（电路与系统专业论文）光纤渐逝波温度传感器光电检测系统的设计研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有一系列独特的优点，如灵 敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀，便于实现多路技术，结构简单，体积小， 重量轻，耗电少等。光纤渐逝波传感技术又是近年来光纤传感的研究热点， 基于该原理对被测量能实现高灵敏度的传感检测，使其已经成为未来传感 技术领域的发展趋势之一。本文就是在光纤渐逝波温度传感器的基础上， 介绍了利用熔融拉锥光纤耦合器作为传感头的传感原理，针对其高灵敏度 的传感特点，提出利用锁相检测技术来实现光电温度传感的检测。 一般的线性放大器可以将微弱的电信号放大，但若我们所要的信号中 伴随着噪声信号，则两者都会一起放大。尤其当噪声强度远大于所要的信 号时，就必须借助特殊的放大器来同时放大信号并滤去噪声。由于渐逝波 光纤温度传感检测到的温度信号属于微弱的光电信号，其幅值微弱，很容 易被检测系统的噪声所埋没，传统的检测方法无法滤除这些噪声，这样的 检测方式会使高灵敏度的光纤渐逝波温度传感失去意义。 锁相检测电路就是特别适合于微弱信号检测的一种有效检测电路。本 文介绍的光纤渐逝波温度传感器的光电检测系统正是采用了锁相检测的技 术。整个检测电路分为光电转换、前置放大、窄带滤波、p l l 锁相环路、 同步解调、采样和信号处理六大部分。本文分析了在光电转换和前置放大 环节产生的噪声，同时介绍了利用窄带滤波、p l l 锁相环路和同步解调电 路实现去噪的原理，并详细说明了如何利用增强型单片机c 8 0 5 1 f 0 0 5 实现 信号采样、处理的过程。每一部分的电路都在硬件构成和工作原理上做了 详细阐述。并在此基础上设计了光纤渐逝波温度传感的检测实验。 针对光纤渐逝波温度传感器，本文将p l l 锁相检测的性能和直流检测 做了详细的比较和分析。在相同的实验条件下，发现采用p l l 锁相检测的 方法得到的测量结果的稳定性比采用直流检测法提高了4 倍，检测的稳定 性达到了0 0 5 c 。同时也与数字锁相放大器的检测结果做了比较，得到了 v 上海大学硕士学位论文 两者采样电压稳定性是一致的结论，两者检测电压的波动范围都在o 0 0 1 v 左右。这都说明p l l 锁相检测电路具有很高的稳定性。并且，也就其灵敏 性、重复性等性能做了实验分析。通过实验和计算，本文设计的基于p l l 锁相原理的光电检测电路对温度的分辨率达到了o 0 5 ；在- 4 0 0 c n8 5 的范围内，该检测系统也具有良好的检测重复性。检测系统良好的稳定性、 灵敏性和重复性的特点使得高灵敏度的光纤渐逝波温度传感有了真正应用 价值。 文中最后对本课题的工作做了总结，指出了今后工作的发展方向，并 对网络化温度传感的前景作了技术展望和积极的预测。 关键词：光纤温度传感器，渐逝波，光电检测，锁相检测 v i 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t f i b e ro p t i cs e n s o r sh a v en o t a b l ea d v a n t a g e sa sc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l s e n s o r s ，s u c ha si m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e s ，l o ww e i g h ta n ds m a l l s i z e r e c e n t l y ，f i b e ro p t i ce v a n e s c e n tw a v e s e n s o rh a sb e e nr e s e a r c hh o ts p o td u et o 砥t l i 曲s e n s i t i v i t ya n dl o wc o s t w eu s e da2 x 2f u s e db i c o n i c a lt a p e r e d ( f b t ) c o u p l e ra st h et e m p e r a t u r es e n s o r i nt h i sp a p e r , ak e yo fp l lp h o t o e l e c t r i c s d e t e c t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nt h es e n s o r sh i g hs e n s i t i v i t y c o m p a r e dw i t hn o i s e t h eu s e f u ls i g n a li st o ow e a kt ob ea c c u r a t e l yd e t e c t e di n p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ns y s t e m t h en o i s ec a u s e db ym a n yr e a s o n ss u c ha sn u l l - d