采用音叉斬波技術(shù)的微弱激光探測(cè)系統(tǒng)

  我們采用光電探測(cè)器作為系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換元件,利用音叉進(jìn)行機(jī)械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號(hào),對(duì)其先進(jìn)行交流耦合放大，克服了用光電探測(cè)器的隨溫度漂移的影響，再進(jìn)行鎖相放大，用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償,克服了一般微光探測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　微光探測(cè)系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)和單片機(jī)補(bǔ)償系統(tǒng)組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微弱激光檢測(cè)系統(tǒng)總體原理框圖

　　溫控電路系統(tǒng)

　　由于溫度變化對(duì)光電探測(cè)器存在著影響，所以我們利用了橋式電路，通過(guò)鉑電阻采集溫度信號(hào)進(jìn)行與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而利用半導(dǎo)體制冷器對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行主動(dòng)控溫，溫度控制在+10_C ，控制精度為0.5 _C。這樣大大減小了光電探測(cè)器隨著溫度變化帶來(lái)的負(fù)面影響。

　　信號(hào)采集和信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

　　首先選取光電探測(cè)器作為光電轉(zhuǎn)換器件,通過(guò)有電感三點(diǎn)式起振帶動(dòng)音叉的諧振，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射微弱激光的斬波調(diào)制,可將入射的恒定(或緩變)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號(hào)。然后通過(guò)交流耦合，濾除了直流和低頻溫漂噪聲，從而克服了因溫度漂移給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。實(shí)際設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的信號(hào)處理部分包括前置放大器和AD630芯片的鎖相放大。 前置放大器將探測(cè)器輸出的微弱交流電信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據(jù)該公司提供的器件手冊(cè)很容易組成一個(gè)鎖相放大器，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)從+100dB噪聲中提取出信號(hào)，本設(shè)計(jì)就是利用該電路進(jìn)行提取微弱信號(hào)，參考信號(hào)從諧振線(xiàn)圈的中心抽頭引出，然后通過(guò)移相后作為鎖相放大器的參考信號(hào)，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)給定頻率的交流信號(hào)進(jìn)行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號(hào)，從而得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào),并將此信號(hào)交由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償。

　　單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在微弱激光檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)激光較強(qiáng)或較弱時(shí),信號(hào)處理電路輸出信號(hào)的非線(xiàn)性度有一定程度的增加,使輸出線(xiàn)性度變差,影響了系統(tǒng)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍及測(cè)量精度。為此,我們采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并做線(xiàn)性補(bǔ)償。單片機(jī)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)補(bǔ)償和顯示系統(tǒng)硬件框圖

　　在EEPROM中存放查表數(shù)據(jù)，然后利用單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器讀取出測(cè)量值，然后進(jìn)行查表，校正，最后通過(guò)8255并行口在LED顯示系統(tǒng)上顯示測(cè)量值。

　　由于微弱激光探測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)非線(xiàn)性特性跟光敏元本身特性有關(guān)，沒(méi)有一個(gè)很好的數(shù)學(xué)模型，因此我們采用查表法對(duì)其測(cè)量值進(jìn)行線(xiàn)性補(bǔ)償。程序采用MCS51匯編語(yǔ)言編寫(xiě),主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、線(xiàn)性補(bǔ)償模塊和顯示模塊。 程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),在入射激光能量較弱時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)偏離線(xiàn)性,因此需要對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償。系統(tǒng)修正結(jié)果對(duì)比使用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線(xiàn)性補(bǔ)償時(shí),必需得到用于修正的表格數(shù)據(jù),將其存放在外部EEPROM中。我們用標(biāo)準(zhǔn)激光源作為信號(hào)光源，對(duì)應(yīng)于不同光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)激光源,記錄其輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)采用了音叉斬波技術(shù)能夠有效地克服了探測(cè)器隨溫度變化而漂移，經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)修正后的輸出信號(hào),其線(xiàn)性也有很大改善,說(shuō)明該系統(tǒng)取得了比較理想的檢測(cè)效果。

　　結(jié)語(yǔ)

　　調(diào)制微弱激光探測(cè)系統(tǒng)利用音叉斬波技術(shù)，克服了一般光探測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量結(jié)果并做線(xiàn)性,提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，采用不同的光敏探測(cè)器可以用于不同波段的微光探測(cè)，并且在探測(cè)器前放置不同的濾波片,該系統(tǒng)可用做不同場(chǎng)合的單波長(zhǎng)能量計(jì),在環(huán)保，工業(yè)，科研等領(lǐng)域有廣泛的用途。