测控技术与仪器 毕业论文范文——光纤加速度传感器的设计与探讨

光纤加速度传感器的设计与探讨摘要 本文设计了一种反射式光强调制型光纤传感器(RIM-FOS)，用于测量低频振动加速度信号。由于只采用一根单模光纤用于发射和接收，使整体结构紧凑小巧且在一定条件和范围内使其数学模型相对简练，通过数字和线性化处理可不失真地实时输出低频振动加速度信号。此传感器具有信号失真小、对初始位移漂移不敏感的特点。本论文首先介绍了光纤传感器和光纤加速度计国内外的发展状况，指出利用光纤传感是当今加速度计的研究热点。本论文在第二部分从不同方面详细介绍了反射式光强调制型光纤加速度计的基础理论，并由此提出了一种新型的加速度计测量方案。本文在其他部分还详细介绍了系统的具体设计与实现，包括对系统光源、光电探测器等器件的选择、系统硬件电路和软件模块的设计等。在硬件设计中通过单片机进行数据的采集、处理，同时采用12位的A/D和D/A转换器，确保有足够的测量精度。软件设计采用结构化程序设计方法，完成了数据的输入、存储、处理、输出等功能。关键词：光纤，加速度计，光强调制，动态测量，线性化Fiber acceleration sensor on the design and discussionAbstract A reflective intensity modulated fiber optic sensor is designed. It can be applied in the measurement of low frequency vibration acceleration.The configuration is compact and delicate for one single module fiber being used to send and receive.Its mathematic former is brief for certain conditions and ranges.By means of number and linearization processing, a real-time and undistorted low frequency vibration acceleration signal can be given out. The characteristic of the sensor is undistorted and unsensible to static drift of the initial distance.The global development of the optic fiber sensor and accelerometer is explained firstly，it is proved that optic fiber sensor has been a hot study focus in many scientists eyes.In second part of this paper,base theory of the fiber optic accelerometer is presented in details，according to the principle of reflective intensity modulation,a new experimental scheme is described. In other parts of this paper, the design of the system is described in detail，including the selection of system device the design of systematic circuit and software. In the hardware design a single chip computer is used to acquired and process the data.Using 12 bitsA/D and D/A converter renders certain the systems measurement precision. The softwares design uses modular method to accomplish the systems functions,including data input, storage, manage,output etc.Keywords:Fiber, accelerometer, Intensity modulation, Dynamic measurement, Linearization1 绪论11 课题背景及来源利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态等参数发生变化，从而对外界因素进行计量和数据传输的技术称为光纤传感技术。光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、通讯电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。