r i f t g e n e r a t e di np r e a m p l i f i c a t i o nc i r c u i tw i l lb ea m p l i f i e dd r a m a t i c a l l ya l o n gw i t ht h e u s e f u ls i g n a l s ，w h i c hb e c o m et h ep r i n c i p a ls o u r c eo fn o i s ei nw h o l es y s t e m s o ，w e h a v et os e e kas p e c i a ld e t e c t i o nm e t h o dt oa m p l i f yt h eu s e f u ls i g n a la n dr e s t r i c tt h e n o i s e t h et e m p e r a t u r es i g n a ld e t e c t e db yf i b e ro p t i ce v a n e s c e n tw a v et e m p e r a t u r e s e n s o ri ss ow e a kt h a ti tw o u l db ee a s i l yb u r i e di nn o i s e t r a d i t i o n a ld e t e c t i o n m e t h o dc o u l dh a r d l yr e s t r i c tt h en o i s e ，w h i c hd o e sn o t h i n gf o rt e m p e r a t u r es e n s o r 诵t l l1 1 i g hs e n s i t i v i t y p l lt e c h n i q u e ，h o w e v e r , c a nd e t e c tw e a kf l u c t u a t i o no ft e m p e r a t u r eb u r i e di n s t r o n gn o i s eg e n e r a t e di na m p l i f i c a t i o nc i r c u i t s i nd e t e c t i o nc i r c u i t ，t h el i g h ts o u r c e w a sm o d u l a t e da to n ef r e q u e n c ya n dt h en o i s ew i t ho t h e rf r e q u e n c yg e n e r a t e di n p r e - a m p l i f i c a t i o nc i r c u i tw o u l db ea t t e n u a t e da tal a r g es c a l ew h e np a s s i n gt h en b p e a sar e s u l t ，w ec o u l dg e tt h eo u t p u ts i g n a lw i t hl e s sf l u c t u a t i o n t h ed e t e c t i o n s y s t e md e s c r i b e di nt h i sp a p e rc o n s i s t so fs i xp a r t s ，t h e ya r ep h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m ， p r e a m p l i f i c a t i o n ，p h a s e - l o c k - l o o p ，s y n c h r o n o u sd e m o d u l a t i o n ，s i g n a ls a m p l i n ga n d p r o c e s s w ea n l y z et h er e a s o no fn o s i eg e n e r a t e di nt h ed e t e c t i o nc i r u i t ，d i s c u s st h e s t r u c t u r ei nh a r d w a r ea n dw o r kp r i n c p l eo fe a c hc u i c u i t si nt h ep a p e r b a s e do nt h e p l ld e t e c t i o np r i n c p l e ，w ed e s g i nas e to fd e t e c t i o n e x p e r i e n to ff i b e ro p t i c e v a n e s c e n tw a v et e m p e r a t u r es e n s o r v l i 上海大学硕士学位论文 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ld cs i g n a ld e t e c t i o n ，t h ep l ld e t e c t i o nt e c h n i q u e h a sg r e a ti m p r o v e m e n to nd e n o i s e , w h i c hi sa b l et od e t e c tw e a ks i g n a lb u r i e di n n o i s e e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h er e s o l u t i o nt ot e m p e r a t u r ec o u l dr e a c h 0 0 5 。