基于單片機(jī)的采用音叉斬波技術(shù)的微弱激光探測系統(tǒng)

我們采用光電探測器作為系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換元件,利用音叉進(jìn)行機(jī)械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號直接轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號,對其先進(jìn)行交流耦合放大，克服了用光電探測器的隨溫度漂移的影響，再進(jìn)行鎖相放大，用單片機(jī)對系統(tǒng)的模擬輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行非線性補(bǔ)償,克服了一般微光探測系統(tǒng)的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微光探測系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測器、信號處理系統(tǒng)和單片機(jī)補(bǔ)償系統(tǒng)組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微弱激光檢測系統(tǒng)總體原理框圖

溫控電路系統(tǒng)

由于溫度變化對光電探測器存在著影響，所以我們利用了橋式電路，通過鉑電阻采集溫度信號進(jìn)行與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而利用半導(dǎo)體制冷器對光電探測器進(jìn)行主動控溫，溫度控制在+10_C ，控制精度為0.5 _C。這樣大大減小了光電探測器隨著溫度變化帶來的負(fù)面影響。

信號采集和信號調(diào)理系統(tǒng)

首先選取光電探測器作為光電轉(zhuǎn)換器件,通過有電感三點(diǎn)式起振帶動音叉的諧振，從而實(shí)現(xiàn)了對入射微弱激光的斬波調(diào)制,可將入射的恒定(或緩變)光信號轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號。然后通過交流耦合，濾除了直流和低頻溫漂噪聲，從而克服了因溫度漂移給系統(tǒng)帶來的影響。實(shí)際設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的信號處理部分包括前置放大器和AD630芯片的鎖相放大。 前置放大器將探測器輸出的微弱交流電信號進(jìn)行預(yù)放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據(jù)該公司提供的器件手冊很容易組成一個(gè)鎖相放大器，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)從+100dB噪聲中提取出信號，本設(shè)計(jì)就是利用該電路進(jìn)行提取微弱信號，參考信號從諧振線圈的中心抽頭引出，然后通過移相后作為鎖相放大器的參考信號，這樣實(shí)現(xiàn)了對給定頻率的交流信號進(jìn)行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號，從而得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號,并將此信號交由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在微弱激光檢測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)激光較強(qiáng)或較弱時(shí),信號處理電路輸出信號的非線性度有一定程度的增加,使輸出線性度變差,影響了系統(tǒng)測量的動態(tài)范圍及測量精度。為此,我們采用單片機(jī)系統(tǒng)對其輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并做線性補(bǔ)償。單片機(jī)系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)補(bǔ)償和顯示系統(tǒng)硬件框圖