光电二极管在光栅解调电路中的应用

光电二极管在光栅解调电路中的应用 2O07年 第12期 仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 技术与传感器 InstrumentTechniqueandSensor 200r7 No.12 光电二极管在光栅解调电路中的应用 常天英,贾磊,隋青关,李东升 (山东大学控制科学与工程学院光纤传感技术工程研究中心,山东济南250061) 摘要:在对光电二极管施加5V偏置电压的情况下,对于其接收的不同强度的光信 号,采用不同的负载电阻而输出的 大量实验.电信号进行了实验表明:不同强度的光信号以及不同阻值的负载电阻对 其输出信号均有影响,给出了确切的 数据和形象的曲线.可以得出结论:在光栅解调电路中,对于确定的光路,可以通过 实验找到最佳负载电阻,从而便于实 现对外界物理量的测量. 关键词:光电二极管;光信号;负载电阻;偏置电压 中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1002—1841(2O07)12一O044—02 ApplicationofPhotodiodeUsedinCircuitofFiberGratingDemodulation CHANGTian-ying,JIALei,SUIQing-mei,LIDong-sheng (0p6calFiberSensorTechnology&E,,~neeringResearchCenter, SchoolofControlScienceandEngineering,ShandongUniversity,Ji'nan250061,China) Abstract:Alotofexperimentsdetectingthephotodiode'Selectricaloutput~ignalwerecompl eted,whenthephotodiode"oValSgiventhe reversevoltageof5Vandreceivedtheopticalsignalsofdifferentintensity.Theexperimentsin dicatetheoutputsignalsareaffectedbythe intensityoftheoptical~ignalandthesizeoftheloadresistance.Theexactdataandvisualcurve swerepresented.TheconclusionCanbe achievedthatthebestloadresistanceCanbegotinthecircuitofthefibergratingdemodulationt hro,w,htheexperimentsforthedetermined opticalpath,itiseasierto?圮as1Jretheoutsidephysicalpayameters. Keywords:photodiode;opticalsignal;loadresistance;reversevoltage 0引言 光纤光栅传感器因与传统传感器相比有着无可比拟的优 势,所以是目前传感领域研究的热点l1J.但因为受光源强度 和光线路弯曲受损等因素影响,输出信号微弱,信噪比低,不稳 定,所以光纤光栅传感系统的解调一直是研究的重点.其中光 电二极管作为主要的光探测器是光纤传感系统中不可缺少的 解调器件.随着光电子技术的发展,针对探测微弱的光信号在 探测灵敏度,光谱响应范围及频率特性等方面有越来越高的要 求,近年来出现了许多性能优良的光伏探测器,如硅,锗光电二 极管,PIN光电二极管,雪崩光电二极管等l4J.基于以上原因, 在搭建光纤传感解调系统的过程中着重对光电二极管的应用 进行了研究,采用的光电二极管是InGaAsPIN模块. 1光电二极管的基本特性 光电二极管是将光信号转变成电信号的半导体器件,它的 结构与PN结二极管类似,管壳上的玻璃窗口能接收外部的光 照.一般可以工作在无偏压和有反向偏压2种状态下,在无偏 压工作状态下,光电二极管的光电流随负载电阻变化很大,此 时它不具有恒流源性质,只起光电池作用,而在反向偏压状态 下的光电二极管,由于在很大的动态范围内,其光电流与偏压 和负载电阻几乎无关,故在入照光功率一定时可视为恒流源, 并且反向偏压可以减小光电二极管内部电容l5J,这样就提高了 光电二极管的响应速度,这一点对于光纤光栅传感系统的解调 收稿日期:2007—03—19收修改稿日期:2O07—08—11 很重要.