干涉型光纤扰动传感器信号调理电路的设计和仿真

在现代传感系统中，干涉型光纤扰动传感器以其极高的灵敏度得到了广泛关注。其中关键部分是信号调理电路，它用来检测和预处理非常微弱并夹杂着噪声的传感信号。一般来说，光电探测器的输出信号要先经过前置放大、滤波等预处理环节，最大限度地抑制噪声，为信号的进一步处理打下基础。本文主要讨论了微弱传感信号的调理电路设计，包括前置放大电路的设计，带通滤波器的设计和运放的选择，并用MuItisim 10对设计的电路进行了仿真。

1 信号调理电路设计
光电探测器接收到的光信号一般都非常微弱，而且光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，要先对这样的微弱传感信号进行预处理，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、滤波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。
其信号调理模块的结构框图如图1所示，完整的信号调理电路如图2所示。

在图2中，电源电压输入端和地之间接入1μF的电容C9，C10，用来滤除电源带来的干扰。

2 光电探测器及其工作模式选择
2．1 光电探测器的选择
光电探测器是一种通过光电效应探测光信号的器件。选择光电探测器应考虑；光电灵敏度要求足够高；信噪比高；相应峰值波长应与发光器件的发射波长、光纤的低损耗窗口相匹配；响应速度快；输出光电流-照度特性曲线的线性度好。
光电探测器的种类很多。在干涉型光纤传感器中，光电探测器通常采用PIN结型和雪崩型光电二极管。
PIN光电二极管响应频率高，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵敏度高，响应快，但需要上百伏的工作电压，且增益会引起噪声，容易带来电流失真。考虑到该系统所据测的波长范围和器件在0～40℃范围内的稳定性，决定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光电二极管。该光电二极管在温度特性方面也相当出色，比其他光电二极管有着更好的特性曲线。
2．2 光电探测器的工作模式
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，图3所示为光电二极管两种模式的偏置电路。

在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；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。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(暗电流)。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。该设计所针对的待检测传感信号是十分微弱的信号，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以该设计采用光伏模式。