孔雁凱，朱 杰，王 超

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051;3.北華航天工業(yè)學院，河北 廊坊065000)

0 引 言

光電檢測技術是光學與電子學相結(jié)合的檢測技術，它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、存儲、控制、計算和顯示［1］。以光電轉(zhuǎn)換電路為核心的光電檢測技術已經(jīng)被廣泛地應用到軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學、醫(yī)療和航天等諸多領域。光散射技術就是一種重要的光電檢測技術。

光散射技術在高分子科學中的應用已經(jīng)比較成熟，合成高聚物和生物大分子的許多重要性質(zhì)通過靜態(tài)光散射和動態(tài)光散射來測定。在靜態(tài)光散射中，通過測定時間平均散射光強的角度和濃度的依賴性，可以精確地得到高聚物的重均分子量Mw、均方旋轉(zhuǎn)半徑R2gz和第二維里系數(shù)A2［2］。但散射光經(jīng)二極管轉(zhuǎn)換成的電信號一般比較微弱，很容易受到噪聲的干擾，在設計檢測電路時要盡量減小噪聲，提高系統(tǒng)信噪比和檢測精度?；谝陨显颍疚脑O計了一種具有高信噪比光電轉(zhuǎn)換電路，微弱的電信號通過前置放大電路，濾波電路，主放大電路后，得到了V 數(shù)量級的電壓信號。經(jīng)實驗驗證:該設計能夠有效降低噪聲，而且有很好的穩(wěn)定性，可以很好地完成靜態(tài)散射光強的測量。

1 光散射的基本原理

當一束光沿著入射方向照射到聚合物稀溶液時，光束中聚合物分子在光的電磁波作用下極化，形成誘導偶極子，這些振動的偶極子成為二次波源，向各個方向發(fā)射出電磁波。在純凈的均勻介質(zhì)中，這些次波相互干涉的結(jié)果使光線只能在折射方向上傳播，而在其它方向上則相互抵消，所以，沒有散射光出現(xiàn)。但當均勻介質(zhì)中摻入進行著布朗運動的微粒后，或者體系由于熱運動而產(chǎn)生局部的密度或濃度漲落時，就會破壞溶劑次波的相干性，而在其它方向上出現(xiàn)散射光［3］。

光散射技術以光散射理論為基礎，通過檢測散射光強度，然后利用相應的理論公式進行數(shù)據(jù)反演，從而得到散射體的一些重要特性。

光散射技術之所以能在很短的時間內(nèi)獲得廣泛的應用，因為與其它測量方法相比具有如下顯著的優(yōu)點［4］:粒徑測量范圍寬，從幾個納米到上千個微米;測量速度快，光電轉(zhuǎn)換的時間非常短(約10－8s)，同時還具有適用性非常廣、測量準確等特點。

2 電路設計

光電檢測器所接收的信號一般非常微弱，而且光檢測器輸出的信號往往和噪聲混合在一起，所以，要求信號先后通過前置放大電路、濾波電路、主放大電路，從而使輸出幅度符合后續(xù)數(shù)據(jù)采集［5］。光電檢測組成框圖如圖1 所示。

圖1 光電轉(zhuǎn)換電路模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of photoelectric conversion circuit module

2.1 前置放大電路

光電二極管在受到光照時，會產(chǎn)生與照度呈正比的微弱電流，因此，它是比較好的光電敏感元件。光電二極管一般有兩種工作模式:光伏模式和光導模式。圖2 為兩種偏置模式的偏置電路。

圖2 光電二極管的工作模式Fig 2 Operating mode of photodiodes

在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作;在光導模式時，光電二極管可實現(xiàn)快速切換，但要犧牲一定的線性。事實上，在反偏置條件下，即使無光照.仍有一個很小的電流(稱為暗電流或無照電流)。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。一般情況下，光電檢測電路中被測信號比較微弱，因此，暗電流的影響一般非常明顯［6］。考慮到本設計中待測信號比較微弱，降低噪聲干擾成為電路設計的關鍵，所以，依據(jù)低噪聲光電檢測設計的基本原則，電路選擇光伏模式。圖3 為前置放大電路原理圖。

