1、目 录第一章 绪论第二章 气体差分检测中光电检测技术应用的理论基础2.1 气体差分检测技术原理2.2 光电检测技术原理2.3气体差分检测中光电检测系统总体设计原理第三章 气体差分检测中光电检测系统的设计3.1 前置放大电路设计3.2 自动控制增益电路设计总结语第一章 绪论 利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。近年来，随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光电检测方法研究的关注也
2、一直在增加。光电检测技术的应用是广泛而有前景的，比如说在煤矿灾害事故防范中，瓦斯爆炸和矿井火灾占很大比例，而且二者常常伴随发生。为了有效地控制井下事故发生，最大限度地减少人员伤亡事故，加强对甲烷和一氧化碳在井下环境空气中浓度的实时监测，积极开发对井下有害气体的实时监测系统，将甲烷和一氧化碳气体传感探头安装在井下生产现场中，及时检测环境空气中有害气体的含量，并将气体传感器与报警装置、保护系统联动，以减少事故的发生。这些措施对于保障井下职工的身体健康和矿井安全生产具有极其重要的意义。在本次设计中根据气体差分测量的具体应用，针对微弱信号检测中的稳定性和噪声问题设计了一种极微弱光电流信号检测电路；本系
3、统采用程控增益可调电路，有效的检测气体吸收信号的同时很好的解决了参考信号易饱和的问题； 自动增益系统采用 ADG10204芯片控制整个光电检测、采集形成一个便携式系统；系统具有很高的精度和稳定性，能有效的满足气体差分检测的要求的检测系统。第2章 气体差分检测中光电检测技术应用2.1 气体差分检测技术原理2.1.1 差分吸收光纤传感机理光波通过介质时,部分被介质吸收和散射,余下的按原来传播的方向继续前进。由Beer 定律可知，光的吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度与透射光强满足：(1)(expLcIo式中, I、I o分别是透射和入射光强；是一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数；
4、是瑞利散射系数；是米氏散射系数；是气体密度波动造成的吸收系数；L 是待测气体与光相互作用的长度；c是待测气体的浓度。当用光纤传感系统检测气体时，(1) 式还应包含比例系数K，则可改写为(2)(expLIO仅从(2) 式来确定待测气体的浓度 c 是困难的。因为 反映平均数, 它随时间变化, 且是随机量。如果用2个波长( 1、 1) 相隔极近(但在吸收系数上有很大差别) 的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，则有：(3)()()()(exp)( 111111 LcLIKIO(4) 222222o由式(3) 和式(4) , 待测气体的浓度可以表示为 )()()()(ln)(ln)(1 21212
5、121212 LLIIKLc(5)由于 1、 2 相差很小, 并且光是几乎同时接近和通过待测气体的, 可以认为 )(),()( 2121这样(5) 式就可以化简为(6)()(ln)( 12121 IKLco适当调节光学系统使(7)()(21ooIIK(6) 式又可简化为(8)(ln)(1221ILc由光学上的相近条件,有: )(21C实际应用中, 波长的光对应检测气体的吸收谱线, 波长的光不被检测气体吸收(即参考波长) ,在测试过程中为空值, 因此有I ( 1) 1 和I ( 1 )I ( 2 ) 1。对ln I( 2 )I( 1 ) 进行泰勒展开:(9)()(ln)(l 212112 III
6、 所以气体浓度为(10)()(2121Ic在波长 1， 2下, 若气体的吸收系数 1、 2可以测量,则气体浓度就可以从I( 1) - I ( 2) 和I( 2) 的测量中求出。这种方式称为差分吸收式。 2.1.2 差分检测系统工作原理当光波通过气体介质时,部分光能量会被气体吸收,剩余部分会继续按照原来的方向传播。所以通过充有待测气体的气室的光信号的强度会减弱,而光强减弱的程度与待测气体的浓度有关,根据比尔朗伯定律: .式)exp()(LCImo中：I0 () 为输入光强度； I () 为输出光强； 为光的波长；C 为待测气体浓度；L 为光通过吸收介质的长度；m 为单位长度的介质吸收系数。对上式
7、进行变换可得: ，由式可知,因为L 为已知的定量，根据值可以)(ln1ICom得到 m ，所以我们通过测定 I0 () 和I () 就可以求出待测的气体浓度C。不同的气体有不同的吸收谱线,只有光源发出的入射光强位于待测气体吸收谱线的位置时才能发生上述的气体吸收作用。所以，首要的问题是找到气体的吸收谱线。2.1.3 CH4 的吸收谱线甲烷气体具有4 个固有的振动: V 1 =2913.0cm- 1 , V 2 = 1533.3 cm - 1 , V 3 = 3018.9cm- 1 , V 4 = 1305.9 cm- 1 ,每一个固有振动对应一个光谱吸收区,甲烷气体的本征吸收谱区在1 =3.43
8、m ,2 = 6.78m ,3 = 3.31m ,4 = 7.66m处。然而,工作在室温下的LED 仅在2m 以下的波长范围内适用,常用的低损耗光纤也被限制在这个波长范围内。在近红外区,甲烷气体有许多泛频带和联合带,在泛频带2V 3和结合带V 2+2V3 处都存在很强的吸波长分别为1.33m 和1.66m。甲烷气体的吸收谱图如下图所示。图 甲烷气体吸收谱图由图可以看出,甲烷气体在1.66m 处的吸收波谱比1.33m 处宽,吸收系数比在1.33m 处大,吸收强度远大于 1.33m 处的吸收强度。所以 ,选择LD 做光源对1.66m 处的吸收谱线进行检测,有利于提高检测的灵敏度。2.1.4 差分吸
9、收检测方法：用波长分别为1 和2 的单色光 ,同时或相差很短时间内通过待测气体，中 ,波长2 的光不被吸收作为参考波长，吸收波长的光做差分和除法处理，而有效消除由光源、光纤和传感头的不稳定和变化所引起的测量误差，高检测的灵敏度。差分检测的气体体积分数可以表示为（2） )(*)()(1212IlC式中 I ( )为气室出射光的光强； ( )为一定波长下的气体的吸收系数；被测气体的体积分数；为待测气体与光相互作用的长度。若在波长1 ，2 下，体的吸收系数 (1 ) ， (2 ) 可以测量，则气体体积分数就可以从 I (2 ) - I (1 )和 I (2 )的测量中求出。气体差分检测的双光路双通道
