液态介质光纤温度传感器的研制.doc

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1、摘要光纤传感技术是上世纪80年代以来的一种崭新的传感技术。光纤传感器具有体积小、灵敏度高、应用范围广、抗电磁干扰、防燃、防爆、安全可靠、能与数据系统耦合、保证数据传送等一系列优点，是信息化时代的重要工具。光纤温度传感器是用光信号传感和传递被测量信号，由于光纤很容易将微弱的光信号传输到数百米甚至数公里以外的地方，避免了使用电信号可能产生的电火花，所以特别适合油罐、油库、油井、输油管道的火灾报警系统，实现在易燃易爆等特殊环境下的参量的测量。利用液态介质折射率随温度变化较快的特点可制作光纤温度传感器。本设计要完成光信号的发射、接收和处理电路。针对这种光纤温度传感器的特点，采用高亮度大功率红外LED管

2、脉冲交流调制和双通道对比的光电检测方式；使用PIN光电管来实现I/V变换；为了提高信号检测能力采用低噪声性能良好的元件和同步相关技术（锁相放大）来减少和抑制噪声；利用单片机系统进行分析处理输出的电压信号及控制。关键词：光纤温度传感器 液态介质 同步相关技术AbstractOptical-fiber sensor technology was a recent sensor technology developed in 1980s. It has many advantages, such as small volume, high sensitive, resisting electroma

3、gnetic interference, resisting explode, safety and credibility, coinciding with database system, ensure data transmission etc. It is an important facility in information age.Optical-fiber sensor is an apparatus that use optical signal to transmit the measured signal. For optical fiber sensor can tra

4、nsmit feeble optical signal hundreds meters even a few kilometers, avoiding electric fire caused by electric signal. It adapts to fire alarm system in oilcan, oil warehouse, oil field, oil well and pipe lying. It can measure the parameter in the explosive and flammable environment.We can make Optica

5、l-fiber temperature sensor by using the characteristic that the refractive index of liquid medium change quickly along with the temperature change. In this project we designed the circuit that launch, receive and process optical signal. In allusion to the characteristic of optical-fiber sensor, adop

6、t high luminosity, high-power infrared LED pulse AC modulate, optical and electric detect manner of double channel contract. I/V changing is achieved by using PIN diode. In order to improve the signal detecting ability, we used the low noise and well capability apparatuses. We also use coherent dete

7、ction technology to reduce and restrain noise. Using single chip microcomputer system to process output signal. Keywords: Optical-fiber temperature sensor, liquid medium, coherent detection 中国计量学院本科毕业论文目录1.引言12.光纤温度传感器简介32.1温度传感器的设计要求32.2光纤温度传感器分类33.液态介质光纤传感器的设计43.1强度型调制模式和信号检测方法43.2信号检测电路设计改进53.3光强

8、度的调制方式63.4传感器电路设计方案73.5LED光源调制及驱动电路设计83.6电路设计中的电噪声分析与抑制103.7光电信号转换电路设计133.8主放大电路设计143.9锁相技术在系统中的应用163.10低通滤波的选择与设计184.关于系统的几点讨论194.1双通道系统分析194.2同步相关放大电路分析204.3信噪比的改善225.系统设计实施方案235.1电源电路设计图235.2系统电路设计图245.3发光管及光电管与光纤的耦合255.4系统板调试步骤255.5测量结果和结论286.结束语29参考文献30致谢31英文文献32文献132译文141文献247译文256中国计量学院毕业设计(论

9、文)任务书62中国计量学院毕业设计(论文)开题报告63中国计量学院毕业设计(论文)验收情况记录表71中国计量学院毕业设计(论文)答辩记录表72中国计量学院毕业设计(论文)评语表73551.引言随着光导纤维及通讯技术发展，光纤传感技术已成为当今世界各发达国家普遍重视并大力发展的高新技术之一。它与通信技术、计算机技术共同构成了现代信息产业的三大支柱。美国在空军2000年报告中列出了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，其中传感器被列为第二项，日本科技厅制定的十大科技发展项目中，传感器被排在首位；我国的“863”计划、科技攻关等计划中也将传感器的研究放在重要的位置。因此有人说：“未来的世界是传

