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FBG传感器微弱信号预处理

作者:时间:2013-04-24来源:网络收藏

摘要 针对光纤Bragg光栅(),设计了一种具有电流电压转换,多级放大和滤波功能的低噪声光电电路。仿真实验表明,该电路具有增益大、信嗓比大、灵敏度高等特点,满足传感系统的要求,可实现nW级检测。
关键词 ;F—P可调谐滤波器;信号预

FBG是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一,在煤矿围岩、桥粱建筑、航空航天、石油化学工业等领域有着良好的应用前景。光纤F-P可调谐滤波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter,FFP-TF)解调方法具有灵敏度高、调谐范围大等优点,是对FBG传感光信号进行解调的有效方法之一,可直接输出FBG中心波长所对应的光解调信号。
输出的光信号由于光纤的插入损耗、端面反射等原因,十分,在nW数量级,还存在器件噪声、电路噪声、背景噪声等于扰因素,因此微弱信号的预是FBG传感系统的一个关键问题。针对此问题,文中设计了一种具有增益大、信噪比高、精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的微弱信号预处理电路,实现了信号的放大与滤波。

1 电路基本原理
1.1 光电二极管的工作模式
(Positive-Intrinsic-Nvgative,PIN)光电二极管组成的光电检测电路,实际上是一个光一电流一电压变换器。该检测电路所用的关键器件是FC型光电二极管(PIN A-07-13),它由PIN光电二极管和FC连接器通过透镜耦合而成,正常响应范围为1 000~1 650 nm,光谱响应度≥0.8A/W(1 550 nm),线性范围-40~+30dBm,暗电流≤10nA,插接偏差±0.1 dB。
光电二极管的工作模式有光导模式和光伏模式,如图1和图2所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/159416.htm

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在光导模式下,光电二极管可实现较高的切换速度,但线性度较差。实际上,在反偏置条件下,即使无光照,也会有暗电流,并且由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
在光伏模式下,光电二极管处于零偏置状态,没有暗电流、噪声小,光信号和光电流可成良好的线性关系。
由于FBG解调信号比较微弱,暗电流的影响会明显,因此采用光伏模式,此时主要噪声为分压阻的热噪声。
1.2 前置放大器的噪声分析
当PIN管工作在光伏模式下时,放大器噪声模型如图3所示。

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图3中虚线框中的部分为光电二极管的等效电路,其中Rp为等效电阻;Cp为结电容。把放大器的所有噪声源都折算到输入端,则En为噪声电压源;In为噪声电流源;Rs为信号源电阻;Et为信号源电阻的热噪声电压;Zi为放大器的输入电阻。一个信号源与放大器组成的系统噪声源可归结为3个,即En、In、Et,它们的共同作用效果用Eni来表示。


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