其中，光電二極管選用的是日本濱松公司的S1226 系列的S1226—4BQ。這一型號的光電二極管感光面積比較大，為3.6 mm×3.6 mm，最大噪聲電流為10 pA。前置放大器選用AD549，它具有極低輸入偏置電流和低輸入偏置電壓，1015Ω 的共模輸入阻抗和低噪聲低溫漂特性，因此，特別適合作敏感的光電二極管的前置放大器。光電二極管產(chǎn)生的微弱電流通過反饋電阻器Rf(1 GΩ)形成壓降，從而完成電流到電壓的I/V 前置放大轉(zhuǎn)換。C1(10 pF)與Rf并聯(lián)構(gòu)成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/(2πRfC1)，通過濾波可以有效提高信噪比，同時還可以防止電路振蕩。R8，R9 和R 10組成了AD549 前置放大器的調(diào)零電路。電容器C2 和C4 用于濾除電源波動。

圖3 前置放大電路Fig 3 Preamplifier circuit

2.2 一級放大電路

為了使電路有良好的信噪比，需要對信號進行濾波處理以確保測量的精確。利用示波器對前置放大電路輸出信號觀測，發(fā)現(xiàn)干擾信號主要是50 Hz 的正弦波。

初步分析干擾信號為工頻輻射，因此，設計了如圖4 的低通有源濾波電路。

圖4 低通有源濾波電路Fig 4 Low pass active filtering circuit

該電路中，運放選擇的是OP07，它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極型運放，同時OP07 具有較低的失調(diào)電壓漂移和高開環(huán)增益，因此，它特別適合用于高增益的測量設備和放大傳感器輸出的微弱信號。該濾波電路的上限截止頻率為1/(2πR4C5)。實際上，該電路利用了積分電路的低通特性。由于積分電路當頻率趨于零時電壓放大倍數(shù)趨于無窮大，故在電路中電容器C5 上并聯(lián)了一個電阻器R4 組成負反饋網(wǎng)絡，使得當頻率趨于零時電路的放大倍數(shù)取決于電阻組成的負反饋網(wǎng)絡而不是無窮大。令信號頻率為0，可得到通帶放大倍數(shù)為

因此，該電路不但有濾波功能，而且對信號有放大功能，所以，如果接收的光信號比較強，從Out1 口就可以得到幾百毫伏到幾伏的電壓輸出。

2.3 二級放大電路

因為不同粒度的微粒散射光強度不同，粒度小的散射光的光強十分微弱，產(chǎn)生的電信號較小，為了達到后續(xù)處理需要的幅度，需要對電信號進行二次放大，因此，設計了如圖5 的二級放大電路。

圖5 二級放大電路Fig 5 The secondary amplifier circuit

考慮到濾波電路未濾凈的干擾信號可能被再次放大，影響二級輸出信號的信噪比，所以，加了電容器C3，使電路增加了濾波功能。該電路實際上是一級RC 無源低通濾波電路的輸出端加上了一個同相比例放大電路，使之與負載很好地隔離開來，就構(gòu)成了一個簡單的帶同相比例放大電路的一階有源低通濾波電路，由于同相比例放大電路的輸入阻抗很高、輸出阻抗很低，因此，其帶負載能力很強。

2.4 電路中的噪聲分析與處理

信號中的噪聲主要來源于兩方面:電路本身的噪聲和外部噪聲。電路本身噪聲主要是電學器件的噪聲，包括光電二極管的熱噪聲和散粒噪聲以及暗電流的影響［7］，此外還有其他電阻器等元件的溫漂等。而本設計中的光電二極管采取的是無偏壓的工作方式，有效地減小了暗電流。其他的元器件采用的都是低噪聲低溫漂特性的，通過這些措施解決了電路本身噪聲的影響。

