一種新型微弱激光檢測系統

一種新型微弱激光檢測系統

  引言

       隨著激光在科學技術研究、醫療衛生、國防科技、精細加工等領域的廣泛應用，對微弱激光檢測愈加顯得重要 , 通常的微弱激光檢測系統主要由光電倍增管或調制盤斬波器加光電探測器構成光電轉換部分。前者體積較大、需要高壓電源,并且使用條件苛刻;后者隨著使用過程中軸承的不斷磨損，馬達軸的徑向抖晃不斷增大，影響了測試系統的精度。此外,一般微弱激光檢測系統都存在非線性及探測器的性能隨溫度變化等缺點。這些都使得微弱激光檢測技術的應用受到了很大的限制。我們采用光電探測器作為系統的光電轉換元件,利用音叉進行機械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號直接轉化為受調制的交流電信號,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，用單片機對系統的模擬輸出信號進行數據采集,并進行非線性補償,克服了一般微光探測系統的缺點。該系統具有結構簡單、使用方便等特點。

       系統設計

       微光探測系統主要由內調制光電探測器、信號處理系統和單片機補償系統組成。其總體結構如圖1所示。

圖1 微弱激光檢測系統總體原理框圖

       溫控電路系統

       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定值進行比較，從而利用半導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。

       信號采集和信號調理系統

       首先選取光電探測器作為光電轉換器件,通過有電感三點式起振帶動音叉的諧振，從而實現了對入射微弱激光的斬波調制,可將入射的恒定(或緩變)光信號轉化為受調制的交流電信號。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帶來的影響。實際設計中系統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放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據該公司提供的器件手冊很容易組成一個鎖相放大器，該電路能夠實現從+100dB噪聲中提取出信號，本設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進行非線性補償。

       單片機系統設計

       在微弱激光檢測系統實際應用中,發現激光較強或較弱時,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,影響了系統測量的動態范圍及測量精度。為此,我們采用單片機系統對其輸出信號進行數據采集并做線性補償。單片機系統的框圖如圖2所示。　

圖2 單片機補償和顯示系統硬件框圖

       在EEPROM中存放查表數據，然后利用單片機從A/D轉換器讀取出測量值，然后進行查表，校正，最后通過8255并行口在LED顯示系統上顯示測量值。

       由于微弱激光探測系統的輸出信號非線性特性跟光敏元本身特性有關，沒有一個很好的數學模型，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

       實驗結果與討論

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