光电检测方法研究毕业设计

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，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24bitsΣ－△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

Abstract

Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.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 problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the coal mine.

目录

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

第二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

第一章绪论

1.1 选题的来源和意义

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。

1.2 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。

1.3 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、数据采集系统的设计

第二章 气体差分检测中光电检测技术应用

2.1 气体差分检测技术原理

2.1.1 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：

)](exp[δγβα+++-=L cL I I o (1)

式中, I 、I o 分别是透射和入射光强；α是一定波长下的单位浓度、单位长度介质

的吸收系数；β 是瑞利散射系数；γ是米氏散射系数；δ是气体密度波动造成的

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

)](exp[δγβα+++-=L L cL KI I O (2)

仅从(2) 式来确定待测气体的浓度c 是困难的。因为δ反映平均数, 它随时间变

化, 且是随机量。如果用2个波长(λ1、λ1) 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：

)]}()()()([exp{)()()(1111111λδλγλβλαλλλ+++-=L L cL I K I O (3)

)]}()()()([exp{)()()(2222222λδλγλβλαλλλ+++-=L L cL I K I o (4)

由式(3) 和式(4) , 待测气体的浓度可以表示为

)]}()([)]()([)]()([)

()(ln )()()()({ln )]()([121212*********λδλδλγλγλβλβλλλλλλλαλα-------=L L I I I K I K L c

(5)

由于λ1、λ2 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

)()(),()(),()(212121λδλδλγλγλβλβ≈≈≈

这样(5) 式就可以化简为

)

()()()()()(ln ])()([112221121λλλλλλλαλαI I K I I K L c o o -= (6) 适当调节光学系统使

)()()()(2211λλλλo o I K I K = (7)

(6) 式又可简化为

)

()(ln )]()([11221λλλαλαI I L c -= (8) 由光学上的相近条件,有:

1)]()([21??-L C λαλα

实际应用中, 波长λ的光对应检测气体的吸收谱线, 波长λ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 ( λ1) < I ( λ2 ) ,I (λ2 )／I (λ1) > 1 和I (λ1 )／I (λ2 ) < 1。对ln [ I(λ2 )／I(λ1 ) ]进行泰勒

展开:

)

()()()]1)()((1ln[)()(ln 2122112λλλλλλλI I I I I I I -≈-+-= (9) 所以气体浓度为

)

()()()()(121221λλλλαλαI I I c --= (10) 在波长λ1，λ2下, 若气体的吸收系数α1、α2可以测量,则气体浓度就可以从I(λ1) - I (λ2) 和I(λ2) 的测量中求出。这种方式称为差分吸收式。

2.1.2 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:)exp()()(LC I I m o αλλ-=.式

中：I0 (λ) 为输入光强度；I (λ) 为输出光强；λ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；αm 为单位长度的介质吸收系数。对上式进行变换可得:)

()(ln 1

λλαI I L C o m =，由式可知,因为L 为已知的定量，根据λ值可以得到αm ，所以我们通过测定I0 (λ) 和I (λ) 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。

2.1.3 CH 4 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λ 1 =3.43μm ,λ 2 = 6.78μm ,λ 3 = 3.31μm ,λ4 = 7.66μm 处。然而,工作在室温下的LED 仅在2μm 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2V 3和结合带V 2+2V 3 处都存在很强的吸波长分别为1.33μm

和1.66μm 。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1.66μm 处的吸收波谱比1.33μm 处宽,吸收系数比在

1.33μm 处大,吸收强度远大于1.33μm 处的吸收强度。所以,选择LD 做光源对

1.66μm 处的吸收谱线进行检测,有利于提高检测的灵敏度。

2.1.4 差分吸收检测方法：用波长分别为λ 1 和λ 2 的单色光,同时或相差很短时间内通过待测气体，中,波长λ 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

)

()()(*)]()([121221λλλλαλαI I I l C --= （2） 式中 I (λ)为气室出射光的光强；(λ)为一定波长下的气体的吸收系数；被测气体的体积分数；为待测气体与光相互作用的长度。若在波长λ 1 ，2 下，体的吸收系数α(λ 1 ) ，α (λ 2 ) 可以测量，则气体体积分数就可以从I (λ 2 ) - I (λ 1 )和I (λ 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：

2.2 光电检测技术原理

2.2.1 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:

1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成

2、光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

2.2.2 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

类型实例

PN结PN光电二极管（Si,Ge, G a A s)

PIN光电二极管（Si）

雪崩光电二极管(Si, Ge)

光电晶体管(Si)

集成光电传感器和光电晶闸管(Si)

非PN结光电元件(CdS, CdSe, Se, P b S)

热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)

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

2.2.3 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

2.2.4 光电检测系统主要部分

1.光学变换

2.光电变换

3.电路处理

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。

光电检测系统

2.2.5 光电检测系统作用——I-V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（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，则输出电压为：

f

p O R I V *-=

2.3 气体差分检测中光电检测系统总体设计原理

2.3.1 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 Σ－△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。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。

2.3.2 系统设计原理总体框图

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

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

3.1.1 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（3.1）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。

3.1.2 光电二极管的等效电路模型

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为光电二极管的寄为噪声源；RS为串联电阻。

生电容；E

pd

图（3.2）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。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电流IL和线性误差。

3.1.3 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。

图（3.3） 前置放大电路

3.2 自动控制增益电路设计

3.2.1 自动增益控制电路的工作原理

该自动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 为

)1lg(20lg 20i f

vp R R A G +==

式(1) 中放大倍数i f

vp R R A +=1,为数字电位器的阻值,R i 为放大器反向端电阻。

图（3.4）自动控制增益电路原理框图

3.2.2 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。

图（3.5）

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（3.6）