c ，w h o s es t a b i l i t yi sa d v a n c e df o u rt i m e st h a nt h a to fd cd e t e c t i o n t h e v o l t a g ef l u c t u a t i o no fd e t e c t i o ni sb d o wlm vw h i c hi sc l o s et os r 8 3 0 s b yt h e e x p e r i m e n t sf r o m - 4 0 ct o8 5 。c ，w ea l s og e tf i n es e n s i t i v i t ya n dr e p e a t a b i l i t yw i t h t h i sd e t e c t i o ns y s t e ma p p l i e di nf i b e ro p t i ce v a n e s c e n tw a v et e m p e r a t u r es e n s o r a tl a s t ，w ec o n c l u d e dt h ep a p e ra n dm a k eaf u r t h e rv i e wo fn e s tw o r k k e y w o r d s ： f i b e r o p t i ct e m p e r a t u r es e n s o r ,e v a n e s c e n tw a v e ，p h o t o e l e c t r i c d e t e c t i o n , p l ld e t e c t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弦扬日期：2 竺：盘：f ：兰牛 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：卫二筮勋躲雄嗍雄。嘭 上海大学颂士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市科学技术委员会批准的上海市重点实验室专项项目 网络化光纤渐逝波温度传感技术项目编号：0 5 d z 2 2 3 1 0 。 1 2 课题研究的目的和意义 在信息化社会，随着工业的飞速发展，几乎没有任何一种科学技术的发展 和应用能够离得开传感器和信号检测技术的支持。传感器属于信息技术的前沿 尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域， 数量高居各种传感器之前列。圈l1 列出了近年来各类传感应用的比例f ”。 图l _ 1 被测量分布 如今t 人们对传感技术的要求也越来越高。与传统的各类传感器相比，光 纤传感器有一系列独特的优点l 。如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、便于 实现多路技术、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等。温度、应力传感是目 前光纤传感器应用最广泛的两个方面围l2 示出了当今不同传感技术在传感 领域中所占的比重分布。 l 海大学硬学位论文 囤12 传感技术分布 美国的斯坦福大学、弗吉尼亚大学、b a b o c k & w i l c o x 公司、a c e u f l b e r 公 司、f i d b e r d y - e l a m i e s 公司、e o t c e 公司等机构在光纤传感邻域起步较早，在军 事和民用颁域的应用方面，光纤传感器发展十分迅速，这使得美国成为光纤传 感技术水平最高的国家。之后，日本的很多研究机构和西欧各国的大型企业、 公司也积极参与了光纤传感器的研究与丌发。 在国内光纤传感器受关注程度也r 益升温，并得到了较快的发展。目前， 清华大学、浙江大学、南开大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中理工大 学、重庆大学等院校也在这领域展开了工作。这些研究机构在光纤温度传麟领 域也进行了大量的研究，取得了上百项科研成果。表l 列出了目前主流的光纤温 度传感技术及其在技术上还有待解决的问题。 表l1 目前主流的光纤温度传感技术段其在技术上还需有待解决的问题 测量范围精度待解决问题参考文献 半导体吸收式1 0 7 0 士02 分辨率和稳定性需要进一步提高 1 2 1 3 】 布拉格光纤光 波k 解调存在结构复杂、成本高的 1 4 】 栅式 2 08 0 。