10、感器技术的世界”，“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术就不能发展，唯有模拟人脑的计算机和传感器的协调发展，才能决定科学技术的将来”！1光纤传感器有着非常广泛的应用领域, 多年来一直是研究热点。传统传感器大多采用电参量测量的方式。在对温度敏感、强电磁干扰的环境下非常容易引发安全问题；另外，其系统结构复杂、温度测量范围精度不高、不能实现时时监控控制等缺点；上世纪70年代以来美国、日本、西德等国相继研制了各种光纤温度传感器。尤其从80年代以来这些国家每年都有光纤温度传感器的专利公开，国外光纤温度传感器已走出了实验室，进入商品市场2。光纤温度传感器具有可在高温、化学腐蚀性强、电磁干

11、扰严重、易燃易爆等恶劣的环境下测温的优点。特别是随着红外技术和计算机技术应用于光纤温度传感，这不仅提高了测量的精度，同时还满足了人们对温度实时监控的需要。近年来, 随着半导体激光器的出现, 光电技术的不断发展及光电器件成本的降低, 光纤传感器的研究已成为倍受关注的分支。对于公共安全生产中防火、防爆等问题，快速准确地知道温度参量，从而建立报警系统实现现代管理。在温度测量方面，传统的检测方法不仅装置落后，而且很不安全，国内外也屡屡发生火灾、瓦斯爆炸等等重大安全生产问题。日本等一些国家已经研制成综合高速传感数据处理系统，而国内在这方面还有待于进一步的开发和完善。本课题针对这一现状讨论了采用调制光强度

12、的液态介质光纤温度传感。当温敏材料的温度变化时，光纤输出的光功率强度也发生变化，通过检测接收光强度的变化来实现与温度测量的一种对应关系。我们在进行温度测定时，可用数字电压表直接读取数据从而研究温度设计电路系统数字电压三者的关系。在整个系统（如图1-1）信号检测中采用高亮度红外LED管脉冲交流调制、双通道对比的光电检测方式；光电信号的I/V变换使用性能参数良好的PIN光电管；为了提高信号检测能力在信号处理过程中采用低噪声性能良好的元器件和同步技术（锁相放大）来减少和抑制噪声，利用单片机系统进行数据分析处理及控制；从而实现测量的高精度和智能化。2图1-1 检测装置框图2.光纤温度传感器简介2.1温

13、度传感器的设计要求A. 特性参数与温度的关系适当，随温度呈线性变化；对检测对象影响小，灵敏度高。B. 特性参数对除温度外的其他参量，灵敏度低。C. 特性参数随时间变化要小。D. 重复性好，没有滞后和老化现象。E. 坚固耐用，体积小。F. 机械性能好、耐化学腐蚀、耐热性能好。2.2光纤温度传感器分类一般来讲可分为相干型和强度型两种，相干型光纤传感器检测受温度影响后的光纤中光相位和偏振的变化。用相对复杂的检测手段与信号处理手段，光路复杂，对光器件、光纤要求严格，成本较高，且容易受其它因素的影响。而强度调制型原理和结构相对简单，工艺成熟、性能可靠、成本低。但光路调整或光纤与温敏材料的连接、耦合比较难

14、度。图 2-1另外，电源电压波动、工作环境温度改变等因素可对传感器的工作状态产生影响，所以对实用系统需要考虑信号的补偿以减弱和消除这些影响。采用的方法是引入参考光纤，保证其不受待测热源的影响。由于光源及环境对参考光纤与信号光纤的影响相同，将两信号相比较即可以消除这种影响。3此外，还有一类传输型光纤温度传感器，光纤仅仅起到传输光波的作用；在光纤端面或在发射接受光纤之间设置普通温度传感器或半导体、荧光体和液晶等温度敏感材料的方法实现测温，光纤只起到传输光的作用。3.液态介质光纤传感器的设计光纤液态介质温度传感器（如图3-1）采用的一种光强度调制模式的传感器。它利用一种透明液体作为包层构成的一种无源

