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1、安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 安徽建筑工业学院机械与电气工程学院安徽建筑工业学院机械与电气工程学院 本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） 课 题： 光电检测方法研究 专 业： 06 自动化 班 级： 2 班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 填表日期： 2010-06-01 安徽建筑工业学院机械与电气工程学院 二一年六月 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 摘要摘要 随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国 是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之
2、一。 在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气 体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程 中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及 各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国 内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电 路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文基于差分检测原理，设计了用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的 便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏 度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，
3、实现了微弱信号的高精度低噪声检测， 并配以具有极强抗噪性能的24bits模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的 数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差分检测中存 在的小信号放大，大信号饱和的问题。 关键词：气体传感；光电检测；微弱信号测量；可调增益；数据采集 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased every
4、day.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the most energy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety p
5、roblem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the coal mine. 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 目目 录录 第一章 绪 论 1.1 课题的来源及意义 1.2 光电检测系统概况和发展趋势 1.3 论文的主要工作 第 2 章 气体差分检测中光电检测技术应用的理论基础 2.1 气体差分检测技术原理 2.2 光电检测技术原理 2.3 气体差分
6、检测中光电检测系统总体设计原理 第三章 气体差分检测中光电检测系统的设计 3.1 前置放大电路设计 3.2 自动控制增益电路设计 3.3 主放大电路与滤波电路设计 3.4 数据采集系统 结 束 致 谢 附 录 参考文献： 英文翻译英文翻译 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题的来源和选题的来源和意义意义 利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量， 并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。 近年来，随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传感器也得到了广泛的研究 和应用。它具有
7、灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光 信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光电检测方法研究的关注也一 直在增加。光电检测技术的应用是广泛而有前景的，比如说在煤矿灾害事故防范 中，瓦斯爆炸和矿井火灾占很大比例，而且二者常常伴随发生。为了有效地控制 井下事故发生，最大限度地减少人员伤亡事故，加强对甲烷和一氧化碳在井下环 境空气中浓度的实时监测，积极开发对井下有害气体的实时监测系统，将甲烷和 一氧化碳气体传感探头安装在井下生产现场中，及时检测环境空气中有害气体的 含量，并将气体传感器与报警装置、保护系统联动，以减少事故的发生。这些措 施对于保障井下职工的身体健康和矿井安全
8、生产具有极其重要的意义。 在本次设计中根据气体差分测量的具体应用，针对微弱信号检测中的稳定性 和噪声问题设计了一种极微弱光电流信号检测电路；本系统采用程控增益可调电 路，有效的检测气体吸收信号的同时很好的解决了参考信号易饱和的问题； 自 动增益系统采用 ADG10204 芯片控制整个光电检测、采集形成一个便携式系统； 系统具有很高的精度和稳定性，能有效的满足气体差分检测的要求的检测系统。 1.21.2 光电检测系统概况和国内外发展情况光电检测系统概况和国内外发展情况 及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和控制已成为煤 炭、石油、化工、环保等部门迫切解决的问题。气体传感技术一直是
