試論光電檢測電路在光纖干涉儀中的應(yīng)用

李同進(jìn) 李金果

摘 要 作為具備較高抗電磁干擾能力且靈敏度較高的相位檢測儀器，近年來光纖干涉儀的應(yīng)用日漸廣泛化，相關(guān)研究也因此大量涌現(xiàn)，基于此，本文簡單介紹了光纖干涉儀及其光電探測器，并結(jié)合光電檢測電路設(shè)計(jì)了一種新型光纖干涉儀，通過實(shí)驗(yàn)仿真，可確定該設(shè)計(jì)具備較為廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 光電檢測；光纖干涉儀；光電轉(zhuǎn)換

前言

在壓力、溫度、聲學(xué)、微震動等物理量測量領(lǐng)域，光纖傳感器具備較為顯著的優(yōu)勢，但由于光電檢測電路工作過程不可避免的會產(chǎn)生一定噪聲，電路的輸出、測量的精準(zhǔn)度很容易受到影響，而為了盡可能消除這種影響，正是本文圍繞光電檢測電路在光纖干涉儀中應(yīng)用開展具體研究的原因所在。

1 光纖干涉儀及其光電檢測器

為深入了解光纖干涉儀，本節(jié)簡單介紹了光纖干涉儀工作原理，并同時(shí)介紹了光電檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、光電探測器。

1.1 工作原理分析

在光源進(jìn)入測量區(qū)載后，一部分被保留下的光會成為參考光束，使用光電檢測儀疊加參考光束與返回光束，即可得到輸出的光電流，設(shè)參考光束、返回光束分別為Er、Em，即可得到式（1）所示的光電流表達(dá)式，式中的為電流與能量間的轉(zhuǎn)換因子，結(jié)合推導(dǎo)、重要參數(shù)分析，即可使用光纖干涉儀完成檢測工作。

（1）

考慮到光纖干涉儀的種類較多，本文選擇了Sagnac光纖干涉儀作為研究對象，雙光束干涉屬于Sagnac光纖干涉儀的工作原理，考慮到光電信號轉(zhuǎn)換由光電探測器負(fù)責(zé)，且光電探測器性能直接影響光纖干涉儀的測量精度，因此本文研究主要圍繞光纖干涉儀光電探測器的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開[1]。

1.2 光電檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

對于光纖干涉儀的光電檢測系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)主要由六部分組成，具體組成如下：①半導(dǎo)體發(fā)光器。作為產(chǎn)生光源的主要器件，光電檢測系統(tǒng)離不開的半導(dǎo)體發(fā)光器的支持。②光信號匹配器。為實(shí)現(xiàn)光電探測器與待測信號光的匹配，光信號匹配器必須發(fā)揮自身效用。③光學(xué)系統(tǒng)器件。為賦予光束特征信息并產(chǎn)生光信號，能夠利用各種光學(xué)效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)器件同樣直接影響光電檢測系統(tǒng)性能。④光電轉(zhuǎn)換器。由于具備光信號與電信號轉(zhuǎn)換能力，光電轉(zhuǎn)換器直接關(guān)系著光電檢測系統(tǒng)的檢測精度和動態(tài)響應(yīng)能力。⑤電信號的放大與處理器。為滿足光電檢測系統(tǒng)的各種實(shí)際應(yīng)用要求，必須使用電信號的放大與處理器，以此進(jìn)行微弱電信號處理。⑥微機(jī)及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上的信號顯示需得到微機(jī)及控制系統(tǒng)支持。

1.3 光電探測器

光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)物理量之間的光輻射量與測量轉(zhuǎn)換，光子效應(yīng)屬于這一轉(zhuǎn)換的基本原理，以典型的光子效應(yīng)外光電效應(yīng)為例，其逸出電子動能可使用式（2）進(jìn)行計(jì)算，式中的u、m、u0、λ0分別為逸出的速度、電子質(zhì)量、光子的頻率、波長。

（2）

光電探測器可細(xì)分為兩種類型，分別為光電二極管和光電池，在光照條件下，光電二極管和光電池均能夠產(chǎn)生光電勢，本文研究的光電探測器選擇了光電二極管[2]。

2 光纖干涉儀的光電檢測電路設(shè)計(jì)

為提升研究的借鑒價(jià)值，本節(jié)結(jié)合上文研究開展了光纖干涉儀的光電檢測電路設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)仿真證明了該設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

2.1 具體設(shè)計(jì)

與反饋電阻相并聯(lián)的電容很容易出現(xiàn)電容極小問題，結(jié)合光電二極管特性，可確定光電檢測電路光電二極管的輸出電壓，具體電壓如式（3）所示，式中的E、Rf、S分別為光照度、反饋電阻、光電靈敏度。

（3）

結(jié)合相關(guān)研究與筆者經(jīng)驗(yàn)，本文的光電檢測電路設(shè)計(jì)選擇了同軸探測器，結(jié)合計(jì)算，可確定反饋電阻、高頻截止頻率分別為1KΩ、212MHz。考慮到光電檢測電路工作過程不可避免的會產(chǎn)生噪聲，且電路的輸出會受到噪聲的直接影響，因此本文提出了圖1所示的光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)，由此便完成了整個(gè)光纖干涉儀的光電檢測電路設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)仿真

為明確光纖干涉儀光電檢測電路設(shè)計(jì)實(shí)用性，研究需構(gòu)建光纖干涉儀光電檢測電路實(shí)驗(yàn)平臺，因此筆者選擇了Matlab 2012仿真軟件。通過編程、計(jì)算確定光纖干涉儀光電檢測電路中輸出電壓與光電流之間的變化關(guān)系，可最終得到光纖干涉儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及光纖干涉儀測量值與理論值對比曲線。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在不同光電流條件下，基于光電檢測電路的光纖干涉儀的輸出理論值與實(shí)際測量值基本相符，擬合效果較好。

之所以取得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要是由于本文開展的光纖干涉儀的光電檢測電路設(shè)計(jì)盡可能消除了噪聲帶來的不利影響，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光電探測器電路改進(jìn)，光纖干涉儀的輸出誤差由此實(shí)現(xiàn)了較好抑制，本文研究的實(shí)踐價(jià)值也由此得到了較好證明。總的來說，為進(jìn)一步提升光纖干涉儀的測量精度，光電探測器優(yōu)化、噪聲抑制必須得到更高程度的關(guān)注，基于當(dāng)前各種工作模式的對比也能夠較好服務(wù)于光纖干涉儀的合理設(shè)計(jì)，這些必須成為相關(guān)業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，光電檢測電路可較好應(yīng)用于光纖干涉儀并有效提升其測量精度，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的工作原理分析、光電檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、光電探測器、具體設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)仿真等內(nèi)容，則提供了可行性較高的光纖干涉儀光電檢測電路應(yīng)用路徑，而為了保證光電檢測電路更好地服務(wù)于光纖干涉儀，實(shí)踐驗(yàn)證的開展同樣需要得到重視。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳曉芳，李麗芬，白彥霞，等.基于模式識別的精密光電檢測電路故障識別[J].激光雜志，2018，39（10）：53-56.

[2] 陳越，王彪，鹿洪飛，等.TDLAS型C_2H_2氣體檢測系統(tǒng)的光電檢測電路研制[J].激光雜志，2018，39（04）：15-18.