干涉型光纖擾動傳感器信號調(diào)理電路的設計和仿真

在現(xiàn)代傳感系統(tǒng)中，干涉型光纖擾動傳感器以其極高的靈敏度得到了廣泛關注。其中關鍵部分是信號調(diào)理電路，它用來檢測和預處理非常微弱并夾雜著噪聲的傳感信號。一般來說，光電探測器的輸出信號要先經(jīng)過前置放大、濾波等預處理環(huán)節(jié)，最大限度地抑制噪聲，為信號的進一步處理打下基礎。本文主要討論了微弱傳感信號的調(diào)理電路設計，包括前置放大電路的設計，帶通濾波器的設計和運放的選擇，并用MuItisim 10對設計的電路進行了仿真。

1 信號調(diào)理電路設計
光電探測器接收到的光信號一般都非常微弱，而且光電探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中。因此，要先對這樣的微弱傳感信號進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。
其信號調(diào)理模塊的結構框圖如圖1所示，完整的信號調(diào)理電路如圖2所示。

在圖2中，電源電壓輸入端和地之間接入1μF的電容C9，C10，用來濾除電源帶來的干擾。

2 光電探測器及其工作模式選擇
2．1 光電探測器的選擇
光電探測器是一種通過光電效應探測光信號的器件。選擇光電探測器應考慮；光電靈敏度要求足夠高；信噪比高；相應峰值波長應與發(fā)光器件的發(fā)射波長、光纖的低損耗窗口相匹配；響應速度快；輸出光電流-照度特性曲線的線性度好。
光電探測器的種類很多。在干涉型光纖傳感器中，光電探測器通常采用PIN結型和雪崩型光電二極管。
PIN光電二極管響應頻率高，響應速度快，供電電壓低，工作十分穩(wěn)定。雪崩二極管靈敏度高，響應快，但需要上百伏的工作電壓，且增益會引起噪聲，容易帶來電流失真?？紤]到該系統(tǒng)所據(jù)測的波長范圍和器件在0～40℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，決定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光電二極管。該光電二極管在溫度特性方面也相當出色，比其他光電二極管有著更好的特性曲線。
2．2 光電探測器的工作模式
光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖3所示為光電二極管兩種模式的偏置電路。

在光伏模式時，光電二極管可非常精確地線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流(暗電流)。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。在反偏置時，由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。該設計所針對的待檢測傳感信號是十分微弱的信號，盡量避免噪聲干擾是首要任務，所以該設計采用光伏模式。