因此,对于高频光信号的解调,需使光电二极管工作 在有反偏电压的状态下,所以,着重讨论加5v偏置电压的情况 下光电二极管的特性.光电二极管的等效电路见图1.图1 中,R为内阻,大约为100l【Q,100?,温度每升高10.C其减低 1/2;C为电容,是结电流和二极管偏置电压的函数,随着偏置 电压的增加而减少. ={=IlJ 图1光电二极管的等效电路图 2实验过程,结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 InGaAsPIN模块封装形式为尾纤式FC/APC接口.其光响 应度最小值为0.85A/W,响应波长为1100,1650nln.为了 防止开关电源瞬间高电压对二极管的损坏,采用如图2所示 的电路. 直流电压源供电设置为10V,LM1403的输出端的输出电 压为2.5V(不受电源电压不稳的影响),经放大器O107放大 2倍后,输出电压为5v,给光电二极管提供反偏电压.稳压 管的作用是保护光电二极管,防止开关时电压太大将光电二 极管击穿.光路图为图3. 图3中的Bragg光栅中心波长为1552.364nln,并且在其附 近用一个自由状态的光纤光栅测量温度的变化,对其进行温 第12期常天英等:光电二极管在光栅解调电路中的应用45 度补偿.仿照粘贴电阻应变片的方式用502胶将其粘贴在如图 4所示的等应力梁上. ? 一:: 图2电路图图3光路图 图4等应力梁示意图 改变负载电阻R的大小,分别测量光电二极管两端的电 压和负载电阻两端的电压.测得数据见表1. 表1不同负载时及的值 负载电阻m负载电阻 /v,R,\ R/kn/VR/kn/V 14.790.211303.461.652 24.69O.3o75O2.632.354 54.45O.542701.823.156 154.O1O.9721o0O.6074.394 2O3.891.212 由表1画出的曲线见图5,曲线1为负载电阻和其两端电 压的关系曲线,曲线2为负载电阻和光电二极管两端电压的 关系曲线.可以看出曲线的线性度很好,即电流恒定.所以 可得出在测量范围内光强不变时,光电二极管的输出电流不 变. 为了能通过改变外界物理量来改变光强以实现外界物理 量的测量,将光路图设计为图6.图中匹配光栅的中心波长为 1552.246nn'1. Q 图5曲线图图6光路图 改变负载电阻月的大小,分别测量光电二极管两端的电 压Vm和负载电阻R两端的电压.测得数据见表2. 表2增加匹配光栅后不同负载时m及的值 因为经过前面的实验,对选取电阻的大致范围有一定的 经验,所以只测试了2个电阻,就找到了最佳电阻为147. 在电阻为147时,加砝码过程的实验数据见表3. 表3不同砝码数时及的值 砝码数PD/V/V砝码数PD/V/V O1.6233.31553.8o31.156 12.3252.66564.0120.961 22.8122.23274.1950.823 33.1781.91084.3760.596 43.5121.51194.4980.5O1 实验得出:依次增加砝码,光电二极管输出电压从1. 623V变化到4.498V(未加砝码时,输出电压为1.623V的 原因是两光栅不是完全匹配并且有光噪声输出).增加砝码 时,Bragg光栅受力,其中心波长随之而变,而处于自由状态 的匹配光栅没有受力,中心波长也未随之而变,这样就有光 照射到光电二极管上,有电压输出;砝码增加得越多,光电 二极管输出的电压越大.因此若传感光栅受不同程度的应力 (即加不同质量的砝码),光电二极管就会受到不同强弱的光 信号照射,则输出不同强弱的电信号,并且在测量范围内输 出的电信号的大小与外界物理量(所加砝码)的大小有一定 关系,这样就可以测量外界物理量了.由表3的数据画出的 曲线图见图7.曲线1为光电二级管输出电压与所加砝码的关 系曲线,曲线2为电阻两端电压与所加砝码数的关系曲线. 6 0 fSl 图7曲线图 由于各砝码的质量一样,加在等应力梁上后,Bragg光栅 波长移动的大小一样,但光栅反射谱线近似是高斯型的,所 以曲线图是正确的. 3结束语 (1)给光电二极管加反偏电压能减少其内部电容,从而 加快其响应速度,但过大的反向电压可能损坏光电二极管, 增加噪声,所以选用比较适中的5V反偏电压. (2)当光路已确定(其中包括光路的连接和弯曲),即输 出光强稳定时,可以通过实验来确定最佳的负载电阻,使其 测量外界物理量时,光电二极管的输出电压变化范围最大, 便于后续数据的处理. (3)以往光电二极管的使用是将其输出电流通过放大器 将电流转化成电压进行测量,该实验说明选择最佳的负载电 阻,可以直接测量光电二极管两端的电压,实现对外界物理 量的测量. (4)由于实验条件有限,光强无法准确测量,只能粗略 地改变光强来验证当使用最佳负载电阻时,光电二极管的输 出电压随输入光强的变化近似线性变化.