9、传感器技术 领域的一个重要前沿课题。光纤传感技术及光电探测技术发展,光纤的本质安全 及便于遥控遥测的特点,使得气体光纤传感检测系统更具有优越性。目前,光谱吸 收型光纤气体传感器是比较接近于实用化的一种气体传感器,本文基于气体的差 分吸收检测原理,以甲烷为实验气体,设计用于检测系统的微弱信号处理电路系统。 随着科技发展的日新月异，光电检测技术已经发展出纳米、亚纳米高精度的 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 光电测量新技术；小型、快速的微型光、机、电检测系统在各个领域应用越来越 广泛。非接触、快速在线测量已经取代原始的接触式，较缓慢的检测技术，并向 微
10、空间三维测量技术和大空间三维测量技术方向发展；闭环控制的光电检测系统， 实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电 扫描测量技术等先进的光电检测技术的进步和广泛应用将对人们生活，工业生产 甚至国防科技产生巨大影响和改革。随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传 感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不 受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光电 检测方法研究的关注也一直在增加。 1.31.3 论文主要工作论文主要工作 1、系统总体框图的设计 2、前置放大电路的设计 3、自动增益控制电路的设计 4、数据采集系统的
11、设计 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 第第2 2章章 气体差分检测中光电检测技术应用气体差分检测中光电检测技术应用 2.12.1 气体差分检测技术原理气体差分检测技术原理 2.1.12.1.1 差分吸收光纤传感机理差分吸收光纤传感机理 光波通过介质时,部分被介质吸收和散射,余下的按原来传播的方向继续前进。由 Beer 定律可知，光的吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度与透射光强 满足： (1)(expLcLII o 式中, I、Io分别是透射和入射光强；是一定波长下的单位浓度、单位长度介质 的吸收系数； 是瑞利散射系数；是米氏散射系数；是气体
12、密度波动造成 的吸收系数；L 是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体的浓度。当用光 纤传感系统检测气体时，(1) 式还应包含比例系数K，则可改写为 (2)(expLLcLKII O 仅从(2) 式来确定待测气体的浓度c 是困难的。因为反映平均数, 它随时间变 化, 且是随机量。如果用2个波长(1、1) 相隔极近(但在吸收系数上有很大差 别) 的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，则有： (3)()()()(exp)()()( 1111111 LLcLIKI O (4)()()()(exp)()()( 2222222 LLcLIKI o 由式(3) 和式(4) , 待测气体的浓度可以表示
13、为 )()()()()()( )( )( ln )()( )()( ln )()( 1 212121 2 1 22 11 21 LL I I IK IK L c (5) 由于1、2 相差很小, 并且光是几乎同时接近和通过待测气体的, 可以认为 )()(),()(),()( 212121 这样(5) 式就可以化简为 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 (6) )()()( )()()( ln )()( 1 122 211 21 IIK IIK L c o o 适当调节光学系统使 (7)()()()( 2211 oo IKIK (6) 式又可简化为 (8
14、) )( )( ln )()( 1 1 2 21 I I L c 由光学上的相近条件,有: 1)()( 21 LC 实际应用中, 波长的光对应检测气体的吸收谱线, 波长的光不被检测气体吸 收(即参考波长) ,在测试过程中为空值, 因此有I ( 1) 1 和I (1 )I (2 ) 1。对ln I(2 )I(1 ) 进行泰 勒展开: (9) )( )()( )1 )( )( (1ln )( )( ln 2 12 2 1 1 2 I II I I I I 所以气体浓度为 (10) )( )()( )()( 1 2 12 21 I II c 在波长1，2下, 若气体的吸收系数1、2可以测量,则气体浓
15、度就可以从 I(1) - I (2) 和I(2) 的测量中求出。这种方式称为差分吸收式。 2.1.22.1.2 差分检测系统工作原理差分检测系统工作原理 当光波通过气体介质时,部分光能量会被气体吸收,剩余部分会继续按照原来 的方向传播。所以通过充有待测气体的气室的光信号的强度会减弱,而光强减弱 的程度与待测气体的浓度有关,根据比尔朗伯定律:.式)exp()()(LCII mo 中：I0 () 为输入光强度；I () 为输出光强；为光的波长；C 为待测气 体浓度；L 为光通过吸收介质的长度；m 为单位长度的介质吸收系数。对上式 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论
16、文）报告纸 进行变换可得:，由式可知,因为L 为已知的定量，根据值可以 )( )( ln 1 I I L C o m 得到m ，所以我们通过测定I0 () 和I () 就可以求出待测的气体浓度C。 不同的气体有不同的吸收谱线,只有光源发出的入射光强位于待测气体吸收谱线 的位置时才能发生上述的气体吸收作用。所以，首要的问题是找到气体的吸收谱 线。 2.1.32.1.3 CH4 的吸收谱线的吸收谱线 甲烷气体具有4 个固有的振动: V 1 =2913.0cm- 1 , V 2 = 1533.3 cm - 1 , V 3 = 3018.9cm- 1 , V 4 = 1305.9 cm- 1 ,每一个
17、固有振动对应一个光谱吸收 区,甲烷气体的本征吸收谱区在1 =3.43m ,2 = 6.78m ,3 = 3.31m ,4 = 7.66m处。然而,工作在室温下的LED 仅在2m 以下的波长范围内适用,常 用的低损耗光纤也被限制在这个波长范围内。在近红外区,甲烷气体有许多泛频 带和联合带,在泛频带2V3和结合带V2+2V3 处都存在很强的吸波长分别为1.33m 和1.66m。甲烷气体的吸收谱图如下图所示。 图 甲烷气体吸收谱图 由图可以看出,甲烷气体在1.66m 处的吸收波谱比1.33m 处宽,吸收系数比在 1.33m 处大,吸收强度远大于1.33m 处的吸收强度。所以,选择LD 做光源对 1.