外部噪聲包括輻射的隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流、背景起伏、雜散光的入射、振動、電源的波動及檢測電路所受到的電磁干擾等.為了改善或消除這些噪聲，實驗時提高了電源的穩(wěn)定度，穩(wěn)定了輻射光源，遮斷了雜光。而對于電路中的主要噪聲源，即50 Hz 的工頻干擾，采取了濾波處理。

3 實驗測試

3.1 測試流程

測試實驗示意圖如圖6，實驗流程如下:

1)激光發(fā)射器發(fā)射的678 nm 的紅光經(jīng)過中性密度衰減片，由樣品槽上的細孔a 射到c 處的裝有甲苯溶液的樣品瓶，透射光由b 孔射出。

2)在d 孔處安裝光電轉(zhuǎn)換電路接收甲苯溶液的散射光，并用示波器和萬用表觀測電路輸出的電壓信號的波形和大小，記錄數(shù)據(jù)。

3)更換不同透射率的中性密度衰減片來改變?nèi)肷涔鈴姸?，然后重?1)，(2)步驟操作流程。

圖6 測試實驗示意圖Fig 6 Schematic diagram of testing experiment

圖7 為一些主要裝置實物照片。

圖7 激光器和樣品槽Fig 7 Laser and sample cell

實驗中，以改變衰減片的透射率來來改變散射光光強，得到數(shù)據(jù)的相當于輸出電壓對光強的響應。

重復2 次實驗，數(shù)據(jù)記錄如表1。

表1 數(shù)據(jù)記錄表Tab 1 Data record sheet

3.2 測試結(jié)果分析

理論上，輸出電壓和散射光光強呈正比，這是由光電二極管的響應特性和工作方式?jīng)Q定的。因為本設計中光電二極管是光伏工作模式，所以，理論上講光電二極管應該非常精確的線性工作［5］。

利用Origin 軟件對表1 數(shù)據(jù)擬合得到圖8，由圖可知，響應曲線的線性度比較好，而且2 次實驗數(shù)據(jù)的重復度也比較高，說明電路所選的光電二極管可以比較好的線性工作，滿足光電檢測要求。

造成部分點偏差比較大可能是如下原因:甲苯溶液中的散射體不均勻而且是流動的，對散射光的強度影響比較大;衰減片本身存在5%的誤差;每次安裝衰減片時，衰減片平面未必與入射光成精確的90°角;光電轉(zhuǎn)換電路中的光電二極管安裝到樣品槽上時存在角度偏差。

圖8 實驗數(shù)據(jù)擬合曲線圖Fig 8 Experimental data fitting curve

經(jīng)過濾波后，測量輸出電壓的交流分量在2 mV 以下，如圖9。這說明50 Hz 的工頻干擾信號被濾波電路有效地濾掉了。此外，通過示波器觀測輸出可知，輸出信號為穩(wěn)定的直流電壓信號，如圖10，與理論推測相符合。由此說明，經(jīng)過對電路本身噪聲和外部噪聲的處理，使得光電轉(zhuǎn)換電路獲得了較高的信噪比。

圖9 輸出電壓的交流分量Fig 9 AC component of output voltage

4 結(jié)束語

本文完成了光電探測器的設計，搭建了靜態(tài)散射光強測量的實驗環(huán)境，對光電探測器進行了測試和數(shù)據(jù)分析，并在實驗數(shù)據(jù)的基礎上，對電路應用的可行性和噪聲來源進行了分析，給出了降噪的方案。實驗結(jié)果表明:該設計滿足靜態(tài)光散射實驗中測試要求，在研究合成高聚物和生物大分子等高分子科學中有很好的應用前景。

圖10 輸出電壓波形圖Fig 10 Waveform of output voltage

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