光電檢測方法研究畢業(yè)設計.doc

目 錄第一章 緒論第二章 氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應用的理論基礎2.1 氣體差分檢測技術(shù)原理2.2 光電檢測技術(shù)原理2.3氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設計原理第三章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設計3.1 前置放大電路設計3.2 自動控制增益電路設計總結(jié)語第一章 緒論 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。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用。它具有靈敏度高、響應速度快、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。光電檢測技術(shù)的應用是廣泛而有前景的，比如說在煤礦災害事故防范中，瓦斯爆炸和礦井火災占很大比例，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井安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。在本次設計中根據(jù)氣體差分測量的具體應用，針對微弱信號檢測中的穩(wěn)定性和噪聲問題設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)。第2章 氣體差分檢測中光電檢測技術(shù)應用2.1 氣體差分檢測技術(shù)原理2.1.1 差分吸收光纖傳感機理光波通過介質(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： (1)式中, I、Io分別是透射和入射光強；是一定波長下的單位濃度、單位長度介質(zhì)的吸收系數(shù)； 是瑞利散射系數(shù)；是米氏散射系數(shù)；是氣體密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) 式還應包含比例系數(shù)K，則可改寫為 (2)僅從(2) 式來確定待測氣體的濃度c 是困難的。因為反映平均數(shù), 它隨時間變化, 且是隨機量。如果用2個波長(1、1) 相隔極近(但在吸收系數(shù)上有很大差別) 的單色光同時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，則有： (3) (4)由式(3) 和式(4) , 待測氣體的濃度可以表示為 (5)由于1、2 相差很小, 并且光是幾乎同時接近和通過待測氣體的, 可以認為這樣(5) 式就可以化簡為 (6)適當調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)使 (7)(6) 式又可簡化為 (8)由光學上的相近條件,有:實際應用中, 波長的光對應檢測氣體的吸收譜線, 波長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I ( 1) 1 和I (1 )I (2 ) 1。對ln I(2 )I(1 ) 進行泰勒展開: (9)所以氣體濃度為 (10)在波長1，2下, 若氣體的吸收系數(shù)1、2可以測量,則氣體濃度就可以從I(1) - I (2) 和I(2) 的測量中求出。這種方式稱為差分吸收式。 2.1.2 差分檢測系統(tǒng)工作原理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 () 為輸入光強度；I () 為輸出光強；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；m 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)值可以得到m ，所以我們通過測定I0 () 和I () 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。2.1.3 CH4 的吸收譜線甲烷氣體具有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 ,每一個固有振動對應一個光譜吸收區(qū),甲烷氣體的本征吸收譜區(qū)在1 =3.43m ,2 = 6.78m ,3 = 3.31m ,4 = 7.66m處。然而,工作在室溫下的LED 僅在2m 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1.33m 和1.66m。甲烷氣體的吸收譜圖如下圖所示。圖 甲烷氣體吸收譜圖由圖可以看出,甲烷氣體在1.66m 處的吸收波譜比1.33m 處寬,吸收系數(shù)比在1.33m 處大,吸收強度遠大于1.33m 處的吸收強度。所以,選擇LD 做光源對1.66m 處的吸收譜線進行檢測,有利于提高檢測的靈敏度。2.1.4 差分吸收檢測方法：用波長分別為1 和2 的單色光,同時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，中,波長2 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 （2） 式中I ()為氣室出射光的光強；()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1 ，2 下，體的吸收系數(shù)(1 ) ， (2 ) 可以測量，則氣體體積分數(shù)就可以從I (2 ) - I (1 )和I (2 )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： 2.2 光電檢測技術(shù)原理2.2.1 光電信息技術(shù)以光電子學為基礎,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、處理和應用。2.2.2 光電探測器：基于光電效應，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件。光電探測器的種類類型實例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge, GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si, Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非PN結(jié)光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）光電池2.2.3 光電檢測技術(shù)概括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2.2.4 光電檢測系統(tǒng)主要部分1.光學變換2.光電變換3.電路處理光電檢測系統(tǒng)概括：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，通過對載有被檢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。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。光電檢測系統(tǒng)2.2.5 光電檢測系統(tǒng)作用I-V轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) 光電檢測電路的核心為跨導互阻放大器，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。 圖（1）設光電流為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： 2.3 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)總體設計原理2.3.1 系統(tǒng)設計原理基于差分檢測原理及氣體差分測量的具體應用，設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24bits模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7794，完成高分辨率的數(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。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)。2.3.2 系統(tǒng)設計原理總體框圖第三章 氣體差分檢測中光電檢測系統(tǒng)的設計3.1 前置放大電路設計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。前置放大電路的設計是光電系統(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計前置放大電路。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?；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。PIN管探測到的信號，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特性。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。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3.1.1 光電二極管的工作模式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上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時,由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此,在設計光電二極管電路的過程中,通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優(yōu)化設計,而不是對兩種模式都進行最優(yōu)化設計。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。圖（3.1） 光電二級管的工作模式本設計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號,所以,盡量避免噪聲干擾是首要任務,所以, 設計時采用光伏模式。3.1.2 光電二極管的等效電路模型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為噪聲源；RS為串聯(lián)電阻。圖（3.2）光電二級管工作模型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) 會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應。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)。與光伏電壓方式相反, 光導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, 線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。3.1.3 前置放大電路圖（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”點形成零伏偏置。圖（3.3） 前置放大電路3.2 自動控制增益電路設計3.2.1 自動增益控制電路的工作原理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。該放大電路的增益G為式(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。圖（3.4）自動控制增益電路原理框圖3.2.2 自動增益控制電路的實現(xiàn)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變換將電流信號變?yōu)殡妷盒盘朧1 ，負載電阻R2 的選擇應根據(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。圖（3.5）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 的選擇應根據(jù)光強而定,總的來講是負載電阻愈