1966年英国的K.C.Kao， G.A.Hockpam1等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息，奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大兴趣，也推动了光纤制造工艺的研究和发展;1970年美国康宁公司研制成功世界上第一根实用化传输的石英光纤(损耗为20 dB/km)，随后在短短几十年内光纤通信迅猛发展成为通信领域的主导产业之一，同时光纤作为一种新的物性型敏感元件在非通信领域的应用也日益受到人们的重视。在光纤通信系统中光纤作为远距离传输光信号的媒介，但在实际的光传输过程光纤易受到诸如温度、压力、电场和磁场等环境因素的影响，从而导致光波的光强、相位、频率和偏振态等参量发生相应的变化，如图1.1所示。（光纤光纤传感器敏感调制区）出射光波入射光波入射光波的表征参量：振幅、相位、偏振态等外界因素:温度、压力、应变电场、磁场等温度、压力、应变电场、磁场等 图1.1 光纤传感技术原理示意图也就是说，光纤这种材料本身不需要任何中间级就能把待测信号与在光纤内传输的光波联系起来，这样它就构成了全新的直接信息交换的基础，通过对载有待测信号的已调制光波的检测与解调可以恢复出引起光波参数变化的外界待测信号，从而演绎出光纤传感这门新技术。 12 课题研究的现状从20世纪80年代初开始，一些发达国家开始将激光和光纤传感器技术用于惯性导航系统的另一个重要敏感元件加速度计，开始出现了若干方案的激光加速度计。由于激光加速度计的工艺复杂、成本高，加上光纤传感技术的迅速崛起，因此近年来国内外均将注意力集中于研制光纤加速度计上。可以期望，光纤加速度计将与光纤陀螺一起构成以光纤传感技术为主的惯性导航系统。加速度的测量在许多领域都有广泛的应用，尤其是近年来由于新技术的发展，测量加速度的要求在精度和数量方面都在急剧增加。例如，在航空航天领域，可用于导弹的制导、飞机的导航、人造卫星的姿态控制和国际空间站低频加速度的测量等;在汽车工业，为了确定汽车本身的缓冲性能，主要用于悬浮系统、预刹车系统、牵引系统、驾驶系统和安全系统;在电厂，可实现对大型电器设备的遥测，如发动机、变压器等内部机组的测量;对建筑、桥梁、发射塔、火箭等，需要较好的重力因子和较少的负载材料;复杂而灵活的部件要求不同系统间的机械作用相互隔离;我们的生活环境与桥梁毁坏、电梯倒塌和多种灾难有关，所有这此都需要精密的低频振动和加速度的环境信息。传统加速度计采用机电方法，如石英挠性加速度计，测量质量块的惯性力或位移;光纤加速度计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。后者与前者相比，不但具有抗电磁干扰的无与伦比的独特优点，而且体积小，质量轻，动态范围宽，精度高，能在恶劣环境下工作，因此倍受国家军事与商业领域的青睐，各种可实用的光纤加速度传感器不断涌现。本课题将重点介绍对反射式光强调制型光纤加速度传感器的研究。13 课题研究的目的和意义光纤加速度计是一种光一机一电技术一体化的新型惯性系统，其显著特点是抗干扰能力强、灵敏度高、动态范围大。它是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，能在多种环境条件下测量振动信号加速度的光纤传感器。光纤加速度计的研究很早就受到各国的重视，特别是在惯性导航领域中显现出更大的优势。随着相关领域技术的进步，光纤加速度计在军事和民用领域的应用越来越广，因此对光纤加速度计的研究已成为研究开发的热点。2 反射式光强调制型光纤传感器21 反射式光强调制型光纤传感器的概念在强度调制型光纤传感器中，反射式强度调制型光纤传感器(Relective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor，以下简称RIM-FOS )是最基本的一种。它是利用光纤与光学系统相对耦合及电路信号处理技术获得测试输出，不仅具有结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点，而且可适用于位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度等多种物理量的测量。因此，到目前为止，反射式强度型光纤传感器己经在光纤传感领域中占据了十分重要的地位。反射式强度调制型光纤传感器的研究始于20世纪六、七十年代2，在八十至九十年代初成为了光纤传感领域研究的一大热点，这期间召开的主题为“Fiber Optic and Laser Sensors”的国际会议上，几乎每次都有关于RIM-FOS的研究与应用的论文，并且主要集中在改进和创新传感器结构、改善传感器的测量精度和扩大应用范围等方面。然而近几年来，反射式强度型光纤传感器的研究似乎被认为是“其理论上的问题已基本解决”、“技术上已接近成热”，其中最直接的一个现象是有关这方面的研究论文急剧减少。但是我认为，虽然RIM-F0S的研究属于一个比较传统的话题，但同时也是一个非常值得继续深入研究的课题。关于RIM-FOS的理论、技术及其应用方面还有许多需要深入研究和继续完善的地方。此外，要进一步扩大其在工业测量的应用范围、促进RIM-FOS的系列化和实用化，还有许多工作要做。