18、66m 处的吸收谱线进行检测,有利于提高检测的灵敏度。 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 2.1.42.1.4 差分吸收检测方法：差分吸收检测方法：用波长分别为1 和2 的单色光,同时或相差 很短时间内通过待测气体，中,波长2 的光不被吸收作为参考波长，吸收波长 的光做差分和除法处理，而有效消除由光源、光纤和传感头的不稳定和变化所引 起的测量误差，高检测的灵敏度。差分检测的气体体积分数可以表示为 （2） )( )()( * )()( 1 2 12 21 I II l C 式中 I ()为气室出射光的光强；()为一定波长下的气体的吸收系数；被测 气体
19、的体积分数；为待测气体与光相互作用的长度。若在波长1 ，2 下，体的 吸收系数(1 ) ， (2 ) 可以测量，则气体体积分数就可以从I (2 ) - I (1 )和I (2 )的测量中求出。气体差分检测的双光路双通道光电检测系 统框图如下： 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 2.22.2 光电检测技术原理光电检测技术原理 2.2.12.2.1 光电信息技术光电信息技术 以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、 接收、变换、处理和应用。 它涉及到它涉及到: : 1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光
20、通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学检测与测量 2.2.22.2.2 光电探测器光电探测器： 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件。 光电探测器的种类光电探测器的种类 类型实例 PN结 PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电
21、传感器和光电晶闸管(Si) 非PN结 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 电子管类 光电管，摄像管，光电倍增管 其他类 色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池 2.2.32.2.3 光电检测技术概括光电检测技术概括 利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量， 并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量 2.2.42.2.4 光电检测系统主要部分光电检测系统主要部
22、分 1.光学变换 2.光电变换 3.电路处理 光电检测系统概括：光电检测系统概括： 1.光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测 物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通 过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 2.由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入 微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 光电检测系统光电检测系统 2.2.52.2.5 光电检测系统作用光电检测系统作用I-VI-V转换的实
23、现转换的实现 光电检测电路的核心为跨导互阻放大器，如图（1）所示。图中，PIN 管将光 信号转换为电流信号，该电流流经Rf完成了I-V 变换。值得注意的是，由于负反 馈作用的存在，运算放大器的反相端电位几乎等于同相端电位，即PIN 管两端的 电压差几乎为零。从PIN 的I-V 曲线可知其在0 伏附近具有良好的线性关系，但 同时由于在反偏压为零时PIN 管的等效体电容相对较大，所以此时电路的时间常 数较大，甚至可能使电路产生振荡，因此必须进行相位补偿，方法是在Rf 两端 并联一个容值在几十Pf的电容。 图（图（1 1） 设光电流为IP，假定运放为理想放大器，其输入电阻和放大大倍数都为无穷大， 安
24、徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 则输出电压为： fpO RIV* 2.32.3 气体差分检测中光电检测系统总体设计原理气体差分检测中光电检测系统总体设计原理 2.3.12.3.1 系统设计原理系统设计原理 基于差分检测原理及气体差分测量的具体应用，设计用于气体传感中微弱信 号测量的增益可调的便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核 心的低噪声、高灵敏度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的 高精度低噪声检测，并配以具有极强抗噪性能的24bits模数转换芯片 AD7794，完成高分辨率的数据采集。通过AVR 单片机控制实
25、现电路增益的自动调 节，解决了差分检测中存在的小信号放大，大信号饱和的问题。系统采用AVR 单 片机作为控制器，整个光电检测、采集形成一个便携式系统。 2.3.22.3.2 系统设计原理总体框图系统设计原理总体框图 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 第第三三章章 气体差分检测中光电检测系统的设计气体差分检测中光电检测系统的设计 3 3. .1 1 前置放大电路设计前置放大电路设计 光信号通过光电探测器转换为电流信号，此时的电流信号时十分微弱的，前 置放大电路的设计就是为
