光電檢測系統(tǒng)的原理和設計方案方法

光電檢測系統(tǒng)的原理和設計方法學院:電子與自動化系班級：機械與自動化2班學號：08050201姓名：李若冰同組成員：指導老師：宮香山時期:2011年6月22日光電檢測技術是光學與電子學相結合而產(chǎn)生的一門新興的檢測技術。它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示.光電檢測技術從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學信息，然后用光電探測器件將光學信息量變換成電量,并進一步經(jīng)過HYPERLINK”/product/searchfile/1053。html"電路放大、處理，以達到電信號輸出的目的.然后采用電子學、信息論、計算機及物理學等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進行相應的電路改進，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點與相關性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號，同時提高HYPERLINK”/product/searchfile/4152.html"檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比。光電/product/file284。html”二極管二極管又叫半導體二極管、晶體二極管,是最常用的基本電子元件之一。二極管只往一個方向傳送電流，由p型半導體和n型半導體形成的p—n結構成，在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場.當不存在外加電壓時，由于p—n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。的工作模式與等效模型HYPERLINK”http：///product/searchfile/3549.html"光電二極管光電二極管(Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。光電二級管是怎樣把光信號轉換成電信號的呢？普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時,反向電流極其微弱，叫暗電流;有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流.光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。電阻電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。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。因此，在設計光電二極管電路的過程中,通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優(yōu)化設計，而不是對兩種模式都進行最優(yōu)化設計。

一般來說，在光電精密測量中,被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務，所以，設計時采用光伏模式。光電二極管的等效電路模型工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示,它包含一個被輻射光激發(fā)的電流源電流源是電路的基本元件，它是一種二端元件。電流源的內阻相對負載阻抗很大，負載阻抗波動不會改變電流大小。在電流源回路中串聯(lián)電阻無意義,因為它不會改變負載的電流,也不會改變負載上的電壓。在原理圖上這類電阻應簡化掉.負載阻抗只有并聯(lián)在電流源上才有意義，與內阻是分流關系.由于內阻等多方面的原因，理想電流源在真實世界是不存在的,但這樣一個模型對于電路分析是十分有價值的.實際上，如果一個電流源在電壓變化時，電流的波動不明顯，我們通常就假定它是一個理想電流源。、一個理想的二極管、結電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。

由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降,故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的.耗盡層越窄,結電容的值越大.相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會表現(xiàn)出較寬的頻譜響應.硅二極管結電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD（也稱作”分流”電阻或”暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關.與光伏電壓方式相反,光導方式中的光電二極管則有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器件時，耗盡層的寬度會增加,從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而,線性度和失調誤差尚未最優(yōu)化。這個問題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。電路設計主http：///product/file471。html"傳感器凡是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是:“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的系統(tǒng)”.傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。來進行非電量的轉換，從而使檢測對象轉變?yōu)殡娏浚娏骰螂妷?。由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號,一般不能直接用于采樣處理。本設計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用，但后續(xù)電路一般為A／D轉換電路，所需電壓幅值一般為2V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。

該主放大器的放大倍數(shù)為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設計時需要設定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓.即有

濾波器凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛;在所有的電子部件中，使用最多，技術最復雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。設計為使電路設計簡潔并具有良好的信噪比，設計時還需要用http：///product/searchfile/725.html"前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內的信號，而抑制該頻段以外的信號。該濾波器的幅頻特性如圖5所示.圖5中,f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為:B=f2-f1=f0/Q式中，Q為品質因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因為中心頻率一定時，Q值越大,所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。有源濾波器是一種含有半導體HYPERLINK”http：///product/file636。html"三極管三極管是一種半導體電子器件，有3個引腳，晶體三極管分別為集電極（c），基極(b），發(fā)射極（e），電子三極管分別為屏極、柵極、陰極。能夠把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也稱雙極型晶體管，晶體三極管。、集成光電轉換器光電轉換器專為工業(yè)應用而設計，支持百兆電口和光口、千兆電口與光口之間的轉換。百兆光口支持SC/ST接頭，千兆光