CN203629593U

CN203629593U - 用于光纤传感微弱信号的检测电路

Info

Publication number: CN203629593U
Application number: CN201320706451.8U
Authority: CN
Inventors: 胡辽林; 王亚萍; 陈飞
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2023-11-08

Abstract

用于光纤传感微弱信号的检测电路，包括光电探测器、前置放大电路、二级放大电路及滤波电路；光电探测器探测光信号且将光信号转变成电流信号；前置放大电路对电流信号进行放大；二级放大电路对微弱信号进一步放大和处理；放大后的信号经滤波电路滤除掉噪声信号。本实用新型采用了多种噪声抑制措施，信噪比较高，可以实现nW量级信号的检测，并且电路抗干扰能力强、稳定性很好，多次检测结果一致性高、线性度好，放大倍数可调，可以满足后续AD转换的需要。

Description

用于光纤传感微弱信号的检测电路

技术领域

本实用新型属于光电检测电路技术领域，涉及一种用于光纤传感微弱信号的检测电路。

背景技术

光纤传感器可用于应力、应变、温度、压强等参量的测量，因此受到广泛关注。光纤传感可以检测光纤中传输光波的物理特征参量（如功率、波长、频率、相位和偏振态等）的变化，实质是外界参量对光纤中传播的光波实行调制。对外界参量的测量精度主要由光波解调系统的精度决定，通常要求解调系统具有很高的解调速度和精度，能够检测微弱光信号，并可长期稳定工作。对光纤传感信号解调时，一般不能对含有传感信息的光信号直接进行处理，需要将其转换为电信号后再处理。光信号经过长距离传输或反射，有时十分微弱，一般在几nW到几百uW之间，外界环境对此影响也很大，这就对光电检测的设计提出了很高的要求。

在光电系统中，光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的检测和运算系统对接。光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏。在任何电子电路中，都会出现不同程度的噪声干扰。

弱光检测电路一个重要性能指标是对噪声的滤除能力，但在弱光检测时，光信号与噪声几乎处于同一数量级，信号很容易淹没在噪声中，不利于后续电路处理。并且在系统中，光电检测电路是在最前面的一个环节，如果光电检测电路的噪声比较大，后面的放大和检测系统的输出误差就非常大。需要有从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。

在光电检测电路中，有许多噪声来源，可分为外部噪声和内部噪声两种。外部噪声是光电系统受到的外界干扰，包括光源随机波动和附加光调制、背景起伏、杂散光的入射以及检测系统所受到的电磁干扰等。这些噪声可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤光片以及电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。内部噪声是光电系统本身产生的噪声，包括光电检测器件和检测电路等的器件固有噪声。这种噪声是电路的基本物理过程所决定的，只要电路工作，这种噪声就会存在，是不可能人为消除的，但可以通过选择适当的电路元件以及合理的设计电路结构来减小内部噪声。

典型的微弱信号检测方法有同步累积法、光子计数法、锁相放大法及窄带滤波法。同步累积法通过多次累积平均周期信号和随机噪声来获取有用信号，只有累积次数足够大时才使输出信噪比达到要求。光子计数是利用光电倍增管检测单个光子能量，通过光电子计数的方法进行测量，但只能检测极微弱的光信号，不能测量包含许多光子的短脉冲。锁定放大器则是把同步积分器作为相关器的前级而构成，同步积分器抑制大部分的噪声的同时提高了检测电路的过载电平，增大了动态贮备，减小了直流漂移，使系统的总动态范围得到改善。以上微弱信号检测方法结构较为复杂，成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于光纤传感微弱信号的检测电路，解决现有技术存的检测装置较为复杂，成本较高的问题。

本实用新型的技术方案，用于光纤传感微弱信号的检测电路，包括光电探测器、前置放大电路、二级放大电路及滤波电路；光电探测器探测光信号且将光信号转变成电流信号；前置放大电路对电流信号进行放大；二级放大电路对微弱信号进一步放大和处理；放大后的信号经滤波电路滤除掉噪声信号。