26、了实现I-V转换，以方便后续的放大和滤波检测。 前置放大电路的设计是光电系统的一个重要问题。前置放大电路要保证信号 的 可靠放大，因为光电转换后的有用信号淹没在噪声信号中，因此要根据输入信号 的噪声特性来设计前置放大电路。 系统中要探测很微弱的光电流信号，因此前放的增益必须足够高。PIN光电二 极管探测光信号，将其转换为电流，采用高阻负载将有利于获得大的电压信号， 故希望采用高阻抗放大器。但高负载电阻和放大器输入电容将增大RC时间常数， 影响系统的频率响应。互阻放大器可以克服这一缺点，它实际上是一个利用了运 算放微弱光电信号处理技术的研究大器的高增益性质的电流-电压变换器。 PIN管探测到的信
27、号，是经过方波调制的LED发出的光在经过气室气体分子吸 收后的光信号，因此要检测的有用电流信号是交流信号，要求前放电路具有一定 的带宽或频率响应特性。 有用信号被深埋在噪声信号中，在前置放大电路中还要最大限度地抑制噪声， 以获得最大的信噪比，这就要求放大器工作在最佳源电阻的情况。然而实际电路 很难同时满足以上的各个要求，因此采用压缩前置放大电路的频率通带的方法来 减少噪声，提高检测信号的动态范围。 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱, 而且光探测器输出的信号往往 被深埋在噪声之中, 因此, 要对这样的微弱信号进行处理, 一般都要先进行预处 理, 以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续
28、处理器所要求的电压幅度。 这样, 就需要通过前置放大电路实现信号的I-V转换，滤波电路和主放大电路来 输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框 图 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 3.1.13.1.1 光电二极管的工作模式光电二极管的工作模式 光电二极管一般有两种模式工作: 零偏置工作和反偏置工作,下图（3.1）所 示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中,在光伏模式时,光电二极管可非常 精确的线性工作；而在光导模式时,光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲 一定的线性。事实上,在反偏置条件下,即使无光照,仍有一个
29、很小的电流(叫做暗 电流或无照电流)。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,由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此, 在设计光电二极管电路的过程中,通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优 化设计,而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说,在光电精密测量中,被 测信号都比较微弱,因此,暗电流的影响一般都非常明显。 图（图（3.1） 光电二级管的工作模式光电二级管的工作模式 本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号,所以,尽量避免噪声干 扰是首要任务,所以, 设计时采用光伏模式。 3.1.23.1.2 光电二极管的等效电路模型光电二极管的
30、等效电路模型 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图（3.2）所示，它包含一个被 辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中, IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管 的寄生电容；Epd为噪声源；RS为串联电阻。 图（图（3.23.2）光电二级管工作模型）光电二级管工作模型 由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降, 故为零偏置。在这种方 式中, 影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD, 它们将影响光检测电路的频率 稳定性和噪声性能。
31、CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。 耗尽层越窄, 结电容的值越大。相反, 较宽的耗尽层(如PIN光电二极管) 会表现 出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。 而光电二极管的寄生电阻RPD（也称作“分流”电阻或“暗”电阻), 则与光电二 极管的偏置有关。 与光伏电压方式相反, 光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至 光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时, 耗尽层的宽度会增加, 从而大 幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作, 然而, 线性 度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏
32、电流IL和线性 误差。 3.1.33.1.3 前置放大电路前置放大电路 图（3.1）所示的是光电检测系统的前置放大电路。为了减小PIN光电二极管 暗电流的影响，前置放大电路中PIN光电二极管采用零伏电路偏置的电路设计(工 作于光伏模式)，即将PIN供电二极管跨接于运算放大器的两个输入端，利用运算 放大器的“虚地”点形成零伏偏置。 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 图（图（3.3） 前置放大电路前置放大电路 3 3. .2 2 自动控制增益电路设计自动控制增益电路设计 3.2.13.2.1 自动增益控制电路的工作原理自动增益控制电路的工作原理 该自动
