锁定放大技术在感烟火灾探测器响应阀值测量中的应用

陶冶博，沈旭东，雷英栋

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

0 引言

光电感烟探测器作为应用较为广泛的一种感烟火灾探测器，它的一项重要的性能指标是响应阀值。根据GB4715-2005要求感烟探测器的响应阀值检测时，需要测量光辐射强度[1]。传统方法使用雪崩光电二极管测量光辐射强度时，存在由电压纹波、温度漂移、运算放大器偏置电压与偏置电流导致的测量误差的问题[2]。

为解决上述问题，通常将信号先调制成交流，用带通滤波器抑制宽带噪声，再进行解调和低通滤波，以得到更高信噪比的被测信号。但是用于提高信噪比的带通滤波器要求窄带宽和高Q值，这往往很难实现。在这种情况下，利用锁定放大技术可以很好地解决上述问题[3-6]。

锁定放大技术抑制噪声主要有3个基本出发点：

（1）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率0ω处，再进行放大，以避开1/f噪声的不利影响。

（2）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率0ω和相角θ进行检测，噪声和信号同频又同相的概率很低。

（3）用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频率宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。

把锁定放大技术应用到感烟火灾探测器响应阀值测量中的少有论文讨论过。本文研究锁定放大技术对感烟火灾探测器响应阀值测量效果的改善很有意义。

1 锁定放大技术原理以及感烟火灾探测器响应阀值测量原理

■1.1 锁定放大技术原理

双相锁定放大器基本结构如图 1所示，包括信号通道X(k)、正弦及余弦参考通道、相敏检测器(PSD)、低通滤波器(LPF)和幅值及相位计算模块几部分组成。

图1 双相锁定放大器基本结构

可以看出，信号和噪声都发生了频谱的迁移，定义(3)两式子中第1，3项为和频项，第2，4项为差频项。

对结果（式 (3)）进行理想低通滤波处理后，和频项全部被滤除，假设 ωn=ω0不成立，则输出为：

对式 (4)进行如下运算，即可得到信号的幅值和相位：

■1.2 感烟火灾探测器响应阀值测量原理

根据国标要求，光电探测器的响应阀值，即探测器报警时刻的烟浓度，用减光系数m值表示，利用光束受烟粒子作用后，光辐射能量按照指数规律衰减的原理测量烟浓度。减光系数m可用下式表示[7]：

式中m表示减光系数，单位为db/m，d表示测量光路的长度，单位为m，P0表示无烟时接收的辐射功率，单位为W，P表示有烟时接收的辐射功率，单位为W。

2 方案设计

为了验证锁定放大技术对感烟火灾探测器响应阀值测量结果的影响，我们设计了感烟火灾探测器响应阀值测量装置，装置的系统框图如图2所示，包括：雪崩光电二极管、雪崩光电二极管驱动电路、锁定放大电路、24位ADC、905nm红外发射装置、单片机及显示。

图2 感烟火灾探测器响应阀值测量装置系统框图

905nm红外发射装置用于产生905nm功率为20mW的基准红外光；雪崩光电二极管用于检测红外光的辐射功率，雪崩光电二极管驱动电路包括高压电源和电流-电压转换电路，高压电源用于提供给雪崩光电二极管反偏电压，电流-电压转换电路将雪崩光电二极管的输出电流转换为电压值。锁定放大电路采用ADI公司的AD630芯片实现锁定放大，然后通过4阶巴特沃斯低通滤波器后，进入24位ADC采集。红外发射装通过单片机实现频率控制，该控制信号同时作为锁定放大器的参考信号。感烟火灾探测器响应阀值测量装置实物如图3所示。

图3 感烟火灾探测器响应阀值测量装置实物图

3 实验与对比

为了验证锁定放大技术对感烟火灾探测器响应阀值测量结果的影响，本文设计了对比实验。

■3.1 使用锁定放大技术

将红外发射装置和雪崩光电二极管相对位置固定，使用该装置进行24次等精度测量，并将测得的结果记录，如图4所示。

图4 使用锁定放大技术的等精度测量数据

由于测量误差的存在，被测量的真值难以确定，测量结果带有不确定性。测量的不确定度是评定测量结果质量高低的一个重要指标。本文采用A类标准不确定度来进行测量结果质量高低的评估。A类标准不确定度可采用以下方法计算得到：

在同一条件下，对被测参量x进行n次等精度测量，测量值为 xi(i = 1 ,2,… ,n )。该样本数据的算术平均值为：

进而可以算出算数平均值标准差为：

通过计算可得该组数据的A类标准不确定度为26005uV。

将A类标准不确定度除以测量数据的算术平均值获得相对不确定度为1.05%。

■3.2 不使用锁定放大技术

将感烟火灾探测器响应阀值测量装置中的锁定放大器部分去除，并让红外发射装置一直处于发射状态，测量装置的系统框图如图5所示。

图5 不使用锁定放大技术的测量装置系统框图

使用该装置进行24次等精度测量，并将测得的结果记录，如图6所示。

图6 使用锁定放大技术的等精度测量数据

通过计算可得该组数据的A类标准不确定度为657073uV，相对不确定度为30.55%。

通过上述实验可得：使用锁定放大器后相对不确定度由30.55%改善至1.05%。

4 结论

在感烟火灾探测器响应阀值检测的应用中，针对使用雪崩光电二极管测量光辐射强度时，存在由电压纹波、温度漂移、运算放大器偏置电压与偏置电流导致的测量误差的问题。通过采用微弱信号检测领域中的锁定放大技术的应用，实现对上述误差的抑制。本文制作了实物样机，并设计实验对比使用锁定放大技术和不使用锁定放大技术对测量结果的影响。实验表明所用平台使用锁定放大技术可以将测量的A类标准相对不确定度从30.55%减小至1.05%。

本文通过理论分析和实验验证，证明了使用锁定放大技术可以大幅度提高测量光辐射强度时的测量精度。

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