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FBG传感器微弱信号预处理

2013-04-25李佰鹤魏计林邱选兵关利乐

电子科技 2013年1期
关键词:二极管前置滤波

李佰鹤,魏计林,邱选兵,关利乐

(1.太原科技大学 应用科学学院,山西 太原030024;2.太原理工大学 信息工程学院,山西 太原030024)

FBG传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一,在煤矿围岩、桥梁建筑、航空航天、石油化学工业等领域有着良好的应用前景。光纤F-P可调谐滤波器(Fiber Fabry-Perot Tunable Filter,FFP-TF)解调方法具有灵敏度高、调谐范围大等优点,是对FBG传感光信号进行解调的有效方法之一,可直接输出FBG中心波长所对应的光解调信号[1-2]。

输出的光信号由于光纤的插入损耗、端面反射等原因,十分微弱,在nW数量级,还存在器件噪声、电路噪声、背景噪声等干扰因素,因此微弱信号的预处理是FBG传感系统的一个关键问题。针对此问题,文中设计了一种具有增益大、信噪比高、精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的微弱信号预处理电路,实现了传感器信号的放大与滤波。

1 电路基本原理

1.1 光电二极管的工作模式

(Positive-Intrinsic-Negative,PIN)光电二极管组成的光电检测电路,实际上是一个光—电流—电压变换器。该检测电路所用的关键器件是FC型光电二极管(PIN A-07-13),它由PIN光电二极管和FC连接器通过透镜耦合而成,正常响应范围为1 000~1 650 nm,光谱响应度≥0.8A/W(1 550 nm),线性范围-40~+30 dBm,暗电流≤10 nA,插接偏差±0.1 dB[3]。

光电二极管的工作模式有光导模式和光伏模式,如图1和图2所示。

图1 光导模式

图2 光伏模式

在光导模式下,光电二极管可实现较高的切换速度,但线性度较差。实际上,在反偏置条件下,即使无光照,也会有暗电流,并且由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。

在光伏模式下,光电二极管处于零偏置状态,没有暗电流、噪声小,光信号和光电流可成良好的线性关系。由于FBG解调信号比较微弱,暗电流的影响会明显,因此采用光伏模式,此时主要噪声为分压阻的热噪声。

1.2 前置放大器的噪声分析

当PIN管工作在光伏模式下时,放大器噪声模型如图3所示[4]。

图3 放大器噪声模型

图3中虚线框中的部分为光电二极管的等效电路,其中Rp为等效电阻;Cp为结电容。把放大器的所有噪声源都折算到输入端,则En为噪声电压源;In为噪声电流源;Rs为信号源电阻;Et为信号源电阻的热噪声电压;Zi为放大器的输入电阻。一个信号源与放大器组成的系统噪声源可归结为3个,即En、In、Et,它们的共同作用效果用Eni来表示。

当信号频率较低时,忽略光电二极管结电容的影响,则放大器的输出端信号电压为

式中,R=Rs∥Rp,Au为电压增益。而放大器输入噪声为

当采用高精度、低噪声的放大器时,其等效噪声In一般为pA级。因此可忽略式(2)中的第2、4项,则放大器的输入噪声为

由此可见,适当增大Rs可以减少放大器的输出噪声,提高信噪比。

2 信号预处理电路的设计

本检测电路,主要包括4个部分:光电转换、前置放大电路、滤波电路和主放大电路,其结构框图如图4所示。

图4 光电检测系统原理框图

2.1 前置放大电路

光电探测器前置放大电路的主要任务是放大PIN管所输出的微弱电信号,要求具有高增益、低噪声、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力,以及良好的线性和抗干扰能力。设计选择OPA227作为前置放大器,具有低噪声()、高开环增益(160 dB)、低输入偏置电流(10 nA Max)等特点[6],电路如图5所示。

图5 前置放大电路

2.2 滤波电路

根据Nyquist采样定律的要求,采用截止频率fc为70 kHz的4阶低通Butterworth滤波器。为减少运放对滤波电路的负载效应,且便于调整,选用OPA2227[6]。这是一个具有高精度、低噪声的可操作运算放大器。滤波电路由两个2阶低通滤波电路级联而成的4阶低通Butterworth滤波电路组成,如图6所示。

图6 4阶低通Butterworth滤波电路

图7 幅频响应波特图

2.3 主放大电路

设计的前置放大电路主要起到电流转电压的作用,输出的电压值为mV级,不能满足采样电压要求,因此还需应用主放大电路对其放大。放大器选用OPA376,具有低噪声(7.5 nV/)、低补偿电压(5μV)、低输入偏置电流(10 pA)等特点[7]。主放大电路如8图所示。

图8 主放大电路

3 实验及数据分析

试验中,光源采用深圳朗光科技的C波段(1 525~1 565 nm)宽带光源(ASE-C型),输出光功率为13 dBm,光谱密度≥-4 dBm/nm(1528~1560 nm),约为0.4 mW/nm[8];FBG传感器(CB-FBG-GFRPW01型)采用表面式应变传感器,反射光谱带宽为0.2 nm,反射率≥90%[9],则反射光功率为

而PIN管的光谱响应度0.8 A/W,则光电流为

由此可见待检测的光功率和光电流均较小,分别为nW级和nA级。则该检测电路的理论输出为

通过Tektronix示波器对本光电检测电路进行分析,Ch1通道为FBG光解调信号经预处理电路转换后的电压波形,精细标度为1 V,电压峰值约为3.8 V;Ch2通道为FFP-TF的驱动电压波形,为0~18 V的锯齿波。电压输出波形如图9所示。

图9 电压信号输出波形

光信号在传输过程中,由于光纤的插入损耗、端面反射等原因,会出现实际峰值(3.8 V)比理论峰值(4.13 V)小的现象,但此电压值能够满足FBG传感系统的需要。

4 结束语

文中针对FBG传感器解调信号微弱特点,设计了光电检测电路,实现了微弱解调光信号的提取、转换与放大。该电路的前置放大部分与PIN管直接相连,再经4阶低通Butterworth滤波电路滤波,最后通过主放大电路进行放大。该检测电路可将72 nW的光信号转换成3.8 V的电压信号,具有较高的信噪比,为后续的处理工作提供了稳定可靠的信号。

[1] 江毅,唐才杰.光纤Fabry-Perot干涉仪原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2]刘鹏.基于ARM和FPGA的时间同步仪控制单元设计[J].电子科技,2012,25(5):58-61.

[3] 海特光电有限公司.FC型光电二极管[M].北京:海特光电有限公司,2010.

[4] 韩丽英,崔海霞.光电变换与检测技术[M].北京:国防工业出版社,2010.

[5] 刘卫东,刘延冰,刘建国.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J].电测与仪表,1999,36(4):27-30.

[6]Burr-Brown.OPA227 OPA2227 OPA4227 OPA228 OPA2228 OPA4228[M].USA:Burr-Brown,2008.

[7]Texas Instruments.OPA376 OPA2376 OPA4376[M].USA:Texas Instruments,2010.

[8] 深圳朗光科技有限公司.ASE光源[M].深圳:深圳朗光科技有限公司,2006.

[9] 宁波杉工仪器设备有限公司.FBG-W01型表面应变传感器[M].宁波:宁波杉工仪器设备有限公司,2012.

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