雙通道光纖氣壓傳感器的光電信號檢測及處理技術(shù)

周大偉

摘 要 眾所周知，傳感器（transducer）即為現(xiàn)階段的前沿技術(shù)，亦為近年來科學發(fā)展的一個標志。若將計算機視為人類思維的擴展，那么傳感器即為人類的感官，在計算機技術(shù)全面進程時，我們逐漸意識到信息攝取設備——傳感器并未跟上信息技術(shù)的發(fā)展。而近年來，世界各國都逐漸側(cè)重于傳感器的開發(fā)，因此近年來傳感器發(fā)展也非常迅速，二零零五年至今，傳感器的產(chǎn)量與市場需求年增長率超過十個百分點。文章將以淺析雙通道光纖氣壓傳感器的光電信號檢測及處理技術(shù)作為切入點，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

【關(guān)鍵詞】雙通道光纖氣壓傳感器 光電信號檢測 技術(shù)

1 整體設計

圖1即為光纖位移transducer的基本構(gòu)成，其主體為雙通道光纖transducer，其中包括了Probe、optical、反射面、前置放大、光接受、曲線線性化修正、信號處理電路、系統(tǒng)校正等。optical經(jīng)調(diào)制的一千赫茲的光通過photodiode轉(zhuǎn)換為光電流，在此基礎(chǔ)上送前置放大電路予以放大處理，同時濾波并予以有效參數(shù)轉(zhuǎn)換，完成后的直流信號就被傳輸至單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時經(jīng)單片機予以公式計算，同時調(diào)用插值算法對參數(shù)予以線性化處理，進而將結(jié)果送至顯示單元。因文章篇幅有限，作者將對最為主要三方面進行研究，其中包括：光源、光電探測電路及信號調(diào)理電路。

2 光源

光源也就是LIMO laser，雙通道光纖sensor的輸出特性參數(shù)與光源光強沒有內(nèi)質(zhì)聯(lián)系，因此對LIMO laser沒有特殊要求。LIMO laser和光纖入射端口間，裝置一光斬波器，這樣可以對入射光予以微調(diào)，通過微調(diào)的頻率控制在一千赫茲。我們要注意的是，LIMO laser射出的光相對較足，同時具有功率大的特點，若想從根本避免光電流進入光探測設備前置放大后參數(shù)過高而造成電路出現(xiàn)飽和的情況，我們可在LIMO laser和光纖入射端口間安裝透明障礙物予以弱化處理。

3 光電探測電路

光纖傳感器，其中Photodetector具有十分重要的地位，Photodetector即為光探測接受系統(tǒng)的核心。Photodetector與其他器件一樣，有一套依附于實際需要而制定的特性數(shù)據(jù)，這一套性能數(shù)據(jù)有效的體現(xiàn)了各種探測器的共同因素。

光纖傳感器內(nèi)的Photodetector主要通過photodiode、APD、PIN光敏二極管以及光電三極管等構(gòu)成。

一般的photodiode的暗電流較高，同時性能缺乏穩(wěn)定性，光電轉(zhuǎn)換率低，且響應速度慢。PINphotodiode即為PN結(jié)中間裝置其中加入的本征semiconductor （記做I），I層很厚，且吸收系數(shù)偏低，這樣入射光可以很輕易的滲透至材料中被全面吸收，因此在一定程度上提高了光電轉(zhuǎn)換有效性。

photomultiplier tube與APD工作狀態(tài)下，通常需要加入一定的偏壓，使用起來缺乏便捷性，特別在現(xiàn)場測量時更是如此，APD的等效噪聲功率也較高，一般用于入射光功率偏低時，APD雖然轉(zhuǎn)換效率高，不過會受溫度的影響。同時我們要注意，探測器的中心波長與Light-Emitting Diode的中心波要制衡。光探測器的擇取要依附于入射信號功率而定。

PIN photodiode具較強的穩(wěn)定性，PIN光敏二極管對波長較小的光響應最佳，同時線性響應時間在毫秒級。

4 信號調(diào)理電路

Transducer大多由三部分構(gòu)成，包括：

（1）敏感元件，敏感元件是將被測量以確定的關(guān)系轉(zhuǎn)換成另一種物理量，所轉(zhuǎn)換的物理量便于轉(zhuǎn)換成電量；

（2）轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換原件將敏感元件的輸出物理量轉(zhuǎn)換成電量；

（3）信號調(diào)理電路，是將電量轉(zhuǎn)換成可直接測量的電量，同時予以濾波及A/D的轉(zhuǎn)換。

信號調(diào)理即為測控系統(tǒng)的核心構(gòu)成因子，信號調(diào)理將Transducer的輸出電信號轉(zhuǎn)換成適合于傳輸及顯示、記錄的信號，可以更好的達到后續(xù)電路及設備對輸入信號的要求。信號調(diào)理電路一般包括：

（1）電平調(diào)節(jié)；

（2）信號放大；

（3）阻抗匹配。

信號調(diào)理過程即為Transducer標準化的重要基礎(chǔ)。雙通道光纖氣壓傳感器的信號調(diào)理電路包括帶通濾波電路、前置放大電路、末級放大電路以及真有效值轉(zhuǎn)換電路。圖2是此系統(tǒng)的實際信號調(diào)理硬件電路板。板子整合了單片機應用系統(tǒng)與信號調(diào)理電路，相關(guān)分元器件均擇取貼片封裝，在一定程度上節(jié)省了空間，利于Transducer的安裝。

5 總結(jié)

綜上所述，光纖位移transducer的基本構(gòu)成，其主體為雙通道光纖transducer，其中包括了Probe、optical、反射面、前置放大、光接受、曲線線性化修正、信號處理電路、系統(tǒng)校正等。光源也就是LIMO laser，雙通道光纖sensor的輸出特性參數(shù)與光源光強沒有內(nèi)質(zhì)聯(lián)系，因此對LIMO laser沒有特殊要求。LIMO laser射出的光相對較足，同時具有功率大的特點，若想從根本避免光電流進入光探測設備前置放大后參數(shù)過高而造成電路出現(xiàn)飽和的情況，我們可在LIMO laser和光纖入射端口間安裝透明障礙物予以弱化處理。而光纖傳感器內(nèi)的Photodetector主要通過photodiode、APD、PIN光敏二極管以及光電三極管等構(gòu)成?？偟膩碚f雙通道光纖氣壓傳感器具有不受干擾等特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、非接觸測量。因此此研究對學術(shù)及實際均有一定的促進作用。

參考文獻

[1]趙嵐，曾濤.干涉式光纖電壓傳感器的原理及其相位檢測系統(tǒng)的設計[A].2015'中國儀器儀表與測控技術(shù)交流大會論文集（二）[C].2015.

作者單位

四川省人大常委會辦公廳 四川省成都市 610000