基于單片機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,利用音叉進行機械斬波，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，再進行鎖相放大，用單片機對系統(tǒng)的模擬輸出信號進行數(shù)據(jù)采集,并進行非線性補償,克服了一般微光探測系統(tǒng)的缺點。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。

系統(tǒng)設(shè)計

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)和單片機補償系統(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行與設(shè)定值進行比較，從而利用半導(dǎo)體制冷器對光電探測器進行主動控溫，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,通過有電感三點式起振帶動音叉的諧振，從而實現(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。實際設(shè)計中系統(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)計就是利用該電路進行提取微弱信號，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，這樣實現(xiàn)了對給定頻率的交流信號進行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號，從而得到與光強成正比的電壓信號,并將此信號交由單片機系統(tǒng)進行非線性補償。

單片機系統(tǒng)設(shè)計

在微弱激光檢測系統(tǒng)實際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)激光較強或較弱時,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,我們采用單片機系統(tǒng)對其輸出信號進行數(shù)據(jù)采集并做線性補償。單片機系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 單片機補償和顯示系統(tǒng)硬件框圖

在EEPROM中存放查表數(shù)據(jù)，然后利用單片機從A/D轉(zhuǎn)換器讀取出測量值，然后進行查表，校正，最后通過8255并行口在LED顯示系統(tǒng)上顯示測量值。

由于微弱激光探測系統(tǒng)的輸出信號非線性特性跟光敏元本身特性有關(guān)，沒有一個很好的數(shù)學(xué)模型，因此我們采用查表法對其測量值進行線性補償。程序采用MCS51匯編語言編寫,主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、線性補償模塊和顯示模塊。 程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

實驗結(jié)果與討論

在實驗中我們發(fā)現(xiàn),在入射激光能量較弱時,系統(tǒng)的響應(yīng)偏離線性,因此需要對其測量結(jié)果進行非線性補償。系統(tǒng)修正結(jié)果對比使用單片機對系統(tǒng)進行線性補償時,必需得到用于修正的表格數(shù)據(jù),將其存放在外部EEPROM中。我們用標準激光源作為信號光源，對應(yīng)于不同光強的標準激光源,記錄其輸出結(jié)果。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)采用了音叉斬波技術(shù)能夠有效地克服了探測器隨溫度變化而漂移，經(jīng)過單片機系統(tǒng)修正后的輸出信號,其線性也有很大改善,說明該系統(tǒng)取得了比較理想的檢測效果。

結(jié)語

調(diào)制微弱激光探測系統(tǒng)利用音叉斬波技術(shù)，克服了一般光探測系統(tǒng)的缺點。采用單片機系統(tǒng)對其進行測量結(jié)果并做線性,提高了系統(tǒng)的測量精度。該系統(tǒng)具有較強的通用性，采用不同的光敏探測器可以用于不同波段的微光探測，并且在探測器前放置不同的濾波片,該系統(tǒng)可用做不同場合的單波長能量計,在環(huán)保，工業(yè)，科研等領(lǐng)域有廣泛的用途。