10、光电检测系统框图如下：2.2 光电检测技术原理2.2.1 光电信息技术以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。2.2.2 光电探测器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件。光电探测器的种类类型 实例PN结 PN光电二极管（Si,Ge, G aAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si, Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结 光电元件(CdS, CdSe, Se, P bS)热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)电子管类 光电管，摄像管，光电倍增管其他类 色敏传感器固体图象传感器（
11、SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池2.2.3 光电检测技术概括利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量2.2.4 光电检测系统主要部分1.光学变换2.光电变换3.电路处理光电检测系统概括：1.光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。2.由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物
12、体的几何量或物理量。光电检测系统2.2.5 光电检测系统作用I-V转换的实现 光电检测电路的核心为跨导互阻放大器，如图（1）所示。图中，PIN 管将光信号转换为电流信号，该电流流经Rf完成了I-V 变换。值得注意的是，由于负反馈作用的存在，运算放大器的反相端电位几乎等于同相端电位，即PIN 管两端的电压差几乎为零。从PIN 的I-V 曲线可知其在0 伏附近具有良好的线性关系，但同时由于在反偏压为零时PIN 管的等效体电容相对较大，所以此时电路的时间常数较大，甚至可能使电路产生振荡，因此必须进行相位补偿，方法是在Rf 两端并联一个容值在几十Pf的电容。图（1）设光电流为IP，假定运放为理想放大器
13、，其输入电阻和放大大倍数都为无穷大，则输出电压为：fpORIV*2.3 气体差分检测中光电检测系统总体设计原理2.3.1 系统设计原理基于差分检测原理及气体差分测量的具体应用，设计用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的高精度低噪声检测，并配以具有极强抗噪性能的24bits模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差分检测中存在的小信号放大，大信号饱和的问题。系统采用AVR 单片机作为控制器，整个光电检测、采集
14、形成一个便携式系统。2.3.2 系统设计原理总体框图第三章 气体差分检测中光电检测系统的设计3.1 前置放大电路设计光信号通过光电探测器转换为电流信号，此时的电流信号时十分微弱的，前置放大电路的设计就是为了实现I-V转换，以方便后续的放大和滤波检测。前置放大电路的设计是光电系统的一个重要问题。前置放大电路要保证信号的可靠放大，因为光电转换后的有用信号淹没在噪声信号中，因此要根据输入信号的噪声特性来设计前置放大电路。系统中要探测很微弱的光电流信号，因此前放的增益必须足够高。PIN光电二极管探测光信号，将其转换为电流，采用高阻负载将有利于获得大的电压信号，故希望采用高阻抗放大器。但高负载电阻和放大
15、器输入电容将增大RC时间常数，影响系统的频率响应。互阻放大器可以克服这一缺点，它实际上是一个利用了运算放微弱光电信号处理技术的研究大器的高增益性质的电流-电压变换器。PIN管探测到的信号，是经过方波调制的LED发出的光在经过气室气体分子吸收后的光信号，因此要检测的有用电流信号是交流信号，要求前放电路具有一定的带宽或频率响应特性。有用信号被深埋在噪声信号中，在前置放大电路中还要最大限度地抑制噪声，以获得最大的信噪比，这就要求放大器工作在最佳源电阻的情况。然而实际电路很难同时满足以上的各个要求，因此采用压缩前置放大电路的频率通带的方法来减少噪声，提高检测信号的动态范围。光电探测器所接收到的信号一般
16、都非常微弱, 而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中, 因此 , 要对这样的微弱信号进行处理 , 一般都要先进行预处理, 以将大部分噪声滤除掉,并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样, 就需要通过前置放大电路实现信号的I-V 转换，滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图3.1.1 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作: 零偏置工作和反偏置工作,下图（3.1）所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中,在光伏模式时,光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时,光电二极管可实现较高的切换速度,但要牺牲一定的线性。事实上,在反偏置条件下,即使无光照,仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流)。而在零偏置时则没有暗电流,这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时,由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此,在设计光电二极管电路的过程中,通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计,而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说,在光电精密测量中,被测信号都比较微弱,因此,暗电流的影响一般都非常明显。图（3.1） 光电二级管的工作模式本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号,所以,尽量避免噪声干