15、光学传感器，在结构上采用透射式。光纤中的一段包层被腐蚀掉,裸露出纤芯，然后将这段密封在充满某种液体的玻璃管内，这样管内液体变成了光纤的包层，由于液体的折射率随温度的变化而变，输出光强也随之而变，由光强的变化就可得出检测的温度4。图 3-13.1强度型调制模式和信号检测方法光强度信号调制模式主要有两种：直流调制和交流调制（又称脉冲调制）；直流调制系统干扰和噪声都比较大，不确定因素很多，测量的精度不高。交流调制方式的抗干扰力强、噪声的抑制和测量精度都较直流调制方式在有所改善。信号的检测方法，又有单通道和双通道两种。单光路调制模式受系统的电子元件的影响很大，而双光路则通过两路信号的对比消除了由于系统

16、自身元件不对称引起的测量误差，提高了精确度。3.2信号检测电路设计改进A.采用两路相除，消除元件的不对称性：B. 若加入电子开关，分别接通信号通道和参考通道，使用同一套的信号处理装置，消除了图3-5所示系统中两个信号处理电路参数不对称造成的系统误差。3.3光强度的调制方式多模石英光纤由纤芯、包层和护套三部分组成。对于阶跃型光纤，其纤芯折射率和包层折射率均为常数，且。利用光的全反射现象使光能在光纤中传导。通过麦克斯韦方程可知光在纤芯区和包层区传输的功率与折射率有关，因而折射率的变化必引起其间的传输功率的变化。我们就是将光纤包层剥掉，代之以折射率随温度变化的温敏材料，由纤芯和温敏材料的折射率差来控

17、制光纤的损耗，从而可以改变光纤输出的光功率，这样就把光纤的输出功率与温敏材料的温度联系起来，可由探测功率而达到测温的目的。5温敏材料折射率要与光纤折射率匹配,即应在纤芯折射率与包层折射率 之间变化, 满足。通常变折射率光纤温度传感器选用液体作为温敏介质, 因为可用两种液体共混的办法实现折射率匹配。我们将温敏介质和腐蚀好的光纤封装做成探头，其外型如图3-8所示3.4传感器电路设计方案对于强度型光纤传感器，信号的波动较大，以及I/V转换电路、检测电路引起的散粒噪声、1/f噪声和白噪声对光纤传输信号的干扰，可以采用“双光路”，增加一个参考信号通道，采用低噪声器件和同步技术（锁相放大）来减少和抑制噪声

18、，提高信噪比S/N。6光纤传感器信号检测系统原理图，如图所示。图3-9 系统电路设计框图方波发生器产生一个方波信号,对红外发光二极管进行调制；两路光纤耦合到同一个发光二极管中。一路作为参考信号，另一路通过光纤传感探头，作为被测信号。两路光信号通过各自的转换电路将光信号转换成电信号。单片机发出控制脉冲信号,控制电子开关,交替接通信号通道和参考通道，并将两路信号分别进行放大、滤波和同步相关放大，使其最终变成一个平稳的直流信号输给单片机（或者直接通过数字电压表，即可以进行测量的标定），单片机将所接收的直流信号进行平均处理,然后将两路信号相除，并进行相关数学处理，最后通过LCD显示。图中的是与同步的方

19、波信号，作为同步相关放大器的参考信号。11123.5LED光源调制及驱动电路设计1.信号源方波脉冲调制发生器其主要作用有两个：1 通过调制电路对LED光源进行调制；2 对后面的电路同步相关（锁相放大器）提供参考信号。产生方波信号的方法很多，这里只介绍常用的4种方法：A.NE555振荡器如图3-11所示B.集成运放组成的方波发生器如图3-12所示C.与非门构成的无稳态多谐振荡器如图3-13图3-13D.单片机产生的方波发生器：利用单片机内部提供的 定时器/计数器 来产生一个需要的一定频率的方波。2. LED驱动电路发光二极管的特点是光谱带宽窄，响应时间短（1s），体积小，价格低廉、坚固和使用方便