一方面，目前关于RIM-FOS强度调制特性的数学建模研究尚不深入。即使有不少相关的研究报道，然而这些建模研究的过程中还存在许多问题，如模型所依据的假设或所做的近似存在某些不合理性或假设的条件脱离实际、一些对强度调制特性产生重要影响的因索(如反射而倾斜因子和形状因子)被忽略，等等。而更大的问题还在于这些数学模型都彼此独立、互不关联，更不具备系统性和完整性的要求。另一方面，尽管RIM-FOS的优点很多，但是测量精度和稳定性受到很多因素的影响。由于这种传感器测量的是绝对光强，光信号通道中被传输的光强很容易受到各种影响而发生变化，从而引起测量误差。特别是光源功率的波动、被测物体表面反射率的不同，以及光在光纤中传输损耗(包括本征损耗和弯曲损耗)的改变，都会造成很大的测量误差。因此，在测量精度和稳定性要求较高的情况下，必须采用某种形式的补偿，以减小或消除上述因素带来的影响。可以肯定地说，RIM-FOS仍然是一类有着广泛应用前景的光纤传感器。虽然这种传感器的灵敏度和精度还比不上干涉型传感器，但对大多数的工业测量应用已经足够。而且它结构简单、价格低廉，对测试环境的要求不苛刻。此外，从工程应用上讲，采用相应的强度补偿等措施后，测量精度能够得到较大的提高。我们可以大胆地预测，今后关于RIM-FOS的研究将主要集中在多参量测量的方法以及交叉敏感问题的克服、新型传感器结构的设计、为提高测量精度和稳定性而进行的补偿方法的改进、创新，以及新的RIM-FOS应用领域拓展等方面。22 反射式光强调制型光纤传感器原理反射式强度调制型光纤传感器检测通过从物体表面反射又被光纤接收的光强信号的变化来探测反射物的角度、位移、频率等变化量，并以光功率变化状态来表征。通常由光源(如LD , LED)、光纤传感探头和作为光电转换元件的光接收器(如PD, PIN)组成，光纤传感探头则由发射光纤和接收光纤组成。自发射光纤中射出的光束经过受外界信号控制的反射面反射后，直接或经过转换光学系统进入接收光纤，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端面的线位移或角位移使进入接收光纤的光束受到切割，从而对光纤中的光强进行调制。光纤加速度计的工作原理如图2. 1所示。其基本原理是在上下两根压紧的刚性较大的弹簧中间悬挂一个质量块，质量块中心处固定一块反射镜，选用商售的光纤连接器(FC型)的插针，沿传感器轴线与传感器外壳固定在一起，使光纤垂直对准反射镜表面，外壳与被测物体表面紧密相连。输送光纤端面射出的成圆锥型光束经反射后，中心部分的光强进入接收光纤。当以一定规律改变这种耦合关系或状态时 ,即对所传输的光进行了调制。当被测物体振动时，即在加速度a的作用下，质量块在加速度方向上相对传感器壳体运动，反射镜表面与光纤端面之间的距离也随着变化，从而光纤所接收到的光强发生变化，其变化规律能反应加速度的大小。图2.1 光纤加速度传感器简图23 反射式光强调制型光纤加速度传感器的系统构成光纤加速度计是一种光一机一电技术一体化的精密元件，作为一套系统它所涉及的知识领域很广，理论层次很深，而且系统受外界因素影响较多，稳定性很难控制。因此在系统的设计过程中要从整体的角度把握各部分的功能，协调好各部分之间的关系是非常重要的，力争完成一套稳定性好，性能指标高，简单实用的光纤加速度计系统。本测振系统的传感器采用反射式光强调制方式，系统整体设计框图如图2.2所示：光 源光电转换驱 动aA/D显 示D/A线性处理数字滤波动态采样低通波波放 大图2.2反射式光强调制型光纤加速度传感器的系统构成为保证光源发送光信号强度的稳定，在光源部分加入自动功率控制和自动温度控制电路。在传感器部分，为简化其体积和结构，只采用一根单模光纤，既作为发射光纤又作为接收光纤。将反射镜固定于质量块上，通过质量块相对外壳的位移变化可导致接收光强的变化，将此变化光强通过后面一系列信号处理，可实时地反映被测物体的振动加速度。在信号线性化处理部分，先对信号进行低通滤波、动态采样，然后采用单片机技术进行数字滤波来消除外界噪音，并利用运算子程序对信号进行线性化处理，最后经D/A转换实时地输出振动加速度信号。在信号线性化处理部分也可完全采用硬件电路来实现，即利用低通滤波和成熟的运算芯片对信号进行处理3 反射式光强调制型光纤加速度传感器的具体方案论述31 加速度计光源的设计光纤测量和光纤传感器系统中使用的光源种类很多。半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源，它利用PN结把电能转换成光能。其主要优点4是体积小、质量少、可靠性高、使用寿命长，亮度足够、供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。对于一个带有光纤输出的光源，要求是从光纤终端射出的光通量应最大。这个量的大小取决于光源的波长和射入光纤的光通量。射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效率以及光源的亮度有关。由于本课题是强度调制性光纤传感器，主要考虑接收光功率的大小和稳定即可，且采用的是1根单模光纤，对光源和光纤的耦合效率及射入光纤的光通量的要求较高。因此本设计方案采用半导体光源的半导体激光器作为传感器的光源。