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FBG傳感器微弱信號(hào)預(yù)處理

作者: 時(shí)間:2013-04-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要 針對(duì)光纖Bragg光柵(),設(shè)計(jì)了一種具有電流電壓轉(zhuǎn)換,多級(jí)放大和濾波功能的低噪聲光電預(yù)電路。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該電路具有增益大、信嗓比大、靈敏度高等特點(diǎn),滿足傳感系統(tǒng)的要求,可實(shí)現(xiàn)nW級(jí)檢測(cè)。
關(guān)鍵詞 ;F—P可調(diào)諧濾波器;信號(hào)預(yù)

FBG是目前光纖光柵傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。光纖F-P可調(diào)諧濾波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter,F(xiàn)FP-TF)解調(diào)方法具有靈敏度高、調(diào)諧范圍大等優(yōu)點(diǎn),是對(duì)FBG傳感光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的有效方法之一,可直接輸出FBG中心波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的光解調(diào)信號(hào)。
輸出的光信號(hào)由于光纖的插入損耗、端面反射等原因,十分,在nW數(shù)量級(jí),還存在器件噪聲、電路噪聲、背景噪聲等于擾因素,因此微弱信號(hào)的預(yù)是FBG傳感系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題,文中設(shè)計(jì)了一種具有增益大、信噪比高、精度高、靈敏度好、抗干擾能力強(qiáng)的微弱信號(hào)預(yù)處理電路,實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的放大與濾波。

1 電路基本原理
1.1 光電二極管的工作模式
(Positive-Intrinsic-Nvgative,PIN)光電二極管組成的光電檢測(cè)電路,實(shí)際上是一個(gè)光一電流一電壓變換器。該檢測(cè)電路所用的關(guān)鍵器件是FC型光電二極管(PIN A-07-13),它由PIN光電二極管和FC連接器通過(guò)透鏡耦合而成,正常響應(yīng)范圍為1 000~1 650 nm,光譜響應(yīng)度≥0.8A/W(1 550 nm),線性范圍-40~+30dBm,暗電流≤10nA,插接偏差±0.1 dB。
光電二極管的工作模式有光導(dǎo)模式和光伏模式,如圖1和圖2所示。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/159416.htm

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在光導(dǎo)模式下,光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度,但線性度較差。實(shí)際上,在反偏置條件下,即使無(wú)光照,也會(huì)有暗電流,并且由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。
在光伏模式下,光電二極管處于零偏置狀態(tài),沒(méi)有暗電流、噪聲小,光信號(hào)和光電流可成良好的線性關(guān)系。
由于FBG解調(diào)信號(hào)比較微弱,暗電流的影響會(huì)明顯,因此采用光伏模式,此時(shí)主要噪聲為分壓阻的熱噪聲。
1.2 前置放大器的噪聲分析
當(dāng)PIN管工作在光伏模式下時(shí),放大器噪聲模型如圖3所示。

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圖3中虛線框中的部分為光電二極管的等效電路,其中Rp為等效電阻;Cp為結(jié)電容。把放大器的所有噪聲源都折算到輸入端,則En為噪聲電壓源;In為噪聲電流源;Rs為信號(hào)源電阻;Et為信號(hào)源電阻的熱噪聲電壓;Zi為放大器的輸入電阻。一個(gè)信號(hào)源與放大器組成的系統(tǒng)噪聲源可歸結(jié)為3個(gè),即En、In、Et,它們的共同作用效果用Eni來(lái)表示。


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