幹涉型光纖擾動傳感器信號調理電路的設計和仿真

2020-12-04 電子產品世界

在現代傳感系統中，幹涉型光纖擾動傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關注。其中關鍵部分是信號調理電路，它用來檢測和預處理非常微弱並夾雜著噪聲的傳感信號。一般來說，光電探測器的輸出信號要先經過前置放大、濾波等預處理環節，最大限度地抑制噪聲，為信號的進一步處理打下基礎。本文主要討論了微弱傳感信號的調理電路設計，包括前置放大電路的設計，帶通濾波器的設計和運放的選擇，並用MuItisim 10對設計的電路進行了仿真。

1 信號調理電路設計
光電探測器接收到的光信號一般都非常微弱，而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對這樣的微弱傳感信號進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，並將微弱信號放大到後續處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路來輸出幅度合適、並已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。
其信號調理模塊的結構框圖如圖1所示，完整的信號調理電路如圖2所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162175.htm


在圖2中，電源電壓輸入端和地之間接入1μF的電容C9，C10，用來濾除電源帶來的幹擾。

2 光電探測器及其工作模式選擇
2．1 光電探測器的選擇
光電探測器是一種通過光電效應探測光信號的器件。選擇光電探測器應考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應峰值波長應與發光器件的發射波長、光纖的低損耗窗口相匹配；響應速度快；輸出光電流-照度特性曲線的線性度好。
光電探測器的種類很多。在幹涉型光纖傳感器中，光電探測器通常採用PIN結型和雪崩型光電二極體。
PIN光電二極體響應頻率高，響應速度快，供電電壓低，工作十分穩定。雪崩二極體靈敏度高，響應快，但需要上百伏的工作電壓，且增益會引起噪聲，容易帶來電流失真。考慮到該系統所據測的波長範圍和器件在0～40℃範圍內的穩定性，決定採用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光電二極體。該光電二極體在溫度特性方面也相當出色，比其他光電二極體有著更好的特性曲線。
2．2 光電探測器的工作模式
光電二極體一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖3所示為光電二極體兩種模式的偏置電路。


在光伏模式時，光電二極體可非常精確地線性工作；而在光導模式時，光電二極體可實現較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流(暗電流)。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極體的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時，由於導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設計所針對的待檢測傳感信號是十分微弱的信號，儘量避免噪聲幹擾是首要任務，所以該設計採用光伏模式。

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