这里采用CEO 1310J型激光器，中心波长为1310 nm。它内部除了光源LD外，还集成了一个背光监视二极管PD以及一个与光源耦合的尾纤等。其结构图如图3.1所示。图3.2为LD的P-I特性曲线。由图可知，激光器的阈值电流=6 mA，即当激光器驱动电流大于6 mA时，激光器输出激光。在额定驱动电流=32.5mA时，激光器额定输出光功率=1 mW。为控制方便，我们取工作电流为35mA，此时输出功率为1.1mW。I50mAImWP 图3.1 激光器示意图 图3.2 LD的P-I特性曲线32 分束器的选择分束器是一种Y型全光纤型耦合器，是用于传送和分配光信号的无源器件，光信号由分束器的一个端口输入，而从另两个端口输出。因此，分束器可以用来减少系统中光纤用量以及光源和光纤活动接头的数量。其主要特点是5：(1)器件的主体是光纤，不含其他光学元件；(2)通过光纤中传输模式的耦合作用来实现光的耦合功能；(3)光信号的传送方向是固定的。耦合器的性能可以从以下几个方面来描述：1 插入损耗(Insertion Loss)表示指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的衰减值，该值通常以分贝(dB)表示，数学表达式为： (31)2 附加损耗(Excess Loss)表示由耦合器带来的总损耗，定义为输出信道功率之和与输入功率之比： (32)值得指出的是，对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的器件制作过程带来的固有损耗；插入损耗则表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同种类的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反应器件制作质量的优劣，这是与其他无源器件不同的地方。3 分光比(Coupling Ratio)定义为耦合器各输出端口的输出功率的比值，在具体应用中常常用相对输出总功率的百分比来表示： (33)本课题只需四端口的耦合器，因此采用3dB耦合器，即分光比为1：1，插入损耗为3dB，附加损耗为0.7dB。33 系统前向通道的设计方法6单片机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信号。对于测控系统而言，如何准确获取被测量信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监测也是不可缺少的环节。系统需要的被测信号，一般可以分为开关量和模拟量二种。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，如继电器的吸合与断开、光电门的导通与截止等，其信号电平只有二种，即高电平与低电平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系统。对于模拟量的输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化的信号，其信号的幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就比较复杂，在进行小信号放大、滤波、量化等处理过程中需考虑干扰信号的抑制。计算机能处理的只有标准的数字信号，输入通道是连接计算机和被测对象之间的接口，即模拟电路和数字电路之间的接口。输入通道设计的好坏直接关系到整套系统的性能和精度，而且在后续的电路中很难消除由于前向通道带来的干扰，设计时要极为小心。前向通道是单片机应用系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到单片机的输入。故在前向通道设计中必须考虑到信号拾取、信号的调节、A/D转换以及电源配置与干扰防止等问题。(1) 信号拾取方式前向通道中，首先要将外界非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量转换成电量。根据这一要求，信号拾取这一环节可以通过敏感元件、传感器或测量仪表来实现。(2) 信号的调节前向通道中，信号调节的任务是将传感器或敏感元件输出的初次电信号转换成能满足单片机或A/D转换输入要求的标准电平信号。传感器的输出信号，往往是小信号，需要经过放大后才能进行有效地处理，而且，为了抑制现场电磁干扰等影响，还需要进行滤波处理；对于多路输入情况，如多路参数巡回检测等，需要采用多路切换技术；而对被测信号为快速变化信号的情况，为了减少由于模数转换孔径时间的影响，需要采用采样保持技术。34 光电信息转换341 光电检测器的选择光电检测器也是光纤传感器系统中的一个重要组成部分，其作用是将光能转变为电能，也称光电器件。光电检测器用于解读光信号中所包含的信息。它感受入射到检测器上的光功率，并把这种光功率的变化转换成作相应变化的电流的变化。因为光纤末端输出的光信号通常是微弱而又存在一定失真的信号，因此光电检测器必须满足非常高的特性要求。其中最主要的一些要求包括灵敏的光电转换能力、快速的动态响应能力、最佳的信号检测能力、长期工作的稳定性和可靠性。