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干与型光纤传感器的信号调度电路设计

干涉型光纤传感器的信号调理电路设计-光电探测器接收到的光信号一般都非常微弱,而且光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此,要先对这样的微弱传感信号进行预处理,以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样,就需要通过前置放大电路、滤波电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。

在现代传感体系中,干与型光纤扰动传感器以其极高的灵敏度得到了广泛重视。其间要害部分是信号调度电路,它用来检测和预处理非常弱小并夹杂着噪声的传感信号。一般来说,光电勘探器的输出信号要先经过前置扩大、滤波等预处理环节,最大极限地按捺噪声,为信号的进一步处理打下根底。本文首要评论了弱小传感信号的调度电路规划,包含前置扩大电路的规划,带通滤波器的规划和运放的挑选,并用MuItisim 10对规划的电路进行了仿真。

1 信号调度电路规划

光电勘探器接收到的光信号一般都非常弱小,并且光电勘探器输出的信号往往被深埋在噪声之中。因而,要先对这样的弱小传感信号进行预处理,以将大部分噪声滤除掉,并将弱小信号扩大到后续处理器所要求的电压起伏。这样,就需求经过前置扩大电路、滤波电路来输出起伏适宜、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。

其信号调度模块的结构框图如图1所示,完好的信号调度电路如图2所示。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

在图2中,电源电压输入端和地之间接入1μF的电容C9,C10,用来滤除电源带来的搅扰。

2 光电勘探器及其作业方式挑选

2.1 光电勘探器的挑选

光电勘探器是一种经过光电效应勘探光信号的器材。挑选光电勘探器应考虑;光电灵敏度要求足够高;信噪比高;相应峰值波长应与发光器材的发射波长、光纤的低损耗窗口相匹配;呼应速度快;输出光电流-照度特性曲线的线性度好。

光电勘探器的品种许多。在干与型光纤传感器中,光电勘探器一般选用PIN结型和雪崩型光电二极管

PIN光电二极管呼应频率高,呼应速度快,供电电压低,作业非常安稳。雪崩二极管灵敏度高,呼应快,但需求上百伏的作业电压,且增益会引起噪声,简略带来电流失真。考虑到该体系所据测的波长规模和器材在0~40℃规模内的安稳性,决议选用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光电二极管。该光电二极管在温度特性方面也适当超卓,比其他光电二极管有着更好的特性曲线。

2.2 光电勘探器的作业方式

光电二极管一般有两种方式作业:零偏置作业和反偏置作业,图3所示为光电二极管两种方式的偏置电路。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

在光伏方式时,光电二极管可非常精确地线性作业;而在光导方式时,光电二极管可完成较高的切换速度,但要献身必定的线性。在反偏置条件下,即便无光照,仍有一个很小的电流(暗电流)。而在零偏置时则没有暗电流,这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。在反偏置时,因为导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。该规划所针对的待检测传感信号对错常弱小的信号,尽量防止噪声搅扰是首要任务,所以该规划选用光伏方式。

3 前置扩大电路

3.1 电路规划

前置扩大电路原理如图4所示。经过PIN光电二极管输入的信号经过I/V改换将光电流通换为电压信号,然后再将电压信号经中心扩大电路进行电压信号扩大。电路剖析:运放U1A及其外围元件组成了I/V改换电路。其间R1是为了消除勘探器输出电流中的毛刺,R2为防止电路自激并供给直流通道,C1为隔直电容,C3和R4用于直流平衡及沟通补偿。R3为反应电阻,C2用于减小噪声带宽以确保R3对电路噪声的影响最小。因为参加电容C2后,电路的幅频特性会产生改动,适当于一个滤波器,所以在选取C2时要一起考虑PIN管勘探信号的频谱防止将有用信号过度衰减或许滤掉。运放U1D及其外围元件R5,R6,R7组成的反相扩大器作为中心扩大电路对电压信号进一步扩大。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

电路中集成运放挑选也非常重要。对其输入电阻、开环增益、转化速率和增益带宽、噪声电压都有较高要求。美国BB公司出品的高速FET输入宽带集成运算扩大器OPA132具有极高的输入阻抗;较大的开环增益和增益带宽,极快的电压转化速率和极小的等效噪声带宽,对错常抱负的前置扩大用集成电路。本文在电路中挑选OPA132的四运放方式OPA4132,它大大减小了电路体积与装备的杂乱程度,降低了噪声引进。

3.2 电路仿真

建立仿真电路,并用仿真软件MulTIsim 10中两通道示波器、波特图示仪对规划的前置扩大器别离仿真,得到如图5所示仿真成果。从图5能够看出,经过前置扩大电路后输出信号比较输入信号扩大了约2×103倍,且基本无失真。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

图6为该电路的幅频特性曲线。能够看出该前置扩大电路对高频有必定的按捺效果,其首要是扩大了低频弱小信号。在图中曲线的中心水平线中能够清楚得到电路的增益为65.284 dB,用鼠标拖动读数轴可得上限频率fH=9.501kHz,下限频率fL=194.486Hz,频宽B=fH-fL=9.306 kHz。
 

4 带通滤波电路

4.1 滤波器规划

为使检测电路具有杰出的信噪比,还需求用带通滤波器对信号进一步处理。该规划在前置扩大电路之后参加带通滤波电路,以除掉有用信号频带以外的噪声,包含环境噪声及由前置扩大器引进的噪声。因为振荡引起的信号频率较低,经过试验确认其信号的有用频率在2~5 kHz之间。该规划对滤波器要求为:中心频率2 kHz,带宽为500 Hz~8 kHz,带增益G=2。

       当上截止频率对下截止频率的比超越2(一个倍频程)时,则能够为该带通滤波器是宽带型的。宽带型带通滤波器能够经过级联对应的低通和高通滤波器来完成。本文经过将一个2阶低通滤波器和2阶高通滤波器级联来完成该带通滤波器。500 Hz,8 kHz别离为高通、低通滤波器的截止频率,通带增益G=2。考虑到对传感信号检测的准确性,要尽量防止滤波器的通带内有波纹。因而,本文选取巴特沃斯型带通滤波器。

图7所示的2阶带通滤波器是一种无限增益多路反应巴特沃斯型带通滤波器。其间,同相输入端接电阻R5,R7的效果是为了把直流失调减到最小。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

4.2 滤波器仿真

用MulTIsim 10中波特图示仪别离对2阶低通滤波器、2阶高通滤波器及级联后的2阶带通滤波器别离仿真,得到仿真成果如图8,图9所示。

干与型光纤传感器的信号调度电路规划

图8中,低通滤波器的截止频率为8.577 kHz。高通滤波器的截止频率为530.208 Hz,图9中,带通滤波器的上、下截止频率为8.577 kHz,530.28 Hz。

5 结语

本文针对干与型光纤传感器输入信号的特色规划了信号调度电路,并运用软件MulTIsim 10进行了仿真。经仿真,各参数基本上都达到了规划要求。该信号调度电路结构简略,功能较好,对干与型光纤扰动传感器实践使用具有必定的使用价值。

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