3 0 6 问题 法布里珀罗 2 22 35 环境影响是一个有特提高的环节 1 5 】 干涉式5 4 0 喇曼敝射分布检测的信号弱，光源成本高、对探 【l 卅 2 测器、信号处理单元的要求高 光纤渐逝波式 4 0 8 5 士0 l 上海大学硕士学位论文 针对这些传感技术的不足【1 2 舶】，出现了很多基于光纤渐逝波原理【1 9 之9 】的温 度传感器。而我们也利用熔锥单模光纤耦合器的渐逝场随锥区包层温敏材料折 射率变化的特性，开发出了一种高灵敏度、低成本、稳定性良好的光纤温度传 感器产品【3 0 3 1 1 。 本文的研究内容是针对这种基于光纤渐逝波原理的温度传感器，设计出一 种与之相匹配的光电锁相检测系统，该检测系统能将光纤渐逝波温度传感器高 灵敏度的特性充分体现出来。 1 3 锁相检测电路的研究概况 1 3 1 锁相技术的应用和发展 锁相技术是实现相位自动控制的一门学科。锁相原理在数学方面，早在3 0 年代无线电技术发展的初期就已经出现。1 9 3 0 年已经建立了同步控制理论的基 础。1 9 3 2 年b e l l e s c i z e 第一次公开发表了锁相环路的数学描述，用锁相环路提取 相干载波来完成同步检波。到了4 0 年代，电视接收机中的同步扫描电路中开始 广泛的应用锁相技术，使电视图像的同步性能得到很大改善。进入5 0 年代，随 着空间技术的发展，由j a f f c 和r e c h t i n 成功研制利用锁相环路作为导弹信标的 跟踪滤波器，表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章，解决了锁相 环路最佳化设计问题【3 2 1 。在6 0 年代，v i t e r b i 研究了无噪声锁相环路的非线性 问题，并发表了相干通信原理一书。到了7 0 年代l i n d s c y 和c h a r l e s 进行 了由噪声的一阶，二阶及高阶锁相环路的非线性理论分析，并做了大量实验以 充实理论分析【3 3 1 。由于锁相环路具有许多优良特性，它可以用于频率合成与交 换、自动频率调谐、模拟和数字信号的相干解调、a m 波信号的同步检波、数 字通信中的位同步提取、锁相稳频、锁相倍频和分频、锁相测速预测距、锁相 f m ( p m ) 调制与解调，等等。目前，锁相换路的理论研究正在日臻完善，应用范 围遍及整个电子技术领域。且商品化集成锁相环路日益增多，为锁相技术应用 提供了广阔前景3 4 3 7 1 。 自6 0 年代以来，锁相技术在航天、通信、测量、电视、原子能、电机控制 上海大学碗学位论文 等领域，能够高性能地完成信号提取、信号的跟踪与同步、模拟和数字通信中 的调制和解调、频率的合成、噪声过滤等功能已经成为电子设备中常用的基 本部件之一。为了便于调整、降低成本和提高可靠性，目前已有多种不同性能 的集成锁相环电路。按电路形式可分为模拟和数字两种电路。在第三章中将对 本文所用到的模拟锁相环电路加以介绍。 32 锁相检测技术在光电信号柱测邻域里的应用和发展 随着光电子学在仪器仪表、自动控制、通信工程以及传感检测等( 图13 所 示) 各个方面应用的不断深入，光纤传输和光电转换就成为系统信号处理过程中 不可或缺的环节，因为它直接决定着整个系统的精度。 圆 图1 3 光屯信号检测的应用领域 如何使得光信号特别是微弱光信号在传输的过程中受到的干扰影响尽可能 小? 如何在光电转换的过程后尽可能全的提取有用信号? 也就成为光电信号检 测的关键所在。由于微弱光信号幅值非常小，在传输过程中必然会受到较大的 温度变化影响，尤其是微弱光信号光在大气中传输时还会受到可见光、灯光、 雷电等强背景噪声的很大影响。而温度、可见光、灯光等都是随时间变化很小 的低频近直流信号如果光由恒定光源或是低频变换的光源产生的话，在传输 过程中由于光信号与干扰信号频率相同或相近，将会受到干扰源的叠加影响， 同时，光电探测器、前置放大器和检测电路电源的不稳定都会引入噪声，而在 光电转换后无法通过滤波等处理方法除去。由此，我们可以根据幅度调制原理 与锁相检测原理先以一定频率将光源进行幅度调制使其发出一定频率的调制 上海大学硕士学位论文 光，调制光在传输过程中虽然也受到干扰源的影响，但由于频率不同且相距较 远，在光电转换后可以用锁相解调很容易的将干扰除去，从而得到有用的光电 转换信号。我们把这种信号检测方法称为锁相检测技术。锁相放大电路具有很 高的信噪比，可以把掩没在噪声中的信号提取出来，大大提高了仪器的分辨率 【3 8 1 。所以基于锁相解调的微弱光信号检测电路具有很高的精度。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担的上海市科委重点实验室专项项目 为课题研究背景，并把光纤技术、光电转换技术和信号处理技术融合在一起， 完成的工作。论文具体内容如下： 第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章介绍了高灵敏度耦合式光纤渐逝波温度传感的原理，光纤耦合器的 特性及用它实现温度传感的方法。 第三章重点阐述了基于光纤渐逝波温度传感器的p l l 锁相检测系统，详细 介绍了检测电路各个组成和器件的特性及使用。同时，也结合光纤渐逝波温度 传感器阐述了实现温度检测的实验方法和步骤。 第四章就p l l 锁相检测系统在光纤渐逝波温度传感器中的性能做了分析。 