激光外差玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

蘭 羽，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

目前，激光外差技術(shù)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)振等方面有了廣泛的應(yīng)用[1]。在玻璃厚度測(cè)量方面，激光外差測(cè)量技術(shù)以其具有分辨率高、精度高、線(xiàn)性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、在線(xiàn)非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)[2]，逐漸開(kāi)始取代傳統(tǒng)的測(cè)量方法。在激光外差玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)中光外差信號(hào)是弱光電信號(hào)，其含有大量背景光噪聲和其它多次諧波成份，怎么從中提取光外差信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換電路就顯得尤為重要，其往往是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

1 激光外差玻璃測(cè)厚系統(tǒng)原理

測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用了激光多普勒效應(yīng)和激光外差測(cè)量技術(shù)，系統(tǒng)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 激光外差技術(shù)玻璃測(cè)厚系統(tǒng)Fig.1 System of laser heterodyne Doppler thickness measurement

激光器S發(fā)出的激光，經(jīng)平面鏡K、半透鏡L反射到多普勒振鏡，振鏡振動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)使得激光變頻，變頻后的激光由振鏡反射后透過(guò)半透鏡L垂直照射于待測(cè)玻璃表面。由于激光在不同時(shí)刻的頻率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光場(chǎng)，與其前一時(shí)刻在后表面反射后到達(dá)前表面的光場(chǎng)因頻率不同而發(fā)生混頻，產(chǎn)生差頻信號(hào)，由半透鏡L反射后，與從平面鏡K反射后透射過(guò)半透鏡L的本振光一起到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器，光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)包括待測(cè)的差頻信號(hào)及其它欲抑制信號(hào)（激光本振信號(hào)、和頻信號(hào)和噪聲），其中本振信號(hào)與和頻信號(hào)頻率較高，超出光電二極管的頻率響應(yīng)范圍，因此在接收電路中，只需要利用濾波器的帶寬控制在中頻信號(hào)范圍內(nèi)，即可檢測(cè)到差頻信號(hào)[3-4]。該差頻信號(hào)含有玻璃板的厚度信息，差頻信號(hào)的頻率為：，其頻率與待測(cè)玻璃厚度成正比，比例系數(shù)與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)有關(guān)，當(dāng)光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)確定，為常數(shù)。根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)系，只要測(cè)得差頻信號(hào)的頻率，就能計(jì)算得到玻璃厚度，光電模塊檢測(cè)到光外差信號(hào)后，經(jīng)濾波、放大整形后送單片機(jī)處理得到玻璃厚度。

從上面系統(tǒng)可知，激光經(jīng)過(guò)多次反射、透射衰減嚴(yán)重，待檢測(cè)的信號(hào)是弱光信號(hào)。在此針對(duì)光場(chǎng)混頻后的差頻信號(hào)來(lái)研究該信號(hào)的檢測(cè)電路。

2 光電檢測(cè)電路

2.1 PIN工作模式

PIN型光電二極管與普通二極管的區(qū)別是：普通二極管PN結(jié)薄，而PIN型光電二極管的PN結(jié)厚，從而使空間電荷區(qū)距離加寬，結(jié)電容變小。優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，噪聲低，不足的是管子的輸出電流小，一般只有幾微安。其一般有兩種工作模式：光伏模式和光導(dǎo)模式[5]，圖2是光伏模式，在光伏模式下，PN結(jié)處于零偏，光電二極管線(xiàn)性度非常好；圖3是在光導(dǎo)模式，在光導(dǎo)模式下，PN結(jié)處于反偏，光電二極管頻率特性較好，切換速度快，但線(xiàn)性度差。在激光外差玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)中，待檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)反射，透射衰減嚴(yán)重，到光電接收器已十分微弱，噪聲（背景光，光電二極管自身的暗電流等）直接影響到差頻信號(hào)的檢測(cè)質(zhì)量，因此，在光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用抗噪聲能力強(qiáng)及自身暗電流小的光伏模式。

圖2 光伏模式Fig.2 Photodiode voltage mode

圖3 光導(dǎo)模式Fig.3 Photoconductive mode

2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在激光玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)通常淹沒(méi)在噪聲中，在光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮電路的抗干擾能力，其次滿(mǎn)足信號(hào)增益前提下，使帶寬為盡量小[5]。基于光伏模式的光電檢測(cè)電路有以下幾種變形電路。