20、的优点。在电子学上和其他晶体管一样，属于低电压和低阻抗的器件，容易和其他的半导体器件耦合。LED驱动方法简单，当所加正向工作电压在1.2-2V，电流为20-100mA时，即可以发光。其驱动方式有直流、交流和脉冲三种方式。但用交流驱动时电源的峰值电压不能超过器件的反向击穿电压。最好的方法是脉冲驱动，在不使器件发热的条件下，可通过加大器件的峰值电流来提高发光亮度。7尽管它的平均电流与直流驱动相同，但前者的发光亮度要高许多。系统信号光源采用的发光二极管中心波长为860nm，谱宽50nm，最大工作电流为100mA。为加大光信号，延长发光管寿命，使其以脉冲方式工作即74LS04与非门构成的方波发生器直接

21、驱动。1416图3-14 LED光源调制驱动电路3.6电路设计中的电噪声分析与抑制对于强度型光纤传感器,需要解决的问题主要是,信号的波动较大(如:光源强度波动、I/V转换电路及检测系统的漂移),以及I/V转换电路、检测电路引起的散粒噪声、1/f噪声和白噪声对信号的干扰。为了保证传感器的检测准确度,必须消除这些不利因素的影响。对此,我们可以通过两种方法来解决： (1)采用适当的强度参考通道,抵消因光源的波动和电路的漂移所引起的不稳定；(2)同时采用低噪声器件及同步相关技术,即锁定放大器以减少并抑制噪声。1.干扰和噪声干扰是有规律的，它来源是多种多样的，例如工频、电磁辐射等；噪声是随机的，没有规律

22、的，由于微观粒子所引起的物理量自然涨落，人们既不能精确地预见它在下一瞬间的大小，也不能完全排除它的存在。干扰和噪声是在电路设计过程中特别需要考虑和处理的两个问题。评价一个的电路系统板的好坏，很大程度上是看它的干扰和噪声的抑制程度。对于传感器电路来说，通过光学系统，接收到PIN光电管上的光强度信号是极其微弱的，转换成电信号，加以放大和处理，以便对温度特性分析研究。为此，我们必须对噪声的机制有所了解，采取相应的措施，尽可能减少噪声和干扰。2.光电电路中的主要噪声源：热噪声；散粒噪声；1/f噪声；放大器的噪声4种A热噪声任何处于绝对零度以上的导体，其内部电子都在作随机运动，材料中电子的随机运动，形成

23、很多小的起伏电流脉冲。虽然导体中由于这种运动产生平均电流为零，但是瞬时电流起伏还是存在的，这种起伏在导体两端产生了噪声电压。通过热力学和统计力学的原理，我们可以推导关于热噪声的公式：电阻R两端由于热扰动而产生的方均热噪声电压为： (3-1)其中： 为等效噪声功率带宽，单位为赫兹；其中K为玻尔兹曼常数。B散粒噪声在传感器系统中散粒噪声主要是p-n结的散粒噪声。当p-n结处于开路状态时，流过p-n结的总电流为零。这时通过p-n结由p区到n区的扩散电流与由n区到p区的收集电流，数值相等均为JS，方向相反。p-n结处于开路时，其散粒噪声电流方均值为： (3-2)散粒噪声电压的方均值为 (3-3)式中为

24、p-n结的动态电阻：故 (3-4)若在p-n结加反向偏压，使器件处于半导体光电二极管模式工作，流过p-n结的电流减少一半，于是 (3-5）C噪声 在各种各样的物理系统、技术和生物系统中都观察到低频涨落现象。这种低频涨落呈现与频率成反比的功率谱密度，这种特殊的现象被称为噪声。噪声的经验公式为： (3-6)其中是常数，其值约为2，A为元件面积，I为流过元件的电流，K为比例因子限制性噪声。D放大器的噪声放大器的等效噪声电路：对于放大器这样的网络，难以逐一地对每个噪声源进行分析。为此，引入放大器的噪声模型，如图3-15所示。放大器的噪声模型只含有两个噪声参数，这些参数都可以通过实验测得。因此，放大器的