本章将本文所设计的p l l 锁相检测电路与传统的直流检测方法做了比较，也用 数字锁相放大器对比p l l 锁相检测电路做了参照实验，阐明了我们设计的锁相 检测系统在光纤渐逝波温度传感检测中的性能优点。 最后第五章是全文总结和对今后工作的展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章温度传感原理及光电检测方法 2 1 耦合传感原理以及光纤渐逝波温度传感的特点 2 1 1 耦合传感原理 传感头是任何传感系统最关键的环节之一，对于温度传感系统，一个好的 传感头必须具备灵敏性高、稳定性好的特点。对于实际应用的成品，还要考虑 它的制作成本。基于以上因素，将光纤耦合器作为温度传感头的方法被很多人 提了出来【3 9 。4 5 1 ，而我们也设计了一种利用2 x 2 熔融拉锥光纤耦合器作为传感探 头的温度传感方法【3 0 3 。 2 x 2 光纤耦合器是很重要的光无源器件，它可以实现传输、耦合、分光、 干涉以及波分复用等许多功能，在光纤通信系统、光纤传感、光纤测量和信号 处理等系统中应用十分广泛，很多学者从不同角度对耦合器的耦合机理进行了 分析研究，提出了重要及普遍适用的近似模型基于渐逝场耦合模理论的光 纤耦合器分析方法。 通过改变光纤耦合锥区的状态来改变光传输特性，从不同的输出结果中断 定待测参数值，实现传感的原理。只要传感头按照一定的制作工艺，利用光纤 耦合器这种很常见的光无源器件制作成的传感头，对温度具有良好的灵敏性和 稳定性。 首先简单介绍一下光纤耦合器的基本结构。图2 1 是一个2 x 2 的光纤耦合 器的结构图，它有2 个输入臂和2 个输出臂。通常情况下，光从一个输入臂注 入，在锥区经过功率的重新分配从2 个输出臂输出。 ： 矽 ： ；m 衄 图2 12 x2 的光纤耦合器的结构图 6 上海大学硕士学位论文 描述耦合器两输出臂功率分配的参数为分光比c r ( c o u p l i n gr a t i oo r s p l i t t i n gr a t i o ) p c r = i 1 0 0 = c o s 2 ( c z ) x 1 0 0 ( 2 1 ) p 。寺p2 式中c 为耦合系数，表示了在这些区域一根光纤的导模场与另一根光纤的渐逝 场相互作用的强弱，它的大小直接反映耦合器两纤之间传递能量的特性及效果。 它的表达式为 c ：年乒譬舁 陋2 ， 口 矿k ：0 ) 。 其中：仍痧五万；而；肛“：o ，七= 孚，：业 本文侧重对光纤温度传感器检测系统的介绍，有关渐逝波理论的具体内容 请参阅参考文献【4 6 , 4 7 ，这里不在详细叙述。 传统意义上描述耦合器两输出臂功率分配的参数为分光比c r 信号如式 ( 2 1 ) ，它随着耦合锥区包层折射率的增大而呈现逐步剧烈的起伏变化，只要我 们合理的设定初始参数，就可以通过光纤耦合器输出的分光比信号的单调剧烈 变化来获得我们感兴趣的参量。光纤耦合分光比与包层折射率变化的对应关系 是温度传感原理的核心所在。在研究过程中我们发现耦合器两输臂能量的差和 比参数即耦合分光可见度c v ( c o u p l i n gv i s i b i l i t y ) 对测量系统的灵敏度提高和降 低躁声更为有效。 耦合器分光可见度定义为【4 8 4 9 1 c v ：熙l o o ：c 。s ( 2 c z ) 1 0 0 ( 2 3 ) pl 七p2 j 采用耦合器分光可见度的定义作为输出参考信号在保证不受光源不稳定因 素影响之外，还由于分子中也引入了输出功率相减的功能，进一步消除了与温 度无关因素的影响；对比( 2 1 ) ，( 2 3 ) 两式，随着动态区间及变化幅度的扩大， 输出信号对耦合锥区包层折射率以2 的变化敏感性进一步提高，即光纤传感器的 7 上海大学硕士学位论文 分辨率得到了进一步的提高。 由此可见，通过检测耦合器的输出光功率，就可以计算出分光可见度。分 光可见度是耦合系数的函数，耦合系数是包层折射率的函数，而包层折射率最 终又是由传感头周围的温度所决定的。由此我们就可以得到耦合器输出光功率 ( 或c v ) 与环境温度的对应关系。检测出耦合器输出光功率，也就知道了此 时传感头周围的环境温度。在检测上，可以将光信号转换为便于处理的电信号， 加以信号处理和显示，就完成了整个光纤渐逝波温度传感系统的传感和检测。 图2 2 显示的就是整个光纤渐逝波温度传感器传感和检测的原理框图 环境温度t 剖包层折射率n输出光功率p 剖光电流i 剖电压信号u 图2 2 耦合光纤渐逝波温度传感原理图 2 1 2 光纤渐逝波温度传感的特点 采用熔融拉锥法拉制2 x 2 耦合器，在其锥区外涂敷温度敏感性材料( 材料 折射率随温度的变化而变化) ，那么耦合锥区包层的折射率就变成了拉锥后纤芯 外的包层介质与外层涂敷温敏材料介质所构成的等效折射率，其具体数值计算 可以参考相关文献【5 0 1 ，这里不作详细介绍。 只要选取合适的温度敏感材料涂敷在耦合器的锥区外，当置于温度场中的 传感器周围温度发生微小变化时，耦合器包层等效折射率随之也发生变化，直 接影响到耦合锥区内部传输能量渐逝场的分布，这一变化很敏感的被体现在耦 合器中两低阶正交模式的干涉效果上，这样输出耦合分光比信号将发生显著变 化，由此我们可以得到温度参数的高灵敏度的测量。 通过选取不同的材料进行实验，我们发现耦合器的输出分光可见度对一些 温度敏感材料有着很高的灵敏性。微小的温度变化，就能在分光可见度的数值 上得以体现。