所述电路模块3包含高精度的电源31，两级放大电路32以电路方式连接；所述两级放大电路32包括第一级测量光电二极管的跨阻放大器和第二级进行缓冲隔离的电压跟随器连接组成。

所述高精度的电源31为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接(如附图2所示)。

所述两级放大电路32包括第一级测量光电二极管的跨阻放大器和第二级进行缓冲隔离的电压跟随器连接组成，采用完全对称结构(如附图3所示)。

所述前置放大器为采用ADI公司的高精密电源管理模块为放大电路供电，第一级放大电路采用了先进的飞安级跨阻放大器(TIA，trans-impedance amplifier)的ADA4530-1；

所述第二级电压跟随器由OP27构成。

实施例采取了SOIC_N(R-8)小型贴片封装，价格合理，特别适合要求极低输入偏置电流和低输入电压的应用，在电路板设计中遵循厂家指导手册注意保护环和保护层以及连接接口，可设计出理想的色谱级运放。

鉴于放大电路是高灵敏度的，金属屏蔽盒的电磁屏蔽设计也决定了尽可能降低外界干扰。进一步，高精密电源的设计是降低电网波动和干扰对信号采集的影响。

使用光导纤维更有效地收集光路。金属屏蔽盒有小孔引入光纤，使得光能量能够更加集中并且对光路的设计可以更加灵活。

光纤的出射光正对固定在金属屏蔽盒内侧的凹透镜，再汇聚到光电池上，可以更集中的汇聚光能量，从而可以在前期光路采用更窄的狭缝，提高了光的纯度和带宽。

所述光电池嵌套在聚四氟乙烯材料制作的底座上，然后焊接到电路模块3上；光电池对温度比较敏感，通过底座的隔离，一方面是给予光电池一个稳定的支撑介质，同时起到隔热和保温的作用。

所述光电池的窗口设置有凹透镜，通过调整螺母改变单色光汇聚点的位置，进一步汇聚光路增强能量，而且封闭住光电池的感光面，避免了杂散光和气流的影响。

设置包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线，反馈电阻和反馈电容连接到高阻抗节点，沿着这些无源元件周围扩展的保护层，保护层为敷铜形式。

整个电路系统封闭在金属屏蔽盒内以减少外部的电磁干扰，也减弱了气流和温度对光电池的影响。

综上所述，本发明采用光电二极管保持体积精巧，成本比光电倍增管低，灵敏度高及在抗干扰性方面要也优于光电倍增管的特色。并进一步在电路设计上，采用高精度的电源为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接和为获得更佳的性能，采用飞安级运放为核心构成对称电路设计等；采用带光纤和透镜组件的光引导方式，以及将所有敏感部件设置在金属屏蔽盒内和用敷铜形式包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线路等技术措施为提高灵敏度，高抗干扰性作出贡献。

Claims (6)

1.一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，金属屏蔽盒(1)内设置包括电路模块(3)，光电池(11)及光电池座(10)，光纤(4)及光纤接头(5)、透镜(6)及透镜底座(8)，调节螺母(7)，保温隔离(2)及输出端子(9)。

2.如权利要求1所述的一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，所述电路模块(3)，包含高精度的电源(31)，两级放大电路(32)以电路方式连接。

3.如权利要求2所述的一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，所述高精度的电源(31)为整流滤波模块经线性稳压模块经低通滤波模块经高精度线性稳压器作电路方式连接；

所述两级放大电路(32)包括第一级测量光电二极管的跨阻放大器和第二级进行缓冲隔离的电压跟随器连接组成，采用完全对称结构。

4.如权利要求2所述的一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，所述前置放大器为采用跨阻放大器TIA的ADA4530-1；所述电压跟随器由OP27构成。

5.如权利要求1所述的一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，所述光电池嵌套在聚四氟乙烯材料制作的底座上，焊接在电路模块(3)上；

光路引入方式为单色器分光后的单色光通过光纤导入并正对凹透镜前端，通过调整螺母改变单色光汇聚点的位置，光电池置于凹透镜后端焦点附近。

6.如权利要求1所述的一种高灵敏度高抗干扰的光电二极管检测器，其特征在于，设置包围从光电池的引脚到输入的高阻抗线、反馈电阻和反馈电容连接到高阻抗节点，沿着无源元件周围扩展的保护层，所述保护层为敷铜形式。