25、噪声模型简化了噪声分析。放大器的噪声，可以用与输入端串联的阻抗为零的电压发生器和与输入端并联的阻抗为无穷大的电流发生器以及它们之间的一个相关函数r来表示。其中各项都可能与频率有关。当噪声电压发生器与噪声电流发生器完全不相关，即r=0时，等效噪声输入为： (3-7)等效噪声带宽：放大器对于不同的功率信号放大的能力是不相同的，等效噪声带宽被定义为功率增益对频率的积分除以通带范围功率增益的极大值，即 (3-8)其中为功率增益，为功率增益的极大值。由于功率增益正比于网络电压增益的平方，所以等效噪声带宽也可以写成 (3-9)其中为电压增益，为通带范围内电压增益的极大值，使达到极大值的频率为这一通带的中心

26、频率。73.7光电信号转换电路设计1.光电器件PIN光电二极管光电转换电路的设计其中最重要的元件，它是实现光路电路的桥梁。PIN光电管工作在近红外波段，响应快，噪声小，可以很好地应用光纤传感器方面。目前，PIN光电管有硅PIN光电管，工作波长在0.41.1m之间，响应时间约为毫微秒。锗PIN光电管，工作波长在11.6m之间，响应时间约为25毫微秒，InGaAs PIN光电管，其工作波长约与锗PIN 相同。性能好的PIN光电二极管，扩散与漂移的时间一般在1010s量级，相当于千兆（GHz）的频率响应。72.关于前置/转换电路和前置放大电路的分析光纤温度传感器设计电路中，采用波长为0.85m的红外

27、高亮度、大功率LED作为光源，由于通过石英光纤输出的光功率信号很小，而I/V变换电路起的主要作用就是将输出的微弱信号转换成较大的电压信号，以便后面电路检测。这里我们介绍了两种I/V转换电路，分别如图3-16，图3-17所示。图3-16 光电三极管I/V变换电路 图3-17 PIN光电管I/V变换电路PIN管比普通的PN结光电二极管的响应速度快，响应度高，光谱范围宽，暗电流低，而与硅APD相比具有工作电压低、低廉、稳定可靠等特点。加-15V反相偏置是为了增厚PIN管的耗尽层,以提高响应度。为反馈电阻，起到电流转换为电压、并放大输出的作用。当光电流为时,则输出电压为： (3-10)光电接收电路的带

28、宽可近似等于： (3-11)其中为与反馈电阻有关，是无法避免的杂散电容。I/V转换电路的噪声大小与器件的选择有密切的关系,使用输入电容值低的噪声放大器，低热器声的管及精密电阻可有效地减少I/V变换电路的总噪声。73.8主放大电路设计主放大电路的功能是将前置放大电路的电压信号进一步的放大，以利于后续电路的检测。常用的放大电路很多，其中广泛应用的就集成运算放大器。集成运算是实现高增益放大功能的一种模拟集成电路，它的增益可达到,输出电阻从几十到，而输出电阻很小，仅为几十。而且在静态工作时，具有零输入、零输出的特点。反向比例运算放大器：如图3-18所示，输入信号Vs通过电阻R1加到运放的反向输入端，电

29、路经由R2又引入一个电压并联负反馈。同相输入端一般经由一只阻值为R1/R2的平衡电阻接地，该电阻的作用是用来消除输入偏流产生的运放输出误差。可以证明，在理想化条件下电路的传输关系为： (3-12)若R1=R2，则Vo=-Vs，电路就成了一个符号变换器。 同相比例运算放大器：如图3-19所示，从负反馈的观点看，它本质上是一个电压串联负反馈放大电路，因此具有高输入电阻、低输出电阻和稳定输出电压的特点，它的基本传输关系为： (3-13)差分运算电路：如图3-20所示，构成一个基本的差分运算电路。为了实现精确的差分比例运算，外接电阻元件要严格匹配，电路的传输关系为： (3-14)这种差分放大器的缺点是

30、对差模信号的输入电阻低，且电路的增益调节困难。在传感器的输出到放大器的输入端之间，有可能引入的干扰主要有：工频干扰、静电干扰、电磁耦合干扰和共模干扰（即两条或两条以上信号线的电压耦合）。为此，我们可以使用三组运放构成一个仪用放大器来满足传感器对放大器的抗干扰要求。如图3-21所示，其电路的传输关系是： (3-15)改变R1电阻的大小可以自由调节放大器的增益。83.9锁相技术在系统中的应用物体总是处于绝对零度以上，由此带来热起伏以及电、光、能量等为量子化，使得在测量的过程中，不可避免地夹有噪声。目前，微弱信号检测有三种方法，即相干测量技术，信号平均技术以及光子计数技术。锁相放大器（Look-in