同时，经过对不同初始分光比和不同耦合周期的传感头进行了大 量的实验和比较，我们发现在制作工艺上，耦合器的初始分光比以及耦合周期 也对耦合器对温度的灵敏性和线性度有着很大的影响。 综上所述，只要选取合适的温度敏感材料，按照一定的工艺制作光纤耦合 8 上海大学硕士学位论文 器，这样，制作出来的传感头对温度就会具有高灵敏度及优良线性度的特点 5 1 】。 图2 3 所示的就是其中一个传感头在1 0 度到2 0 度时所对应的分光可见度关系 图。 利用双功率计，我们记录了耦合器在1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、 1 6 、1 7 、1 8 、1 9 、2 0 时的两路输出光功率，并利用式( 2 3 ) 分别计 算了1 1 个温度点的分光可见度，并对应的点坐标其连成曲线。 1 7 0 1 6 5 1 6 o 寨 歹1 5 5 u 1 5 o 1 4 5 1 4 0 1 41 61 82 0 t ( c ) 图2 3 温度一分光可见度关系曲线 在1 0 度的变化范围内，分光可见度变化的值超过了2 ，且曲线近似直线。 换句话讲，只要我们的检测系统能精确测量出0 1 的分光可见度的变化，利用 光纤渐逝波温度传感原理，就能检测到o 5 的温度变化。若是检测系统检测到 的分光可见度稳定在o 0 1 ，就可以检测到0 0 5 左右的温度变化，达到了很高 的灵敏度。并且曲线近似直线，说明传感头对温度拥有良好的线性度。因此， 对温度具有良好的灵敏性和线性度是光纤渐逝波温度传感器显著的特点。 有着如此良好灵敏性和线性特点的传感头，必须配合以性能优良的光电检 测系统，才能真正体现光纤渐逝波温度传感的特点。双功率计只能检测耦合器 两个臂的输出光功率，无法直观的表示分光可见度，更无法表示温度信息。所 以设计高性能的光电检测电路，使温度变化的功率信号用电信号的形式加以处 理，并转换成温度信息予以显示，是这个温度传感系统关键的环节。 9 上海大学硕士学位论文 2 2 光电检测系统的基本构成 如图2 4 所示，光电检测系统是对被测光学量或由非光学被测物理量转换 成的光学量，通过光电转换和电路处理的方法进行检测的系统。其基本组成部 分可分为：光源、被检测对象及光信号的形成、光电转换、电信号的放大与处 理和显示等部分。按照不同的需要，实际的光电检测系统可能简单些，也可能 还要增加某些环节。总之，图中只表征基本原理，而实际系统的形式是多样的， 复杂的。 光源 被测对象和 光信号形成 光电转换 显示卜一信号处理卜一前置放大 图2 4 光电检测系统的基本结构 为了对光电检测系统有个大致的认识，下面对框图中主要部分给于说明。 1 光源 光源是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中按需要选择一定 辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源。用于光电传感器中的光 源可采用白炽灯、气体放电灯、半导体发光器、激光器等器件。 2 被检测对象及光信号的形成的被测物理量 这个环节就是传感的过程。光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各 种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检 测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学系统的器件可以是透镜、滤光 片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅等。 3 光电转换 光电转换该环节是实现光电检测的核心部分。它以光为媒介，将光信号转 换为电信号，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测 量和控制等。它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应等。光电检测 不同于其它光学检测的本质就在于此。完成这一转换工作主要是依靠各种类型 1 0 上海大学硕士学位论文 的光电及热电探测器。 4 前置放大与信号处理 这一部分主要是由各种电子线路所组成。光电传感器输出的微弱电信号进 行放大、处理以适应后续显示、控制的要求。为实现各种检测目的，可按需要 采用不同功能的电路来完成，对具体系统进行具体分析。 5 显示控制 显示控制系统也包括在这一环节当中。许多光电检测系统只要求给出待测 量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接由显示系统显示。 光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：一是实现对微弱信 号的检测；二是实现光源的稳定化【5 2 】。 2 3 光电信号的检测方法 2 3 1 直流信号检测系统 在传统的光电信号检测系统中我们常采用直流信号的检测方法，所谓直流 信号的检测，就是让光源发出连续的直流光信号，经过光电转换转换成直流的 电信号后，电路直接对其进行放大、采样、处理和显示。 就我们光纤渐逝波温度传感器的信号检测，可以由如图2 5 所示的电路框 图实现。 