衡量光电检测器的主要性能指标包括7:响应度、噪声特性、光谱特性、温度特性、响应时间及暗电流等。常见的光电检测器主要有:雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管、普通硅光敏二极管和PIN光电二极管。APD和光电倍增管工作时一般需要加较高的偏压，使用起来不方便，尤其在现场测量情况更是如此，APD的等效噪声功率也较大(相对PIN管而言)，常用于入射光功率较小时;普通的光敏二极管暗电流较大且性能不够稳定(一般暗电流为几十纳安); PIN管在测量光信号时响应快、线性好、灵敏度高、噪声低、性能稳定。综合考虑到上述光纤传感器对光电检测器的要求，以及经济方面的原因，我们选择了PIN光电二极管。PIN光电二极管并无倍增作用，它与普通光电二极管的不同点是入射光信号由很薄的P层照射到较厚的I层时，大部分光能被I层吸收，激发而成的载流子形成光电流，这一点就决定PIN光电二极管具有高于普通光电二极管的光电转换效率。此外，使用PIN光电二极管时往往要加较高的反向偏置电压，这样一方面使得耗尽层加宽，另一方面也可以大大加强光生载流子的加速电场(往往可达V/cm)，从而大幅度减少载流子在PIN结内的漂移时间。这两方面的原因都使器件的响应速度大为提高。342 PIN光接收器电路设计在光接收器中，PIN管的作用是将入射光信号转换为电信号。但是，转换后的电流很微弱，不足以保证接收器能有效处理，因此，PIN管将接收到的光信号变成与之成比例的微弱电流信号后通过运放和与PIN串联的电阻组成的放大器变成电压信号，以便进行处理。接收器不是对任何微弱信号都能够正确接收的。这是因为信号在传输、检测和放大过程中总会受到一些干扰，并不可避免地要引进一些噪声。虽然来自环境或者空间无线电波所产生的电磁干扰能通过屏蔽的方式减弱或防止，但随机噪声是接收系统内部产生的，是信号在检测过程中引进的，人们只能通过电路设计和工艺措施尽量减小它，却不能完全消除它。虽然放大器的增益可以做得足够大，但在微弱信号被放大的同时,噪声也被放大了，当接收信号太弱时，必定会被噪声淹没。前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用。接收器的前端是光电二极管，紧接着就是前置放大器。信号经耦合器入射到光电二极管的光敏面上，光电二极管把光信号转换为随时间变化的电信号。前置放大器的作用是进行IV变换并对电信号进行放大，以供后续电路进行信号处理。前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收器的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，根据系统的要求适当的选择前置放大器的形式，使之兼顾噪声和频带两方面的要求是很重要的。跨阻型前置放大器是电压并联负反馈放大器，这是一个性能优良的电流电压转换器，具有宽频带、低噪声的优点。对跨阻型前置放大器，当考虑其频率特性时，上截止频率为 (34)式中：跨阻型放大器的等效输入电阻，为 (35)式中：A放大器的增益。就是说，跨阻型放大器的输入电阻很小，它是通过牺牲一部分增益，使放大器的频带得到明显的扩展。综合得出，本课题选用跨阻型放大器。35 耦合效率的分析351 光源与光纤的藕合效率8因为光源的输出光强并不能完全被光纤利用，只有一部分耦合入光纤并进行传输，所以光纤中实际传输的光强为 (36)式中：耦合系数； 光源的输出光强； 在光纤中传输的光强。总的说来，光纤中实际传输的光强与驱动电流为线性关系，即 (37)式中：光电转换系数；光源的驱动电流。也就是说，我们可以认为光纤中实际传输的光强与驱动电流成正比。352 PIN与光纤的藕合效率应用较广的光电探测器是硅光电二极管(PIN)，由于它们的面积比较大，它们和光纤之间的低损耗耦合比较容易。从光纤端面出射的光，其出射角由光纤的数值孔径决定： (38)只要光纤端面和光敏面靠得足够近、光纤端面平整垂直，光纤和接收器中间一般不加任何光纤系统就可以使耦合效率达到85%以上。在光纤和光敏面之间也可以加合适的匹配粘着剂，以进一步提高耦合效率。36 低通滤波电路的设计PIN光电二极管受光照后，将光强的变化按比例地变换成电流的变化，前置放大器将这个电流变化转换成的电压信号放大。为更好地降低噪声，在前置放大器电路中，我们应采用一阶低通电路来滤除噪声和高频无用信号，其滤波原理图如图3.3所示，幅频特性曲线如图3.4所示。 图3.3 一阶低通滤波原理图 图3.4 低通滤波器幅频特性曲线低通滤波器LF只允许低于上限截止频率的成分通过，一阶低通滤波器传递函数特性为： (39)当=时，=，其中=，=。因为本设计方案所要测的是低频振动加速度信号，所以信号频率很低，只有几十赫兹。因此，低通滤波器的上限截止频率值设为100Hz，以便让低频信号的部分通过，并滤除电路的高频噪声。考虑到前级放大器的放大倍数=，其中为为1，若要获得10倍的放大倍数，设为10，因此可以推得值为16。37 信号转换371 模数转换器ADC(AnalogDigital Converter)是A/D转换器的简称。近年来，随着半导体技术的不断发展，各种性能优异的A/D转换器层出不穷。