31、-amplifier）所谓锁相，是利用相关原理，使相位同步自动控制。锁相放大器是从频率域出发，通过压缩等效带宽和锁定被测信号的相位来抑制噪声，从而增强信号提取能力。锁相放大器是一种对两个信号之间相位进行检波的相敏检波器，简称PSD的交流电压表。普通的交流电压表中信号和噪声均被转换成直流电压而被读数。而锁相放大器则由于采用了PSD以及其他措施，只当噪声于输入信号同相同频（或分频）时，才一起被检出。由于噪声的随机性，要与信号既同频又同相的可能性很小，同时，通过PSD后面的低通滤波器（LPF），构成了极窄的等效噪声带宽。又大大降低了噪声水平。对于偶尔漏过的噪声，再对信号与噪声做长时间的积分平均，来降

32、低噪声，而信号不变。利用互相关联或自相关原理，我们可以把深埋在噪声里的信号检测出来。下面给出了模拟式互相关器的原理图，如图3-22 如果在图的互相器前添加前置放大器及带通滤波器，便构成了锁定放大器。如图所示，它有三部分组成：1.信号通道：它将被测信号进行预放大的同时，利用带通滤波器对噪声初步加以抑制。首先按待测信号的频谱，选择带通滤波器的中心频率及带宽，以获得最佳信噪比。其次，视信号的强弱，调节前放增益，使之处于最佳的工作状态。2.参考通道：它提供一个与被测信号同频率,有确定幅度的方波,该方波可任意移相。参考信号可以为许多种方式获得。例如采用闭环锁相放大，也可以对被测的信号在实行机械调制时，在

33、调制盘的一侧装一个小的照明灯泡，而在另一侧正对这个照明小灯泡处放置一个光电接收器，此接受器输出的信号即与被测信号同频，可作为参考信号。3.相关器：它是由相敏检波器及低通滤波器组成，相关器是锁定放大器的核心。使用时，可以选择低通滤波器的最佳积分时间。我们在系统设计中，采用CD4066模拟开关芯片和OP07-DP构成一个同步相关放大器。后面有详细介绍，这里从简。3.10低通滤波的选择与设计传感器的输出信号一般是缓慢变化的，故对各种外界干扰所引起的噪声及其它信号的滤除比较容易。而对低频和超低频信号的滤除，集成有源滤波器最合适。如压电式传感器，通常产生相当于高频的信息，对采用的滤波器要求具有较高的噪声

34、截止频率。另外，传感器信号的滤波电路一般应加在信号放大器后。201.无源低通滤波器最简单的一种低通滤波器，由电阻、电容组成。其典型的电路结构图如下：图3-24 R-C低通滤波器2.有源低通滤波器这种有源滤波器也被称为最大平坦滤波器，在通带内具有最大平坦幅频响应。图中给出了一个典型的电路结构图。根据给定的元件的比例关系可以在通带内获得最大平坦的幅频响应，电路的上限角频率，通带内的增益为1，而止带内按-40/dB十倍频程速率衰减。其传输函数为： (3-16)4.关于系统的几点讨论4.1双通道系统分析发光二极管的发光强度随着温度的变化,时间的推移,驱动电源的不稳定而发生变化。发光强度的不稳定性导致最

35、后输出的不稳定。对此,有人采用稳定发光二极管温度和驱动电源的方法来解决,但这需要结构复杂,价格昂贵的温度稳定装置和功率稳定装置。为了避免结构复杂化。采用信号和参考通道输出值相除的方法可较满意地解决这一问题。下面对这一方法加以分析。设发光二极管的发光强度为,输入信号通道和参考通道的光强分别为和,则： (4-1) (4-2)和分别为信号通道、参考通道光纤与发光二极管的耦合系数。假设为光纤传感头的衰减系数,其中是光纤传感头的变形量,分别为信号和参考通道光电二极管的响应度, 和分别为信号通道和参考通道转换电路的转换系数。为电子开关以后的检测电路的总的放大倍数,为信号和参考通道的最后输出电压。则： (4