n ，、 p r o b e d e t e c t o r l l i g h t l j p r e a m p l i ， s o u r c e 一 f i c a t i o n ( n j m t e m p e r a u r ef 图2 5 渐逝波温度传感信号的直流检测 它由光探测器、前置放大电路和信号采样处理电路组成。光探测代表 温度变化的光功率信号转化为电流信号，通过前置放大器，将微弱的信号 放大并转化成适合信号处理电路处理的电压信号，单片机对此电压进行 a d 采样，并对采样信号进行处理和显示。这种检测方法的特点是结 上海大学硕士学位论文 易于实现。但在前置放大电路中，由于光电转换过程中引入的噪声和集成电路 中放大器零漂、电源等原因引起的噪声会伴随有用信号被同时发大，使得被放 大的有用信号仍然淹没在更大的噪声信号中，因此这样的直流前置放大方式不 适用于噪声较大的微弱光电信号的检测。 2 3 2 锁相信号检测系统 在现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有至关重要的作用。 一般的线性放大器可以将微弱的电子信号放大，但若我们所要的信号中伴随着 噪声信号，则两者都会一起放大，而且此伴随的噪声无法滤除。尤其当噪声强 度远大于所要的信号时，必须借助特殊的放大器同时放大信号并滤除噪声。这 些噪声往往同时存在于测量的结果当中，但噪声的大小与影响信号的程度则视 系统的原理与设计而异。 锁相技术是应用在微弱信号检测中的项检测技术。它能精确测量出深埋在噪声 之中的重复周期信号的幅值及相位。第三章将详细介绍p l l 锁相检测电路的设计及组 成并在第四章分析它应用在光纤渐逝波温度传感器的检测特性。 锁相检测的方法一般与同步解调结合在起，因为在所有锁相检测的系统中，信 号都在进入检测系统前接受了调制。图2 6 就是常用的锁相检测的原理图 图2 6 锁相解调过程 图中的窄带滤波电路是由一中心频率等于调幅信号载波频率，带宽很窄的带通滤波器 构成。通过这个电路可将载波频率以外的噪声信号加以消除。p l l 环节指的是锁相环 路，它能捕捉输入信号中频率最强的分量，并以固定的幅值加以输出。锁相环路的输 出与输入信号的相位差是固定的，可以通过移相电路加以校正。锁相环路是用来产生 用于同步解调的参考信号。通过模拟乘法器并加低通滤波电路，就可以还原出滤除了 1 2 上海大学硕士学位论文 噪声的待测信号。这就是锁相检测的基本原理。本文将锁相技术应用到了光纤渐逝波 温度传感器的检测系统中，设计了一套高灵敏度、高稳定性和良好检测重复性的光电 检测装置。接下来，我f f 将会对整个光电检测系统进行详细的介绍。 上海大学硕士学位论文 第三章光电检测系统的设计 渐逝波温度传感信号锁相检测电路由探测器、前置放大电路、窄带滤波电 路、锁相环电路、同步解调电路、信号采样电路和信号处理电路组成。根据光 纤渐逝波温度原理和光纤耦合器的特性，所涉及的锁相检测系统结构如图3 1 r p - 一 所不。 图3 1 渐逝波温度传感信号的锁相检测电路框图 在这套检测系统中，将前置放大信号分别输入窄带滤波器和锁相环电路， 得到调幅波信号和参考信号，再将它们进行同步解调。锁相解调系统的大部分 噪声都会被窄带滤波器滤除，特别适用于在噪声中提取微弱信号。这样，基于 光纤渐逝波原理的温度传感头才得以充分显现其高灵敏度的性能。本文接着将 介绍光纤渐逝波温度传感器锁相检测系统的各组成电路。 图3 2 是我们设计的p l l 锁相检测电路的实际系统图。本章将对每一部分 的构成加以详细介绍。 1 4 上海大学硕士学位论文 图3 2 光电检测电路 3 1 光电转换和前置放大电路 31 1 光源信号的调制 在渐逝波光纤温度传感器锁相检测系统中，我们用的是交流光源。在通信 系统中，信号从发射端传输到接收端，为实现信号的传输，用到调制和解调。 而在微弱信号检测系统中，信号从发射端传输到接收端，为抑制传输过程中的 噪声同样要用到调制和锁相同步解调。 在微弱光电信号检测系统中，常常需要对光源信号的强度、振幅、频率或 相位按一定要求进行有规律的变化，这个变化过程就称为调制。本文所提到的 光电渐逝波温度传感器的光电检测系统，采用对光信号的强度调制，调制作用 的实质是把光信号的频谱进行搬移。 光调制的实现过程，可分为内调制和外调制两类。内调制是在光辐射的形 成过程中，调变光辐射源某一激发参数或改变其供电状况进行的调制。外调制 则是对已经产生的光源信号，采用电光调制器、光学调制盘等物理方法，对传 输中的某些物理量强行使其按一定规律变化，此即外调制。 要对光源进行幅度调制，我们可以直接使用带内部调制的单模调制光源， 如图3 3 所示，其波长为1 5 5 0 n m ，内调制频率分为2 7 0 h z 、i k h z 和2 k h z 的三 档，输出光功率可调衰减范围从0 d b m 至j j - - 6 d b m 。它的输出光谱和光功率对温 上海大学碰学位论文 度具有很好的稳定性。它将光源对检测信号的影响降到了昂小，这为接下来的 光电检测提供了良好的检测条件。 312 光探测器的结构 图33 频率可调谐的单模调制光镡 根据图2i 所示，将被调制的光信号注入传感头( 2 x 2 熔融拉锥耦合器) 的 一端，传感头受到温度的影响，会改变耦合器包层的折射率，使耦合器输出的 光功率发生了变化。我们用两个相同规格的p i n 管( 光电二极管) ，分别将两路 输出光功率转化为电流信号用于信号的采样和处理。 光电转换的过程比较简单，实现光电转换的器件是光电二极管。