早期的A/D转换器与CPU接口一般采用并行总线方式，现在一些采用PC、SPI总线的新型A/D转换器相继被国外一些公司推出，极大地丰富了A/D转换器的种类。A/D转换器的选择对于数据采集处理系统是十分重要的，其性能指标很多，我们在选用最主要考虑的是转换位数、转换速度、输入信号极性和抗干扰措施等。(1) A/D转换器的位数选择9一般情况下，由于客观条件的影响，电路设计中A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率。A/D转换器的转换位数N决定了该转换器的最小分辨率和量化误差。位数N越大，A/D转换器的最小分辨率和量化误差越小。但是随着位数N的增大，运算的数据量也会成倍的增长。这会导致一次数据处理的时间长，对运算的实时性造成威胁。下面考虑A/D转换器的转换位数N如何确定。A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两方面进行考虑。从静态精度方面来说，要考虑输入信号的量化误差传递到输出所产生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与A/D转换器位数有关。10位以下误差较大;11位以上对减小误差并无太大贡献，但对A/D转换器的要求却提得过高。因此，取11位或12位是合适的。由于模拟信号先经过测量装置，再经A/ D转换器转换后输入计算机，因此，总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的。A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。也就是说，一方面要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差;另一方面必须根据目前测量装置的精度水平，对A/D转换器的位数提出恰当的要求。目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%0.5%，故A/D转换器的精度取0.05%0.1%即可，相应的二进制码为1011位，加上符号位，即为1l12位。有些特殊的应用或量程范围很大时，A/D转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度的转换方案。一般把8位以下的A/D转换器归为低分辨率A/D转换器，912位的称为中分辨率，13位以上的为高分辨率。通常，满足静态精度要求的位数，也能满足动态平滑性的要求。但对动态平滑性要求较高的系统，还需用硬件(模拟滤波)或软件(数字滤波)进行平滑处理。在本设计方案中，我们要测量的是光强的变化，经PIN光电二极管转换后就变成输出电压的变化。因为对于低频加速度计来说，光强变化缓慢且微小，所以对A/D转换器的分辨率要求较高。8位A/D转换器的分辨率为= 1/256=0.4%; 12位A/D转换器的分辨率为=1/4096=0. 0244 % ; 16位A/D转换器的分辨率为=1/65536=0. 0015%。当然，A/D转换器的位数越多，分辨率越高，但成本也愈高。因此在实际电路的设计中选择A/D转换器也不能一味强调位数，应在满足系统性能指标的前提下，追求最高的性能价格比。综合上述讨论，我们选择12位A/D转换器即可满足要求。(2) A/D转化器的转化速率A/D转换器从启动转换至转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每秒钟能够完成的转换次数，称为转换速率。A/D转换器的转化速率与系统的设计指标息息相关，在一些高速数据采集系统(如虚拟数字示波器、雷达识别、视频图像实时分析等)中，往往要采用高速A/D转换器;反之，对于一些参数变化缓慢的数据采集，如电源电压、温度和压力的数据采集，采用低速的A/D转换器即可。本设计方案测量的信号是低频模拟信号，频率只有几十赫兹，普通的中速A/D转换器就可满足要求，其频率远大于被测信号，同时还满足采样定理，因此在A/D转换器前也可不加采样/保持电路。综合以上讨论，课题选用TI公司的TLC2543。ILC254310是12位开关电容型逐次逼近串行模数转换器，在测量范围0-5 V的范围内，精度可达到1 mV左右，完全满足本系统的要求。由于采用了3线SP I串行输入结构，不但能够节省单片机I/O资源，而且能够方便地与单片机连接。372 数模转换器(DAC)DAC (DigitalAnalog Converter)是D/A转换器的简称。D/A转换器的主要功能是将数字信号转换为模拟信号。其基本思路是:对所需合成的正弦波形信号幅值量化(离散采样)后的离散化幅值按一定顺序以数字信息存到存储器里，然后在序列脉冲作用下以相同的顺序逐个取出幅值信息，再经转换器转换成模拟量，便可得到所需的正弦波形。实质上，数字合成正弦信号的整个过程可分解为模/数采样(幅值量化)和数/模转换(曲线复原)两个过程。在幅值量化过程中，应该考虑两个主要因素。一个是将正弦波形在一个周期内均匀分布的采样点数N;另一个是幅值量化所需选用D/A转换器的二进制位数S。非常明显，N和S的取值不仅影响合成正弦波形的失真度，而且影响合成正弦波的有效值。要使合成的曲线更加逼真正弦波形，应使采样点数N和二进制位数S(幅值量化级数)越多越好。