所以该实验还可以 进一步改进,得出更准确,更科学的结论. (5)该实验也说明对于光纤光栅的解调,(下转第75页) 第12期张丙才等:基于IabVIEW的数据采集与信号处理75 于对正弦基波的分析.因此,在对信号进行分析前要先进行滤 波,将高次谐波滤除,提取基频分量. 现以某时刻采集的电力信号为例,说明滤波效果.此时 刻从电力系统中采集的信号中含有频率为50,有效值为 220V的基频分量,和频率为100Hz,150Hz,200Hz的二次, 三次,四次谐波.程序中采用巴特沃思滤波器对信号进行滤 波,上限截止频率为55,滤波阶次为8.滤波前后的波形 如图4所示. 硝帕 参数避量叵域 j通递毒 100 采幕佯箍霉重程造择 蓉,… '目 {《l {l低皱低通置止赣翠潦装阶礁 鎏蠡坤和i l慑存文蚌路径幕样响 诲…,篇 l与髓黼l… 1 图3虚拟仪器前面板 图2程序流程图 (a)滤波前的波形(b)经巴特沃器滤波后的波形 图4滤波前后波形图 3.2.2信号的测量 通过此模块可以测量出信号的峰值,有效值以及信号的频 率,从而实时地了解信号的参数,判断信号是否在正常范围之 内,若信号超出正常范围,则发出报警信号,及时进行处理. 3.3信号存储与复现 保存功能是将采样得到的时域或频域等数据,根据需要转 换成LabVIEW7Express特有的波形文件或Excel文件,文本文 件的格式,存放在计算机的磁盘中.复现功能是为了使用户在 实时采集和分析数据结束后,还可以重新观察和深入处理采集 数据[.系统设计了采集信号的复现功能,即在选定了存放数 据所在文件后,可以重头开始连续回放整个过程. 4结束语 利用IabVIEW开发的数据采集处理系统完成了信号的采 集,显示,分析,保存以及对历史数据的查询功能.它与传统数 据采集处理仪器相比具有性价比高,通用性强,易于开发,数据 处理简单,开发时间短,使用效果良好等优点.这使没有丰富 编程经验的用户从繁重的程序编写中解脱出来,能将更多的精 力投入到试验测试,数据分析和处理,系统性能测试上,大大缩 短了开发时间. 参考文献: [1]陈真,王延江,王钊.基于LabVIEW的远程数据采集系统开发.仪 表技术与传感器,2006(6):27—29. [2]雷振山.LabVIEW7Express实用技术教程.北京:中国铁道出版社, 2001. [3]戴新.国产数据采集卡在虚拟仪器中的应用.计量与测试技术, 2006(2):17—20. [4]关旭,张春梅,王尚锦.虚拟仪器软件LabVIEW和数据采集.微机 发展,2004(3):77—79. 作者简介:张丙才(1955一),高级工程师,主要研究方向为电力系统继电 保护.E—mail:083lliulin@163.con (上接第45页)若将其波长解调转化成光强解调(目前这是大 多数解调方法的本质),实验光路必须固定,即在整个实验过程 中不能拆卸或弯曲光路,否则即使外界物理量不变化,实验输 出电压也可能变化,这样将会误以为是外界物理量的变化,实 验数据将不准确. 参考文献: [1]LIMJ,YANGQP,JONESBE,eta1.DPflowsen蚰rusingopticalfiber BragggratiI1g?SensorsandActuators,A:Physical,2001,92(1—3):102一 】o8. [2]ZHAOY,LIAOY.Discriminationmethodsanddemodulationtechrfiques forfiberBragggrating8ellSOl~.OpticsandLt%sel~inEngineering,2004,41 (1):1一l8. [3]刘波,孙桂玲,曾剑,等.ADuC824在光纤光栅传感复用网络中的 应用.仪表技术与传感器,20o4(5):25—26. [4]宋丰华.现代光电器件技术及应用.北京:国防工业出版,2004. [5]江月松.光电技术与实验.北京:北京理工大学出版社,2000. 作者简介:常天英(1981一),博士研究生,主要研究方向为光纤传感技术 及应用.E—mail:changtianying@hotmail.coln c=========二= 九 … n===Jc?V ?n,????,? 一……?三二=……面?…1…--Icm…………一,…?…一 一 ………===厂