36、-3) (4-4)将(4-1)、(4-2)式代入(4-3)、(4-4)式得： (4-5) (4-6)将(4-5)除以(4-6)式得： (4-7)设为常数,则(4-7)式可变为： (4-8)由(4-8)式可知，通过两通道相除,其结果与光源强度及检测电路无关，这样就消除了因电源波动和电路漂移对输出结果的影响。对于光电二极管的响应度和/转换电路转换系数的影响,可以通过采用特性一致、高稳定、低噪声的光电二极管和/转换电路来解决。64.2同步相关放大电路分析 为了获得更好的检测准确度，必须对I/V转换电路输出的电压信号进行进一步处理，以降低噪声。而采用同步相关技术能很好地解决这一问题。图4-1为实际的同

37、步相关放大电路，其中Vi为经放大的被测调制方波信号，VR为与图信号同频的参考方波信号。场效应管组成一个模拟门开关电路。及运算放大器组成积分电路,其输出电压V0表达式为： (4-9)其中为输入信号的幅值,为输入信号与参考信号的相位差。图4-1 同步相关放大电路结构同步相关放大电路的关键是模拟门开关电路及积分电路,由于场效应管的导通电阻小，夹断电阻大，接近理想开关情况。因此，由场效应管构成的模拟门电路对低电平信号可认为是非常理想的。采用运算放大器组成的近似积分器，它可以得到必要的直流增益和各种时间常数。如果模拟开关比较理想，则直流零点漂移主要就是由积分器产生，引起漂移的主要原因是输入失调电压和失调

38、电流。图4-2对此,可采用低漂移运算放大器。左图为同步相关放大器相对于基波响应的规一化传输函数的幅频特性图。由图可知,同步相关放大器传输函数是以参考信号频率为参考的梳状滤波器。滤波器的通带中心在各奇次谐波处。由于同步相关放大器的传输函数与对称方波的频谱一样。所以以对称方波为参考信号的同步相关放大器,也可以看作是同频对称方波的匹配滤波器,它只让对称方波中所具有的各奇次谐波通过,而抑制其它频率的噪声和干拢。64.3信噪比的改善同步相关放大器的信噪比改善为： (4-10)其中，为与同步相关放大器的输入等效噪声带宽。从式(4-10)可知,当输入等效噪声带宽一定时，同步相关放大噪的信噪比改善值S/N由时

39、间常数RC决定。通常使用窄带滤波器也可滤除噪声,但是由于一般滤波器的中心频率不稳定，且它的带宽与中心频率，以及滤波器的值有关等原因，使它不能将带宽做得很窄。而同步相关放大器可以克服窄带滤波器的缺点，可以通过加大时间常数提高SNIN。当然,这是要以延长测量时间为代价的。6为了不使整个系统测量时间过长。取时间常数,设输入等效噪声带宽为：可得同步相关放大器电路的信噪比改善为： (4-11)从以上论述可知，采用信号，参考两通道相除方法可以获得较高的零点稳定性。而通过使用同步相关技术可获得很高的信噪比。实验结果证明，当时间常数取为0.05s时，采用此检测系统可获得优于千分之一的零点稳定性和优于的输出信噪

40、比。5.系统设计实施方案5.1电源电路设计图根据所选择的元器件(LF357,LF353,CD4066,74LS04)的电源要求，需要一个的电源。下面给出在设计的电路图：制作完成后测量得到的电路指标为：。在允许的误差范围之内。在系统板和电源制作完成以后，在两部分结合在一起的时候出现了新的问题：电源电路中的7805芯片发热，加上了散热片以后亦不是长久之计，稳压管7805芯片需要消耗很大的功率，变成了“功率元件”，这是所不容许的。采取的解决方案是加入一个大功率的旁路电阻（型号如图中所示），使多余的电功率消耗在大功率电阻上，从而达到设计要求。5.2系统电路设计图5.3发光管及光电管与光纤的耦合在系统板