它是一种 光能与电能进行转换的器件。p n 结型光电二极管充分利用p n 结的的光敏特性， 将接收到的光转化成电流的变化。图3 , 4 是普i m - - - 极管的平面结构图 5 3 1 。 ，一j t l 二i 蔓i _ = ， _ l 、 目3 4 是普通二极管的平面结构图 p i n 硅光电二极管就是在p 区和n 区之间加上一本征层( i 层) 光电二极 上海大学硕士学位论文 管，如图3 5 所示。本征层的电阻率很高，反偏电场主要集中在这一区域。高 电阻使暗电流明显减少，在这里产生的光生电子一空穴对将立即被电场分离，并 作快速漂移运动。本征层的引入，明显增大了p 区的耗尽层的厚度，这有利于 缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可以明显减少结电容c ，从而使电 路常数减小。同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。性能良好的p i n 光电二 极管，扩散和漂移时间一般在1 0 。os 数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用 中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。 极 x e 图3 5p i n 管的p n 结平面结构及电场示意图 图3 6 是光电二极管的伏安特性。在光照时，与普通二极管一样，具有单 向导电性。外加正电压时，电流和电压成指数关系，见特性曲线的第一象限； 外加反向电压时，反向电流称为暗电流。在有光照时，曲线特性在三、四象限 内。反向电压在一定范围内曲线特性是一组横轴的平行线。光电二极管在反向 电压下受到光照而产生的电流称为光电流，光电流受入射光强的控制，光强越 大，光电流越大，在光电流大于几十微安时，与光强成线性关系。 1 7 上海大学硕士学位论文 图3 6 光电二极管的伏安特性 由此可见，p i n 光电探测器是在反向电压下工作的。在光纤渐逝波温度传 感系统的检测系统中，在一个线性范围内，表示温度变化的光强通过p i n 光电 二极管，转化为电流信号，实现光电信号的转换。 我们采用尾纤型探测器p d 8 0 a 。其特点为：响应度高、暗电流小、线性度 高、稳定性高。表3 1 列出了p d 8 0 的特性指标 表3 1p d 8 0 的特性指标( = 5 v ，t = 2 5 ) 致 茁：j 叁纠、j 。鲤7 i ；最，、 午奠疆：，：袭” 龙：矗幽巧： d8 0 v m 话冀： b1 5蚀 幽，：；，。：l 1 3 1 0 t i n ：r0 8 5土w 1 ”；7 j x -1 1 5 5 0 t i n ：ro 9 0l 拜 j 一：二波 b l立 一5 一? c0 61 2 p f 仁l 、m z ：”广 怒潦：。小谢i k 1 0 6 01 6 5 0i m 】 ；j j ：。i i 、)f 其最大结电容e 2 1 2 p f ，在无耦合电容的情况下，当r ，= 2 0 加时，其高频截 止频率为 氏2 丽1 = 6 6 3 肥 ( 3 1 ) ( r - r 参见图3 9 ) 这表明光电转换电路的高频截止频率很高。 上海大学硕士学位论文 3 1 3 光探测器的噪声分析 光探测器的噪声包括光热噪声和暗电流散弹噪声，这两项属于相互独立的 加性噪声。热噪声电压均方值u r 取决于材料的温度州，并有如下关系 u ；= 4 k t f r ( f ) d f ( 3 - 2 ) 式中，尺为波尔兹曼常数；r 为材料的绝对温度；尺( 厂) 为电阻随频率的变 化关系。 在室温下热噪声的有效带宽为 b = ( k t h ) ( r t 2 6 ) = 1 0 2 8 g h z ( 3 3 ) 这对实际的检测电路是足够宽的。因此热噪声的频谱可看作是平直的，为 白噪声。在纯电阻的简单情况下，尺与频率无关，热噪声的输出取决于检测电 路的实际通频带a f = z 一厶，此时式( 3 - 2 ) 变为 啡=4ktraf(3-4) 相应的热噪声电流均方值为 i ；= 昕r 2 = 4 k t a f r ( 3 5 ) 当温度丁= 3 0 0 k 时，灯= 4 1 4 x 1 0 2 1 j ，电阻的噪声f g 压, u r 和电流有效值 l 变成 = 雁面= 一1 2 9 x 1 俨厨 ( 3 6 ) i r = 1 2 9 x 1 0 。1 0 鲈r 在室温下对于2 0 k 的电阻，则输出的热噪声电压有效值在电路通频带 a f = 6 6 3 m h z ，为 u r - - 1 2 9 x 1 0 1 0 = 4 7 v ( 3 7 ) 而整个白噪声的输出电压为 u r = 1 2 9 1 0 - , o 咫= 5 8 5 m v ( 3 8 ) 由此可见，检测电路通频带对白噪声输出电压有很强的抑制作用，带宽越 1 9 上海大学硕士学位论文 大，噪声也越大。 散粒噪声电流均方值露为 i ：= 2 q i p z f ( 3 9 ) 式中，q 为电子电荷量；l 为光电流平均值。相应的噪声电流有效值厶 和在负载电阻上引起的噪声电压u s 分别为 is = 0 2 q l p 埘 u s = i s r = r 4 2 q i p n 这里p i n 所产生的光电流约为0 2 m a ，因此散粒噪声电压为 u s =