33、增益控制电路由单片机、运算放大器、数字电位器、比较器、采样保 持器及A/ D 转换器组成。该电路原理框图如图（3.3）所示。由图（3.3）可以 看出,被测信号经光电传感器进行光电转换后输出电流信号,经I/ V 变换电路将 电流信号转换为电压信号,该电压信号被由数字电位器作为反馈电阻的放大器放 大后进入比较器,触发器被比较器输出的电平触发后送单片机中断。单片机响应 中断信号后启动采样保持器和A/ D 转换器,根据采样结果分析该信号幅度是否在 规定范围之内,从而相应的输出控制信号给数字电位器来调节放大器的反馈电阻, 使放大器的输出稳定在规定的范围内,满足后续数据采集电路的需要。 该放大电路的增益G
34、为 )1lg(20lg20 i f vp R R AG 式(1) 中放大倍数,为数字电位器的阻值,Ri为放大器反向端电阻。 i f vp R R A1 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 图（图（3.4）自动控制增益电路原理框图）自动控制增益电路原理框图 3.2.23.2.2 自动增益控制电路的实现自动增益控制电路的实现 如图（3.4）光电传感器输出的电流信号经前置放大电路实现I/ V变换将电流 信号变为电压信号V1 ，负载电阻R2 的选择应根据光强而定,总的来讲是负载电阻愈小愈 好。负载电阻越小,光电流和照度的线性关系越好,线性关系的范围也越广。
35、图（图（3.53.5） 如图（3.5）所示,V1 进入由X9313作为反馈电阻的放大器电路中放大。X9313 是美国Xicor公司生产的数字电位器,有32个电阻值,其电阻值可通过外部的数字 信号进行控制,选择好的电阻值被保存在非易失性存储器中。X9313由输入部分、 非易失性存储器和电阻阵列三部分组成。输入部分类似一个升/ 降计数器,其输 出经译码后控制接通某个电子开关,这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输 出端,电阻阵列是由32个等值的电阻和与之相配套的电子开关组成。两个顶脚引 线分别接V H 和VL,中间抽头为VW/CS 、INC 和U/D和为三个控制端,分别与CPU AT89C52 的
36、P1.0、P1.1和P1.2相连,根据控制端的电平,计数器的内容可电阻R2 的选择应根据光强而定,总的来讲是负载电阻愈小愈好。负载电阻越小,光电流和 照度的线性关系越好,线性关系的范围也越广。以储存到非易失存储器以便以后 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 使用。系统上电时,器件自动将非易失性存储器中的值送到计数器,作为计数器的 输出。 图（图（3.63.6） 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 放大器的输出分成两路,其中一路进入电压比较器LM339 ,另一路进入采样保 持器LF398,如图（3.5）所示。
37、 当放大后的信号电平超过比较电平后就触发了D触发器74LS74,触发器的输出 发中断给CPU AT89C52 的IN T0,CPU响应中断后,启动采样保持器LF398和A/D转换 器ADC0804，如图4所示。CPU根据采样所得信号幅度相应的调整数字电位器X9313 的数值,最后清D触发器,重新开始新的一次采集转换工作,如此往复,最终调整信 号输出稳定在规定的范围内,从而满足实际现场信号采集的需求。 3 3. .3 3 主放大电路与滤波电路设计主放大电路与滤波电路设计 3.3.13.3.1 主放大电路设计主放大电路设计 众多需要检测的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换, 从而使
38、检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量, 同时受 各种不同传感器灵敏度的限制,因而所得到的电量自然是小信号, 一般不能直接 用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用, 但后续电路一般为A/D转换电路, 所需电压幅值一般为2 V。然而, 即使是这样, 而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍, 因此还需应用主放大电路。其典 型放大电路如图4所示。 该主放大器的放大倍数为A=1+R2/R3, 其中R2为反馈电阻。为了后续电路的 正常工作, 设计时需要设定合理的R2和R1值, 以便得到所需幅值的输出电压。即 有 iio U R R AUU)1 ( 1
39、 2 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 图（图（3.6） 373.2373.2 滤波器设计滤波器设计 为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进 行处理。为保证测量的精确性,本设计在前置放大电路之后加入二阶带通滤波电 路,以除去有用信号频带以外的噪声,包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。 这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号,而抑制该频段以外的信号。 该滤波器的幅频特性如图（3.7）所示。图（3.7）中,f1、f2分别为上下限截止 频率,f0为中心频率,其频带宽度为:B=f2- f1=f0/Q式中,Q为品质因数
40、,Q值越大, 则随着频率的变化,增益衰减越快。这是因为中心频率一定时,Q值越大,所通过的 频带越窄，滤波器的选择性好。有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算 放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、 重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输入阻抗高、输出 阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性,且构成简单而且性能优良。本设计选用 了去处放大器来进行设计。 图（图（3.83.8） 二阶带通滤波器的幅频特性二阶带通滤波器的幅频特性 图（3.8）所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS) 带通滤波器,其 滤波电路采用有源滤波器完成,并由二阶压控