(1) 采样点数N的选择采样点数N的选择与数字源的相位调节细度有关。如要求相位调节细度越细时，则合成一个周期正弦波形所需的数据量(采样点数)越大。例如，若相位调节细度取0.1时，则一个周期采样点数N应取3600。若相位调节细度取0.01，则N应取36 000。(2) 二进制位数S的选择11幅值量化的级数越多，则所用D/A转换器的位数越大。例如，若幅值量化级数为256时，则D/A转换器的位数S应取8位(=256)。若量化级数取2048时，则S应取12位。从经济观点来看，选用位数S低的D/A转换器时，成本低，但合成的输出波形不太平滑，需加低通滤波器来消除高次谐波，此时，可获得失真度为0.05%的正弦波形。选择幅值量化级数和低滤波器的时间常数主要取决于对输出波形失真度的要求。应该指出，低通滤波器会产生附加相移。当选用S=12位的D/A时，电路成本随之增加，此时可考虑不用低通滤波器，因为这种情况下可以忽略高次谐波。综合以上分析，课题选TI公司的TLC5618。TLC5618是带有缓冲基准输入的双路12位数/模转换器，输入端带有施密特触发器，具有较高的噪声抑制能力。38 微弱信号检测381 微弱信号检测的意义我们知道无论是光纤传感器、电传感器或是其他传感器，在做信息转换测量时都不可避免的会带来噪声。按传统观念，若信号高于被测信号，那么就要降低噪声，使其低于被测信号，即降低测量系统的噪声，特别是传感器自身的噪声，这就意味着测量系统造价要提高，况且有时信号相当微弱，即使使用高精密的仪器，也无法使其自身噪声低于被测信号。降低噪声是提高测量精度的关键，但并不是唯一的办法，微弱信号检测就是研究噪声中提取有用信号，从而使测量下限低于测量系统的噪声水平。由于微弱信号检测能大幅度提高许多参量的测量灵敏度和可测量下限，已在物理、化学、人文、生物、医学及多种工程技术领域得到了广泛应用。这里简单介绍其一般的方法原理并针对本课题的特点，设计电路对光电检测器输出的信号进行初步处理。382 微弱信号检测方法的选择微弱信号检测是基于研究噪声的规律(如噪声幅度、频率、相位等)和分析信号特点(如信号频谱、相干性等)的基础上，利用电子学、信息论和其他物理、数学方法来对被噪声覆盖的弱信息进行提取、测量。针对信号类型的不同，有频域信号的窄带化和相干检测技术、时域信号的平均处理、离散量的计数统计、并行检测、计算机数字处理五种检测方法。根据本课题所研究的对象主要是转换后电压的变化，所以采取单片机数字滤波技术(计算机数字处理)。计算机数字处理是指由于计算机的发展，计算速度加快，根据信号与噪声的不同，利用各种数学方法，对含有噪声的信号采集结果进行数字处理，提高信噪比。383 数字滤波为了克服随机干扰引入的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。因为硬件滤波能够很好地抑制高频干扰，而对低频干扰的滤波效果却比较差;而软件滤波对低频干扰则有较好的抑制能力。采用一般的滤波算法，每计算一次测量结果需输入n个测量数据，速度较慢，系统的实用性很难得到有效的保证。本系统采用滑动平均滤波法。滑动平均算法12采用先进先出的循环队列作为测量数据缓冲器，其长度固定为n，每进行一次新的测量，把新数据放入队尾，同时丢掉原来对首的一个数据。计算平均值时，只要把队列中的n个数据进行算术平均，这样，每进行一次测量，就可以得到一个新的算术平均值，从而提高了系统的响应速度。这种方法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高。39 信号运算变换在许多实时测量控制系统中，单片机处理器是其中的核心部分，信号采集、处理、控制算法的形成等环节均受微处理器控制。本系统测量的光信号经光电转换、放大后，得到的电信号需经过开方和取倒数的运算才能得到与加速度相关的信号，即 (310)式中，K转换电路的系数，与转换电路有关的常数。因此，信号经过数字滤波后，还需对信号进行相应的运算。因为本系统的信号运算比较简单，同时测量的信号频率较低，所以直接调用相应的运算子程序处理信号，然后经D/A转换输出足可满足实时测量的要求。单片机在一些超越函数的算法中，如乘方、开方、三角函数、矢量运算，既需要较长的机时，其运算算法又会占用较多的微处理器资源，同时增加设计环节和误差量。对于本课题设计来说，信号处理部分的要求并不很高，因此在信号放大后可直接采用硬件电路来直接进行函数运算，达到实时测量的目的。在这里，本系统可采用美国Burr-Brown公司生产的4302集成运算电路。它是一种微型封装、使用方便、性能稳定的多功能运算电路。通过适当的电路连接，可完成信号的乘法、除法、开方、指数、三角函数及矢量的计算等多种运算功能，简化了多种运算电路，加快运算速度，节省微处理器资源，可应用于高速实时测量系统。4 系统的硬件设计41 激光光源的控制电路对于光学测量系统，光源输出光功率的稳定性对测量的准确性与可靠性起着决定性的作用。影响激光器输出光功率的因素有很多，如温度的变化、激光器本身的老化以及环境因素的影响，都会引起激光器输出光功率的不稳定。为了提高激光器输出光功率的稳定度，必须对激光器进行必要的功率控制和温度控制。因此，激光器的驱动电路除了包括驱动恒流源外，还应包括必要的支持电路，即自动温度控制(ATC)电路和自动功率控制(APC)电路。