第一種光電轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，在光伏模式的基礎(chǔ)上，集成運(yùn)放的同相端串聯(lián)電阻R2來(lái)消除集成運(yùn)放同相，反相不平衡造成的偏壓誤差，使R2=R1。這種電路的不足之處是電阻R2會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，可在R1給并聯(lián)電容CS、R2給并聯(lián)電容C2以減小噪聲頻帶，另外偏置電流在R2上產(chǎn)生壓降，滋生PIN管暗電流，此時(shí)選用集成運(yùn)放偏置電流越小越好，一般選pA級(jí)的運(yùn)放。

圖4 光電檢測(cè)電路1Fig.4 Optical detection circuit 1

第二種光電檢測(cè)電路如圖5所示，在光伏模式的基礎(chǔ)上，用由 R1、R2、R3（阻值均較小）3個(gè)電阻構(gòu)成 T型電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替反饋電阻R，電路優(yōu)點(diǎn)電阻的寄生電容的影響小，信號(hào)頻帶寬度較大，原因是用小阻值電阻組成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)代替大阻值的反饋電阻R，T型電阻網(wǎng)絡(luò)RT=R1+R2+R1R2/R3；缺點(diǎn)是電路的噪聲較大，精度較差，原因是集成運(yùn)放的電壓噪聲及電阻、偏移電壓、都被T型電阻網(wǎng)絡(luò)放大了1+R2/R3倍，而 R2/R3＞＞1。

圖5 光電檢測(cè)電路2Fig.5 Optical detection circuit 2

綜合上面兩種檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)電路如圖6所示，電路在集成運(yùn)放的輸出端加一個(gè)RC濾波器，濾掉經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放放大的噪聲，同時(shí)限制了放大器輸出信號(hào)的帶寬，在集成運(yùn)放反相端與輸出端并聯(lián)電容Cf1用來(lái)補(bǔ)償PIN光電二極管結(jié)電容引起的相位滯后，控制噪聲增益峰值，電容Cf1用來(lái)補(bǔ)償RC濾波環(huán)節(jié)引起的相角滯后。

圖6 改進(jìn)型光電檢測(cè)電路Fig.6 Improved optical detection circuit

3 電路主要元件參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 光電二極管的選擇

根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，選擇光電器件噪聲要低，此設(shè)計(jì)選擇PIN型光電二極管，其具有響應(yīng)速度最快，光電響應(yīng)線(xiàn)性好，光譜響應(yīng)波段為400～1 100 nm；暗電流噪聲最低，且其價(jià)格低廉、驅(qū)動(dòng)電壓低、體積小等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，因此適合本設(shè)計(jì)中弱光信號(hào)檢測(cè)。

3.2 運(yùn)放的選擇

在選用運(yùn)放時(shí)，應(yīng)選用低噪聲、輸入失調(diào)電流小的運(yùn)放，選擇在敏感噪聲頻段CMRR較高的運(yùn)放。本設(shè)計(jì)采用了OP07或OP27型號(hào)的運(yùn)放。

3.3 其他元件的選擇

電路中電阻，電容的參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)該考慮信號(hào)的頻率補(bǔ)償、噪聲特性及增益帶寬，所以電阻選擇精度高，噪聲系數(shù)小的金屬電阻，電容選擇損耗角小的云母電容。令RC=RfCf1，C=Cf1=Cf2，則：

一般在 Q=0.5，fo小于 150 kHz時(shí) Cf和Cd值比較接近，電路具有很好的響應(yīng)特性和噪聲特性，由（1），（2）式計(jì)算得：Cf=1 nF，Rf=2 MΩ，R=1 kΩ。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光外差檢測(cè)電路是一種基于單元電路總體集成設(shè)計(jì)的電路，具有成本低、檢測(cè)精度高、線(xiàn)性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)電路分析，并在萬(wàn)能板安裝測(cè)試表明：其完全適用玻璃厚度測(cè)量系統(tǒng)差頻信號(hào)的檢測(cè)，但該檢測(cè)電路輸出的信號(hào)還十分微弱，仍含有其它干擾成份，還需要經(jīng)濾波，放大整形處理后，數(shù)據(jù)處理模塊才能識(shí)別。

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