鎖定放大技術在感煙火災探測器響應閥值測量中的應用

陶冶博，沈旭東，雷英棟

（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036）

0 引言

光電感煙探測器作為應用較為廣泛的一種感煙火災探測器，它的一項重要的性能指標是響應閥值。根據GB4715-2005要求感煙探測器的響應閥值檢測時，需要測量光輻射強度[1]。傳統方法使用雪崩光電二極管測量光輻射強度時，存在由電壓紋波、溫度漂移、運算放大器偏置電壓與偏置電流導致的測量誤差的問題[2]。

為解決上述問題，通常將信號先調制成交流，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，再進行解調和低通濾波，以得到更高信噪比的被測信號。但是用于提高信噪比的帶通濾波器要求窄帶寬和高Q值，這往往很難實現。在這種情況下，利用鎖定放大技術可以很好地解決上述問題[3-6]。

鎖定放大技術抑制噪聲主要有3個基本出發點：

（1）用調制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調制頻率0ω處，再進行放大，以避開1/f噪聲的不利影響。

（2）利用相敏檢測器實現調制信號的解調過程，可以同時利用頻率0ω和相角θ進行檢測，噪聲和信號同頻又同相的概率很低。

（3）用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻率寬度不受調制頻率的影響，穩定性也遠遠優于帶通濾波器。

把鎖定放大技術應用到感煙火災探測器響應閥值測量中的少有論文討論過。本文研究鎖定放大技術對感煙火災探測器響應閥值測量效果的改善很有意義。

1 鎖定放大技術原理以及感煙火災探測器響應閥值測量原理

■1.1 鎖定放大技術原理

雙相鎖定放大器基本結構如圖 1所示，包括信號通道X(k)、正弦及余弦參考通道、相敏檢測器(PSD)、低通濾波器(LPF)和幅值及相位計算模塊幾部分組成。

圖1 雙相鎖定放大器基本結構

可以看出，信號和噪聲都發生了頻譜的遷移，定義(3)兩式子中第1，3項為和頻項，第2，4項為差頻項。

對結果（式 (3)）進行理想低通濾波處理后，和頻項全部被濾除，假設 ωn=ω0不成立，則輸出為：

對式 (4)進行如下運算，即可得到信號的幅值和相位：

■1.2 感煙火災探測器響應閥值測量原理

根據國標要求，光電探測器的響應閥值，即探測器報警時刻的煙濃度，用減光系數m值表示，利用光束受煙粒子作用后，光輻射能量按照指數規律衰減的原理測量煙濃度。減光系數m可用下式表示[7]：

式中m表示減光系數，單位為db/m，d表示測量光路的長度，單位為m，P0表示無煙時接收的輻射功率，單位為W，P表示有煙時接收的輻射功率，單位為W。

2 方案設計

為了驗證鎖定放大技術對感煙火災探測器響應閥值測量結果的影響，我們設計了感煙火災探測器響應閥值測量裝置，裝置的系統框圖如圖2所示，包括：雪崩光電二極管、雪崩光電二極管驅動電路、鎖定放大電路、24位ADC、905nm紅外發射裝置、單片機及顯示。

圖2 感煙火災探測器響應閥值測量裝置系統框圖

905nm紅外發射裝置用于產生905nm功率為20mW的基準紅外光；雪崩光電二極管用于檢測紅外光的輻射功率，雪崩光電二極管驅動電路包括高壓電源和電流-電壓轉換電路，高壓電源用于提供給雪崩光電二極管反偏電壓，電流-電壓轉換電路將雪崩光電二極管的輸出電流轉換為電壓值。鎖定放大電路采用ADI公司的AD630芯片實現鎖定放大，然后通過4階巴特沃斯低通濾波器后，進入24位ADC采集。紅外發射裝通過單片機實現頻率控制，該控制信號同時作為鎖定放大器的參考信號。感煙火災探測器響應閥值測量裝置實物如圖3所示。

圖3 感煙火災探測器響應閥值測量裝置實物圖

3 實驗與對比

為了驗證鎖定放大技術對感煙火災探測器響應閥值測量結果的影響，本文設計了對比實驗。

■3.1 使用鎖定放大技術

將紅外發射裝置和雪崩光電二極管相對位置固定，使用該裝置進行24次等精度測量，并將測得的結果記錄，如圖4所示。

圖4 使用鎖定放大技術的等精度測量數據

由于測量誤差的存在，被測量的真值難以確定，測量結果帶有不確定性。測量的不確定度是評定測量結果質量高低的一個重要指標。本文采用A類標準不確定度來進行測量結果質量高低的評估。A類標準不確定度可采用以下方法計算得到：

在同一條件下，對被測參量x進行n次等精度測量，測量值為 xi(i = 1 ,2,… ,n )。該樣本數據的算術平均值為：

進而可以算出算數平均值標準差為：

通過計算可得該組數據的A類標準不確定度為26005uV。

將A類標準不確定度除以測量數據的算術平均值獲得相對不確定度為1.05%。

■3.2 不使用鎖定放大技術

將感煙火災探測器響應閥值測量裝置中的鎖定放大器部分去除，并讓紅外發射裝置一直處于發射狀態，測量裝置的系統框圖如圖5所示。

圖5 不使用鎖定放大技術的測量裝置系統框圖

使用該裝置進行24次等精度測量，并將測得的結果記錄，如圖6所示。

圖6 使用鎖定放大技術的等精度測量數據

通過計算可得該組數據的A類標準不確定度為657073uV，相對不確定度為30.55%。

通過上述實驗可得：使用鎖定放大器后相對不確定度由30.55%改善至1.05%。

4 結論

在感煙火災探測器響應閥值檢測的應用中，針對使用雪崩光電二極管測量光輻射強度時，存在由電壓紋波、溫度漂移、運算放大器偏置電壓與偏置電流導致的測量誤差的問題。通過采用微弱信號檢測領域中的鎖定放大技術的應用，實現對上述誤差的抑制。本文制作了實物樣機，并設計實驗對比使用鎖定放大技術和不使用鎖定放大技術對測量結果的影響。實驗表明所用平臺使用鎖定放大技術可以將測量的A類標準相對不確定度從30.55%減小至1.05%。

本文通過理論分析和實驗驗證，證明了使用鎖定放大技術可以大幅度提高測量光輻射強度時的測量精度。

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