411 自动温度控制(ATC)电路13激光器的阈值电流、输出功率和发射波长都随温度变化而变化，影响激光器性能的稳定性，故一般在使用时都应对光源的工作温度进行自动控制。激光光源频率的变化主要是由外加调制电流引起谐振腔温度变化而获得，如果不对激光管实施温度控制，一方面受周围环境温度的影响，另一方面受自身工作环境温度的影响，其谐振腔的温度将受到来自它们的干扰，其温度的变化将体现出外加调制电流及环境温度的变化，从而频率的变化也将体现出二者的变化，而不仅仅是外加调制的变化。对谐振腔的工作环境温度实施正确的温度控制，抑制其对外加调制电流所产生温度变化的干扰，是一种行之有效的方法。目前市面上的LD激光管大都将实施自动温度控制(ATC)的核心元件集成在LD组件中，只需为其配上相应的工作电路即可。这种对LD进行自动温度控制基本采取的的方法是半导体致冷方式。半导体致冷是基于帕尔帖效应的一种致冷方式，致冷器由特殊的半导体材料制成，当其通过直流电流时，一端致冷(吸热)，另一端放热，通过温度自动控制电路控制通过致冷的电流就可以控制LD的工作温度，从而达到自动温度控制的预期效果。传统的自动温度控制电路工作方式是一种基于比较器的工作方式。当激光管温度高于某一值时，桥失去平衡，立即全力以赴的给激光管致冷，瞬间加上大的致冷电流，而当激光管温度低于某一值后，则是不遗余力的给激光管加热，瞬间加上大的升温电流，因此出现“大起大落”的致冷电流现象。这将会使最后解调信号受到影响。为此我们采用了如图4.1所示的电路。当激光管温度变化时，缓慢地、模拟似地给其加上致冷或升温电流，使得由于自动温度控制所带来的谐振腔温度变化尽量小，速度尽量慢。实践证明，这种采用这种方案的ATC电路效果是非常不错的。 图4.1 自动温度控制电路412 自动功率控制(APC)电路要实现光功率的自动控制，首先要取得激光器瞬时输出光功率的信息，这需要进行输出光功率的监测。光功率监测的原理是将光源发出的光功率成比例地捕获一部分，再由本地光探测器(PIN或APD等)将捕获到的这部分光功率转变为电信号，并将其送到反馈回路，用来控制驱动电路，完成光功率的负反馈环路，实现光功率的自动控制。光功率监测常用的方法有两种：一种是光分路器法：另一种是背向光监测法。光分路器法14是指激光器发出的光，经分光器或方向耦合器，按一定比例分成两部分。其中一部分供给光学测量仪器使用，另一部分光经光电转换变成电信号，送到激光器驱动控制反馈回路，用来实时地调节激光器的驱动电流，稳定输出光功率。背向光监测法的原理与光分路器法相同，只不过省去了光分路器件，激光器输出光功率的反馈信号由集成在激光器组件内部的光功率监视二极管PD直接提供，因此使用起来非常方便。本设计即采这种方法。其原理框图如图4.2所示。输出方向耦合器LD驱动电路激光器（LD）光功率监测（PD） 参考电压输入比较放大功率控制 图4.2 激光器功率控制原理框图42 PIN光电转换电路用光电二极管PIN组成的光电检测电路15，实际上是一个光-电流-电压变换器。PIN管相当于一个电流源，当它的负载阻抗为零时，它的输出特性最好。其等效电路如图4.3所示。而理想的运放正、负输入端正好有“虚短”(即两输入端这间的电压差为零)的特性，这正是选用运放来检测PIN管电流的原因。系统采用的PIN管零偏压、电流输出工作方式如图4.4所示，这里使用了运算放大器构成I-V转换，将探测器输出的光电流转换为电压信号。由于运放的“+”、“-”输入端之间几乎没有电流流过，故“+”输入端虚地，从而使PIN管等效地工作在短路状态，得到了良好的光生电流与输出电压的线性转换关系。设运放的开环增益为A，则此电路中PIN的负载电阻为/A，因运放的开环增益通常很大，即使选用较大反馈电阻，/A与PIN管的输出电阻相比也是可以忽略的。理想的运放输入端还具有“虚断”(即输入端不取电流)的特性，PIN管产生的电流流过反馈电阻，使得运放的输出电压=，从而实现了光-电流-电压的线性变换。在电路中还加入了电容，使其和构成低通滤波器，在进行电流-电压线性变换和放大的同时实现低通滤波的作用。本系统选取Honcywell公司生产的硅PIN光电二极管作为光电探测器件，型号为HOR3322-H02，它的峰值响应波长为1610nm，较低的暗电流(0.05nA)，光功率响应度为0.15A/W。响应时间3ns。运算放大器采用Intersil公司研制的ICL7650第四代斩波自稳零集成运放，它采用先进的CMOS工艺，具有超失调和超低温漂、高增益、高输入阻抗的特点。 图4.3 光电二极管等效电路 图4.4 前置放大电路由于光电流太小，为了I-V的转换和前置放大器性能稳定，且在信号动态范围内具有良好的线性，I-V的转换系数和前置放大器放大倍数不宜太大，同时为后续电路和计算机A/D转换的需要，应在前放和滤波电路间设置一级中间放大器。此处，用一个低功耗、低噪声运放集成电路7650构成中间放大器，增益根据系统整体情况确定。这级放大与前置放大部分一样，加入了一阶低通滤波，目的是进一步提高信噪比，其电路和元件参数设置与前放部分相同，如图4.5所示。 图4.5 中间放大电路43 A/D转换电路PIN光电探测器检测到的电信号，经前置放大、低通滤波电路后输出05V范围内变化的模拟电信号。模数转换器采用了德州电器公司(TI