41、电压源(VCVS) 低通滤波器和二阶压 控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 图（图（3.9） 二阶带通滤波器二阶带通滤波器 对于第一部分, 即低通滤波器, 系统要求的低通截止频率为fc, 其传递函数 为： 式中: 2 354353435 1 6 7 1 354 1 2 1 ; 111 1; )( CRR b CRCRCR A a R R A CRR A K baSS K sH 第二部分为高通滤波器, 系统要求的高通截止频率为fc, 其传递函数如下: 4 2 984849 2 10 11 2 10 11 2 2
42、2 1 ; 21 ;11 )( CRR b CRCR A a R R A R R AK baSS KS SH ；式子中， 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 3 3. .4 4 数据采集系统数据采集系统 3.4.13.4.1 A/DA/D转换电路转换电路 气体的吸收光信号经PIN转换成光电流，经过前置放大、带通滤波、同步积累 后与参考信号进行相关运算，从锁相放大器输出的是一个携带了气体吸收信息的 模拟电压信号。为了将模拟量输入到计算机进行数据处理，完成测量结果的输出 或显示，就要通过模数转换(A/D)将信号转换成数字量，这一转换过程借助A/D转 换器
43、来完成。 要将模拟信号不失真地转换成数字信号，必须选择适合的A/D转换器以满足系 统的要求。 A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关。 但又不能唯一确定系统的精度，因为系统精度涉及的环节较多，包括传感器变换 精度，信号预处理电路精度和A/D换器及输入电路等等。A/D转换器从启动转换到 转换结束，输出稳定的数字量，需要的时间就是A/D转换器的转换时间；其倒数 就 是每秒钟能完成的转换次数即转换速率。用不同原理实现的A/D转换器其转换时 间 是大不相同的，总的来说，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速 度 较慢，只能构成低速A/D转换器，转换时间从几ms到
44、几十ms不等，适用于一般 对温度、压力、流量等慢变化量的检测。逐次逼近型的A/D转换器的转换时间可 从 几s到100s左右，属于中速A/D转换器。转换时间最短的高速A/D转换器是那 些用双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的A/D转 换器。转换时间仅20100ns。即转换速率可达1050MSPS。高速A/D转换器适用 于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统。一般来 说，对于直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器，其它情况都要加采样保 持器。 在模数转换器中，数字输出值取决于量化的输入值与“满度”基准之比。若 基准能随第二个模拟输入信号而变化，则
45、数字输出就与模拟信号和基准信号之比 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 成正比。这样， “比例”型模数转换器就可以看作为一个以数字输出的模拟除法 器。因为检测系统采用的差分吸收检测技术，实际上就是要将携带气体吸收的信 号与没有被吸收的参考信号进行差分运算，被测气体的浓度最后由两路输出的电 压值确定，系统选择参考波长的输出电压Uo(2)为A/D转换器的基准电压。在正 常使用中，如果出现A/D转换器芯片的电流骤增、突然发热，只要把电源关了， 再重新打开，就会发现一切又正常了。这是可控硅现象，时间一长，芯片就会烧 坏。由于芯片衬底存在着寄生的横向PNP管和
46、纵向NPN管形成的可控硅结构。 如果输人信号脉冲越过了额定值(VDD+0.5VVINVSS-0.5V)，产生较大的输入 电流，就会使寄生管获得正偏激发寄生可控硅导通，使VDD与VSS或与地之间形成 直接通路，产生大的电路电流。这是CMOS管集成电路的先天缺陷，还无从根本上 杜绝发生的可靠方法。但可采取一些措施有效地抑制这种现象的发生。尽量避免 较大的电流干扰窜入电路，加强各级的抗干扰措施；加强电源稳压滤波措施，在 A/D芯片电源入口处加退耦滤波电路。为防止窄脉冲窜入，所有电解滤波电容上 加接一高频滤波电容。还可以在A/D芯片上VDD端中人一个100200的限流电阻。 这个电阻基本不会影响A/D
47、转换器的正常工作，但在出现可控硅现象时，可有效 地把电流限在50mA以下，以保证不会烧坏芯片。 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕业设计（论文）报告纸毕业设计（论文）报告纸 结束语结束语 该系统设计了研究了用于实现光谱吸收型光纤气体传感技术的差分吸收检测 技术和频率调制谐波检测技术，设计了基于差分吸收原理的光电检测系统，其中 包括了前置放大电路，以实现I/V转换；主放大电路和滤波电路，用于放大和滤 波的；基于单片机、运算放大器、数字电位器、比较器、采样保持器及A/ D 转 换器的自动增益电路,可根据不同的应用现场调理信号幅值在规定的范围内,实际 应用证明该电路方便灵活,适应性强,保证了信号采集的精度。 整个系统，针对微弱信号检测中的稳定性和噪声问题设计了一种极微弱光电 流信号检测电路；采用程控增益可调电路，有效的检测气体吸收信号的同时很好 的解决了参考信号易饱和的问题；系统采用AVR 单片机作为控制器，整个光电检 测、采集形成一个便携