干涉型光纤扰动传感器信号调理威廉希尔官方网站怎么设计？

在现代传感系统中，干涉型光纤扰动传感器以其极高的灵敏度得到了广泛关注。其中关键部分是信号调理威廉希尔官方网站，它用来检测和预处理非常微弱并夹杂着噪声的传感信号。一般来说，光电探测器的输出信号要先经过前置放大、滤波等预处理环节，最大限度地抑制噪声，为信号的进一步处理打下基础。本文主要讨论了微弱传感信号的调理威廉希尔官方网站设计，包括前置放大威廉希尔官方网站的设计，带通滤波器的设计和运放的选择，并用MuItisim 10对设计的威廉希尔官方网站进行了仿真。

李麒铭

2020-3-10 11:27:41

1 信号调理威廉希尔官方网站设计

光电探测器接收到的光信号一般都非常微弱，而且光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，要先对这样的微弱传感信号进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大威廉希尔官方网站、滤波威廉希尔官方网站来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。

其信号调理模块的结构框图如图1所示，完整的信号调理威廉希尔官方网站如图2所示。

在图2中，电源电压输入端和地之间接入1μF的电容C9，C10，用来滤除电源带来的干扰。

2 光电探测器及其工作模式选择

2．1 光电探测器的选择

光电探测器是一种通过光电效应探测光信号的器件。选择光电探测器应考虑；光电灵敏度要求足够高；信噪比高；相应峰值波长应与发光器件的发射波长、光纤的低损耗窗口相匹配；响应速度快；输出光电流-照度特性曲线的线性度好。

光电探测器的种类很多。在干涉型光纤传感器中，光电探测器通常采用PIN结型和雪崩型光电二极管。

PIN光电二极管响应频率高，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵敏度高，响应快，但需要上百伏的工作电压，且增益会引起噪声，容易带来电流失真。考虑到该系统所据测的波长范围和器件在0～40℃范围内的稳定性，决定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光电二极管。该光电二极管在温度特性方面也相当出色，比其他光电二极管有着更好的特性曲线。

2．2 光电探测器的工作模式

光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图3所示为光电二极管两种模式的偏置威廉希尔官方网站。

在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(暗电流)。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。该设计所针对的待检测传感信号是十分微弱的信号，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以该设计采用光伏模式。

周勇

2020-3-10 11:27:44

3 前置放大威廉希尔官方网站

3．1 威廉希尔官方网站设计

前置放大威廉希尔官方网站原理如图4所示。通过PIN光电二极管输入的信号经过I／V变换将光电流转换为电压信号，而后再将电压信号经中间放大威廉希尔官方网站进行电压信号放大。威廉希尔官方网站分析：运放U1A及其外围元件组成了I／V变换威廉希尔官方网站。其中R1是为了消除探测器输出电流中的毛刺，R2为防止威廉希尔官方网站自激并提供直流通道，C1为隔直电容，C3和R4用于直流平衡及交流补偿。R3为反馈电阻，C2用于减小噪声带宽以保证R3对威廉希尔官方网站噪声的影响最小。由于加入电容C2后，威廉希尔官方网站的幅频特性会发生改变，相当于一个滤波器，所以在选取C2时要同时考虑PIN管探测信号的频谱以免将有用信号过度衰减或者滤掉。运放U1D及其外围元件R5，R6，R7组成的反相放大器作为中间放大威廉希尔官方网站对电压信号进一步放大。

威廉希尔官方网站中集成运放选择也十分重要。对其输入电阻、开环增益、转换速率和增益带宽、噪声电压都有较高要求。美国BB公司出品的高速FET输入宽带集成运算放大器OPA132具有极高的输入阻抗；较大的开环增益和增益带宽，极快的电压转换速率和极小的等效噪声带宽，是非常理想的前置放大用集成威廉希尔官方网站。本文在威廉希尔官方网站中选择OPA132的四运放形式OPA4132，它大大减小了威廉希尔官方网站体积与配置的复杂程度，降低了噪声引入。

3．2 威廉希尔官方网站仿真

搭建仿真威廉希尔官方网站，并用仿真软件Multisim 10中两通道示波器、波特图示仪对设计的前置放大器分别仿真，得到如图5所示仿真结果。从图5可以看出，经过前置放大威廉希尔官方网站后输出信号相比输入信号放大了约2×103倍，且基本无失真。

图6为该威廉希尔官方网站的幅频特性曲线。可以看出该前置放大威廉希尔官方网站对高频有一定的抑制作用，其主要是放大了低频微弱信号。在图中曲线的中间水平线中可以清楚得到威廉希尔官方网站的增益为65．284 dB，用鼠标拖动读数轴可得上限频率fH=9.501kHz，下限频率fL=194.486Hz，频宽B=fH-fL=9.306 kHz。

4 带通滤波威廉希尔官方网站

4．1 滤波器设计

为使检测威廉希尔官方网站具有良好的信噪比，还需要用带通滤波器对信号进一步处理。该设计在前置放大威廉希尔官方网站之后加入带通滤波威廉希尔官方网站，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。由于振动引起的信号频率较低，经过实验确定其信号的有效频率在2～5 kHz之间。该设计对滤波器要求为：中心频率2 kHz，带宽为500 Hz～8 kHz，带增益G=2。

当上截止频率对下截止频率的比超过2(一个倍频程)时，则可认为该带通滤波器是宽带型的。宽带型带通滤波器可以通过级联对应的低通和高通滤波器来实现。本文通过将一个2阶低通滤波器和2阶高通滤波器级联来实现该带通滤波器。500 Hz，8 kHz分别为高通、低通滤波器的截止频率，通带增益G=2。考虑到对传感信号检测的准确性，要尽量避免滤波器的通带内有波纹。因此，本文选取巴特沃斯型带通滤波器。

图7所示的2阶带通滤波器是一种无限增益多路反馈巴特沃斯型带通滤波器。其中，同相输入端接电阻R5，R7的作用是为了把直流失调减到最小。

4．2 滤波器仿真

用Multisim 10中波特图示仪分别对2阶低通滤波器、2阶高通滤波器及级联后的2阶带通滤波器分别仿真，得到仿真结果如图8，图9所示。

图8中，低通滤波器的截止频率为8．577 kHz。高通滤波器的截止频率为530．208 Hz，图9中，带通滤波器的上、下截止频率为8．577 kHz，530．28 Hz。

5 结语

本文针对干涉型光纤传感器输入信号的特点设计了信号调理威廉希尔官方网站，并运用软件Multisim 10进行了仿真。经仿真，各参数基本上都达到了设计要求。该信号调理威廉希尔官方网站结构简单，性能较好，对干涉型光纤扰动传感器实际应用具有一定的使用价值。

王志宏

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李麒铭

周勇

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