41、做好以后，接下来的任务就在于与光纤探头配合起来，这里要做的事情就在于如何很好的将光电管与光纤耦合好，达到好的接收、发射效果。我们采取的方案是：定做一个刚好能套住发光管或光电管的长套筒和一个支架夹牢套管。光纤要能够放进套筒，经反复比较，发现针头还是比较理想的。光纤耦合需要用到耦合调节架，当调节到输出功率最大时，用胶粘住固定。整个光路有一个发光管和两个光电管，耦合多组，每组三个；参考耦合剖面方式如图5-3所示。由于耦合实验难度高，准确度很难保证，所以力求一次达到最佳效果。为了测定不同探头的性能，经常需要换探头。探头与发光管、光电管之间光纤的连接使用了比较先进的光纤熔接仪，以达到一个好的光传输效果。

42、5.4系统板调试步骤1. 连好电源，测试各个芯片的电源引脚，确认各个芯片工作在要求的工作电压范围内；以保证各个芯片都能正常工作。2 .用示波器查看方波发生器，是否产生一个方波信号。并调节占空比和频率。调试频率选择了2KHz。图5-4 方波发生器3 .用示波器查看LED驱动电路中三极管9013的发射极，是否是与方波发生器为同频率的方波信号。图5-5 LED 光源的调制4 .调节LED光源的亮度。即调节三极管9013接入发射极的电位器。5 .由于设计构想中，所使用的PIN光电管的造价比较高，不宜在调试阶段就使用，故此，根据设想，制作了一个代替的I/V变换和前置放大电路：图5-6 实验测试I/V变换

43、及前置放大器所使用的是一对红外的发光管和光电管，其价格比较便宜，而且容易获得。6.LED光源通过光纤照在接收管上，用示波器查看前置放大器输出是否为与LED光源同频率的电压信号。图5-7 I/V变换信号输入及电路参数7.取下电子开关的两块芯片，用一根导线来代替其功能，以便调试。在电路全部调试好了之后，在接上并配合单片机使其功能智能化。8.调节增益可调仪用放大器的电位器，查看从前置放大电路出来的电压信号的放大效果。9.锁相放大器的调零：取下CD4066，调节OP07-DP的零漂电位器，使其在输入为零的状态下输出亦为零。10.接好CD4066 查看其参考信号与待测信号，并用示波器查看其输出。为一个与

44、方波发生器同频率的方波信号，表明锁相功能完好。11.在前边电路检查好的情况下，接好全部电路，用示波器查看OP07-DP的输出信号，按照设计预想，应该为一条平直的直流电压信号，这样一个直流电压就对应于一定的光强，而温度通过光纤探头进而影响传输的光强，这样就建立了一种温度和直流电压的对应关系。得到的直流电压可以进行后面的温度转换与显示。从而达到设计的目的。12.光纤耦合：整个设计中的重要一环。石英光纤和PIN光电管和LED发光管的耦合是一项难度很高的工作，耦合的好坏直接影响系统的测量信号检测性能。在耦合的过程中，用光功率计监视，当达到光功率最大值时，把光纤和光电管胶牢。由于PIN光电管的感光面积较

45、小，需要特别的小心，以达到最佳的耦合目的。我们使用了一个特别为PIN管定做的一个光纤耦合铜套。由于光纤直径很细，在做探头的时候需要特别注意，在光纤外面加上保护套管。13 .整机调试：在设计系统电路板的时候考虑到光电管的耦合，在电路板上加上一个插座，光电管可以很方便的装卸。把耦合好的光电管和发光管插在系统板上，在调试的阶段可以用数字电压表来检测锁相放大器的输出端，显示一个直流电压。14. 在测试的过程中，发现锁相放大器输出的直流电压有直流干扰。故在后面再加上一级的低通滤波，按设计构想是打算使用二阶巴特沃兹有源滤波器，出于简化电路的考虑，这里只是采用无源的低通滤波器，效果接近设计预想。15.温度的定标。用电吹风机加热光纤探头，数字电压表对应得到一个电压值。如此反复，得到测量的数据。16.购买了一个仪器盒，将系统板、光纤探头和改进结构的电源小心合理地封装好。17.由于时间的仓促，按照原来的构想，单片机显示电路和机箱的前面板布局设计没能及时的完成。5