激光外差玻璃厚度測量系統(tǒng)檢測電路的設計

蘭 羽，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 咸陽 712000）

目前，激光外差技術在激光通信、雷達、測距、測速、測振等方面有了廣泛的應用[1]。在玻璃厚度測量方面，激光外差測量技術以其具有分辨率高、精度高、線性度好、動態(tài)響應快、在線非接觸測量的優(yōu)點[2]，逐漸開始取代傳統(tǒng)的測量方法。在激光外差玻璃厚度測量系統(tǒng)中光外差信號是弱光電信號，其含有大量背景光噪聲和其它多次諧波成份，怎么從中提取光外差信號，光電轉換電路就顯得尤為重要，其往往是決定系統(tǒng)成敗的關鍵。

1 激光外差玻璃測厚系統(tǒng)原理

測量系統(tǒng)中應用了激光多普勒效應和激光外差測量技術，系統(tǒng)測量原理如圖1所示。

圖1 激光外差技術玻璃測厚系統(tǒng)Fig.1 System of laser heterodyne Doppler thickness measurement

激光器S發(fā)出的激光，經平面鏡K、半透鏡L反射到多普勒振鏡，振鏡振動產生多普勒效應使得激光變頻，變頻后的激光由振鏡反射后透過半透鏡L垂直照射于待測玻璃表面。由于激光在不同時刻的頻率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光場，與其前一時刻在后表面反射后到達前表面的光場因頻率不同而發(fā)生混頻，產生差頻信號，由半透鏡L反射后，與從平面鏡K反射后透射過半透鏡L的本振光一起到達光電轉換器，光電二極管將接收到的光信號轉換為電信號，該信號包括待測的差頻信號及其它欲抑制信號（激光本振信號、和頻信號和噪聲），其中本振信號與和頻信號頻率較高，超出光電二極管的頻率響應范圍，因此在接收電路中，只需要利用濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內，即可檢測到差頻信號[3-4]。該差頻信號含有玻璃板的厚度信息，差頻信號的頻率為：，其頻率與待測玻璃厚度成正比，比例系數與光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數有關，當光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數確定，為常數。根據頻率差與玻璃厚度的關系，只要測得差頻信號的頻率，就能計算得到玻璃厚度，光電模塊檢測到光外差信號后，經濾波、放大整形后送單片機處理得到玻璃厚度。

從上面系統(tǒng)可知，激光經過多次反射、透射衰減嚴重，待檢測的信號是弱光信號。在此針對光場混頻后的差頻信號來研究該信號的檢測電路。

2 光電檢測電路

2.1 PIN工作模式

PIN型光電二極管與普通二極管的區(qū)別是：普通二極管PN結薄，而PIN型光電二極管的PN結厚，從而使空間電荷區(qū)距離加寬，結電容變小。優(yōu)點是頻帶寬，噪聲低，不足的是管子的輸出電流小，一般只有幾微安。其一般有兩種工作模式：光伏模式和光導模式[5]，圖2是光伏模式，在光伏模式下，PN結處于零偏，光電二極管線性度非常好；圖3是在光導模式，在光導模式下，PN結處于反偏，光電二極管頻率特性較好，切換速度快，但線性度差。在激光外差玻璃厚度測量系統(tǒng)中，待檢測信號經過反射，透射衰減嚴重，到光電接收器已十分微弱，噪聲（背景光，光電二極管自身的暗電流等）直接影響到差頻信號的檢測質量，因此，在光電轉換模塊設計時采用抗噪聲能力強及自身暗電流小的光伏模式。

圖2 光伏模式Fig.2 Photodiode voltage mode

圖3 光導模式Fig.3 Photoconductive mode

2.2 檢測電路設計

在激光玻璃厚度測量系統(tǒng)中，信號通常淹沒在噪聲中，在光電檢測電路設計時，主要考慮電路的抗干擾能力，其次滿足信號增益前提下，使帶寬為盡量小[5]?；诠夥Ｊ降墓怆姍z測電路有以下幾種變形電路。

第一種光電轉換電路如圖4所示，在光伏模式的基礎上，集成運放的同相端串聯電阻R2來消除集成運放同相，反相不平衡造成的偏壓誤差，使R2=R1。這種電路的不足之處是電阻R2會產生熱噪聲，可在R1給并聯電容CS、R2給并聯電容C2以減小噪聲頻帶，另外偏置電流在R2上產生壓降，滋生PIN管暗電流，此時選用集成運放偏置電流越小越好，一般選pA級的運放。

圖4 光電檢測電路1Fig.4 Optical detection circuit 1

第二種光電檢測電路如圖5所示，在光伏模式的基礎上，用由 R1、R2、R3（阻值均較?。?個電阻構成 T型電阻網絡來代替反饋電阻R，電路優(yōu)點電阻的寄生電容的影響小，信號頻帶寬度較大，原因是用小阻值電阻組成的T型電阻網絡代替大阻值的反饋電阻R，T型電阻網絡RT=R1+R2+R1R2/R3；缺點是電路的噪聲較大，精度較差，原因是集成運放的電壓噪聲及電阻、偏移電壓、都被T型電阻網絡放大了1+R2/R3倍，而 R2/R3＞＞1。

圖5 光電檢測電路2Fig.5 Optical detection circuit 2

綜合上面兩種檢測電路的優(yōu)點，文中設計的光電檢測電路如圖6所示，電路在集成運放的輸出端加一個RC濾波器，濾掉經過集成運放放大的噪聲，同時限制了放大器輸出信號的帶寬，在集成運放反相端與輸出端并聯電容Cf1用來補償PIN光電二極管結電容引起的相位滯后，控制噪聲增益峰值，電容Cf1用來補償RC濾波環(huán)節(jié)引起的相角滯后。

圖6 改進型光電檢測電路Fig.6 Improved optical detection circuit

3 電路主要元件參數設計

3.1 光電二極管的選擇

根據檢測信號的特點，選擇光電器件噪聲要低，此設計選擇PIN型光電二極管，其具有響應速度最快，光電響應線性好，光譜響應波段為400～1 100 nm；暗電流噪聲最低，且其價格低廉、驅動電壓低、體積小等優(yōu)點[7-8]，因此適合本設計中弱光信號檢測。

3.2 運放的選擇

在選用運放時，應選用低噪聲、輸入失調電流小的運放，選擇在敏感噪聲頻段CMRR較高的運放。本設計采用了OP07或OP27型號的運放。

3.3 其他元件的選擇

電路中電阻，電容的參數選擇時，應該考慮信號的頻率補償、噪聲特性及增益帶寬，所以電阻選擇精度高，噪聲系數小的金屬電阻，電容選擇損耗角小的云母電容。令RC=RfCf1，C=Cf1=Cf2，則：

一般在 Q=0.5，fo小于 150 kHz時 Cf和Cd值比較接近，電路具有很好的響應特性和噪聲特性，由（1），（2）式計算得：Cf=1 nF，Rf=2 MΩ，R=1 kΩ。

4 結束語

激光外差檢測電路是一種基于單元電路總體集成設計的電路，具有成本低、檢測精度高、線性度好、動態(tài)響應快等優(yōu)勢。通過對電路分析，并在萬能板安裝測試表明：其完全適用玻璃厚度測量系統(tǒng)差頻信號的檢測，但該檢測電路輸出的信號還十分微弱，仍含有其它干擾成份，還需要經濾波，放大整形處理后，數據處理模塊才能識別。

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