本实用新型的特点还在于：

光电探测器选用PIN光电二极管。

前置放大电路具有差分输入和调零输出功能，包括前置运算放大器AD711，通过N沟道结型FET对称管2N5196来实现运放的差分输入；N沟道结型FET对称管2N5196的两个源级之间连接有一个电位器，实现调零输出。

二级放大电路包括运算放大器，运算放大器选用ICL7650；在运算放大器的反相输入端连接一个电位器，实现放大倍数可调。

滤波电路为二阶压控电压源巴特沃斯型低通滤波电路。

还包括电源保护和电源滤波电路；电源滤波电路滤除掉电源的噪声信号。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用了多种噪声抑制措施，信噪比较高，可以实现nW量级信号的检测，并且电路抗干扰能力强、稳定性很好，多次检测结果一致性高、线性度好，放大倍数可调，可以满足后续AD转换的需要。

附图说明

图1是本实用新型用于光纤传感微弱信号的检测电路的基本结构框图；

图2是本实用新型用于光纤传感微弱信号的检测电路的检测电路图。

图中，1.光电探测器，2.前置放大电路，3.二级放大电路，4.滤波电路，5.电源保护，6.电源滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

依照弱信号检测理论，在电路设计中必须采取多项措施抑制噪声以提高信噪比，以满足后续处理电路对信号的要求。因此设计一种能够检测微弱光纤传感信号的光电检测和处理电路十分必要。

通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围内，它们的频谱分布和信号频谱大部分不相重叠，也没有同步关系。因此采用窄带滤波法也可以达到检测微弱信号的目的。本实用新型采用窄带滤波法，其成本低廉、实用简单且性能可靠。

本实用新型用于光纤传感微弱信号的检测电路，参见图1，包括光电探测器1、前置放大电路2、二级放大电路3、滤波电路4、电源保护5及电源滤波电路6。光电探测器1的作用是将探测到的光信号转换成便于处理的电信号，即将光强信号转变成电流信号。光电转换后的电流信号通常很微弱，通过前置放大电路2对信号进行放大，对于微弱信号的检测，前置放大倍数还不能满足要求，还需要二级放大电路3充分放大和处理，才能方便后续处理，滤波电路4滤除掉电路中的噪声信号。本实用新型采用窄带滤波法探测微弱信号，对于目前的光纤传感系统，待测信号一般是低频信号，因此，滤波电路4为低通滤波电路，滤除掉噪声信号。电源保护5是防止将电源的正负极接反从而造成元器件损坏。电源滤波电路6的作用是滤除掉电源的噪声信号。

光电探测器1选用PIN光电二极管。

前置放大电路2带有差分输入和调零输出，前置放大电路采用AD711作前置运算放大器，其具有优异的低噪声特性和低输入电流，用一个N沟道结型FET对称管2N5196来实现运放的差分输入。N沟道结型FET对称管2N5196的两个源级之间连接有一个电位器，来实现调零输出。

二级放大电路3的放大倍数可调，运算放大器选用ICL7650，其失调电压极低，可以很大程度地减少放大过程中引入的噪声。在运算放大器的反相输入端连接一个电位器，实现放大倍数可调。

滤波电路4为二阶压控电压源巴特沃斯型低通滤波电路。

电源保护5是在运算放大器的正负供电端添加二极管来实现电源保护。

电源滤波电路6是在给运算放大器供电的电源引脚附近添加电容实现对电源的滤波。

PIN光电二极管作光电探测器，由于输出电阻很小，因此可把它看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一种微电流的测量。由于运算放大器的开环输入电阻不是无穷大而是一个有限值，它本身的输入偏置电流不为零，所以总是有误差存在。为了获得高精度的微电流放大器，必须选用开环输入电阻高、输入偏置电流小的场效应晶体管输入型运算放大器，场效应管(FieldEffectTransistor，FET)的栅极漏电流很小，可以减少输入偏置电流。

光纤传感微弱信号的检测电路如图2所示，本实用新型采用AD711作为前置放大电路的运算放大器，在图2中为U1，其输入级为BiFET(BipolarFieldEffectTransistor)结构，具有优异的低噪声特性和低输入电流，温漂为3μV/℃，最大噪声为4μVP-P，输入失调电压为0.2mV，输入失调偏置电流为15-50pA。运放的输入失调电压对光电检测电路也有着很大的影响，也需要采取调零措施。为了获得较低的噪声和温度漂移，设计了带差分输入级和调零输出的前置放大电路。这里采用了一个电位器R₁₃，通过调节电位器即可降低输入失调电压对整个电路的影响。用一个N沟道结型FET对称管2N5196来调节运放的输入，在图2中为Q1A和Q2B，它具有极低的漏电流，约为5pA。电阻R₅为负反馈电阻，这样使PIN的输出电流几乎全部流过R₅，前放的输出电压为U_o1=I_p×R₅，I_p为PIN输出光电流。

前置放大的输出仍然比较低，需要二级放大。通常光信号强度变化范围较宽，如果放大电路的放大倍数过高，光强较强时，输出信号就会很大，不便于后续的采集与处理；放大倍数过小时，在光强较弱时输出信号会很弱，同样不便于采集和处理。因此在设计时需要考虑电压放大倍数可调，实现放大倍数可调的方法有两种：一种是采用可调电阻来实现；另一种是采用集成的程控放大器来实现，但程控放大器通常需要与单片机结合，且价格较高。这里采用电位器调节电阻来实现放大倍数可调。二级放大选用ICL7650，在图2中为U2，其失调电压极低，可以很大程度地减少放大过程中引入的噪声。总输出为：

U_{o} = I_{p} \times R_{5} \times \frac{R_{8}}{R_{7}}

调节电位器R₇，可以灵活地改变整个电路的电流电压放大倍数，使输出电压在mV到V量级之间变化。

对目前的光纤传感解调系统，其解调速度一般较低，待测信号是低频信号，为了改善传感系统的解调分辨率，还需要对二级放大后的信号进行低通滤波。本实用新型设计了一个电压增益为1的二阶压控电压源巴特沃斯型低通滤波电路。此滤波电路的运算放大器选择UA741CD，在图2中为U3。对于这个电路来说是比较简单的，采用图表法可以快速的确定相应的元件参数。一般实际元件参数相对设计值误差不超过5%即可满足要求。

供电电路对微弱信号放大有较大影响。要对电源极性进行保护，如果不小心将极性接反而又没有保护措施，会造成运放损坏，极性保护可以在运放的正负供电端加入两个二极管D1和D2来解决。在微弱信号检测电路中，为了减小电源的输出纹波，要对电源进行滤波，可以在供电引脚附近增加电容C₅和C₇。由多级运放组成的负反馈电路如果处理不当，会产生自激，防止自激的有效方法是对运放的电源进行高频滤波，在运放供电引脚附近增加工作特性稳定的高频去耦电容C₆和C₈。

Claims

1.用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：包括光电探测器（1）、前置放大电路（2）、二级放大电路（3）及滤波电路（4）；所述光电探测器（1）探测光信号且将光信号转变成电流信号；所述前置放大电路（2）对电流信号进行放大；所述二级放大电路（3）对微弱信号进一步放大和处理；放大后的信号经滤波电路（4）滤除掉噪声信号。

2.如权利要求1所述的用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：所述光电探测器（1）选用PIN光电二极管。

3.如权利要求1或2所述的用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：所述前置放大电路（2）具有差分输入和调零输出功能，包括前置运算放大器AD711，通过N沟道结型FET对称管2N5196来实现运放的差分输入；N沟道结型FET对称管2N5196的两个源级之间连接有一个电位器，实现调零输出。

4.如权利要求1或2所述的用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：所述二级放大电路（3）包括运算放大器，运算放大器选用ICL7650；在运算放大器的反相输入端连接一个电位器，实现放大倍数可调。

5.如权利要求1或2所述的用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：滤波电路（4）为二阶压控电压源巴特沃斯型低通滤波电路。

6.如权利要求1或2所述的用于光纤传感微弱信号的检测电路，其特征在于：还包括电源保护（5）和电源滤波电路（6）；所述电源滤波电路（6）滤除掉电源的噪声信号。