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【摘要】高精度光电检测系统是测量光纤光栅传感器信号的重要辅助设备，特别是在较微弱光纤光栅传感信号的检测中有着重要的应用。本文基于光纤光栅中心波长边沿解调原理和传感信号特性，介绍一种精密光电检测系统的设计。文中分析了影响微弱光电信号检测精度的多种原因，并通过对器件的参数分析与选型、差模信号提取与放大和噪声的有效滤除等方式来实现对微弱信号的高精度检测。
【关键词】光纤光栅；边沿解调；光电检测；微弱信号；噪声滤除
1.引言
随着光纤光栅传感器的广泛应用，光纤光栅传感信号的检测系统也有了很大的发展。相比于传统采用单色仪、光谱仪扫描[1]等方式来检测光纤光栅传感信号的方式，采用光电转换方式，即把对光强信号的测量转变为对电压信号的测量方式有它的优越性，它具有检测设备制造成本低、方便携带、可以实现对实时变化信号高速检测和拥有更广的工程应用等优点。
目前用于光纤光栅传感器信号检测的光电检测系统很多，但很多仍存在对微弱信号检测精度不高，对噪声有效抑制能力弱等特点。而基于边沿解调原理的光纤光栅中心波长解调方法是通过对光栅反射峰的光强测量来实现的，是一种对较为微弱光电信号进行检测的方式。此时，电路中所用器件的特性误差和电路中所耦合进的噪声对信号检测精度所造成的影响不可忽略，它们在一定程度上都会降低信号的检测精度。因此，如何有效抑制电路中的噪声，提高光电检测系统对微弱信号测量精度是本文研究重点。
3.影响微弱光电信号检测精度的原因分析与相应解决方法
从光电检测的角度看，当光源光功率一定，且被分为多路使用时，测量光栅反射峰的光强是属于一种较弱光电信号的检测方式，而从光纤光栅边沿解调原理看，它是通过检测光栅反射峰光强的变化来测量光栅中心波长的偏移量，更是属于一种对微弱光电信号变化量的.检测方式，这就对所采用的光电检测系统的检测方法和它的检测精度有更高的要求。在本光电检测系统的设计过程中，从光电信号的特性出发，分析了各种影响光电信号检测精度的原因，在此基础上提出了相应解决方法。
3.2 差模信号提取电路设计
3.3 噪声的影响分析及噪声的有效滤除
光电转换电路中的噪声是影响光电检测系统精度的重要因素，当电路检测的信号为微弱信号时，噪声的处理尤为重要。当目标信号中叠加有噪声时，会大大地削弱系统的检测精度，而当耦合到信号中的噪声与信号的强度可比拟时，并与信号一同被放大，则会出现目标信号淹没在噪声中的现象，使此种方式的信号检测达不到预期的目标[5]。因此，有效抑制噪声是提高系统检测精度的一种重要方法。上文中的基于器件参数分析后的选型、共模信号的减除都是降低噪的声影响和提高系统检测精度的有效手段。此外，在检测电路的PCB制板过程中考虑到模拟信号和数字信号对检测系统分别造成的影响，采用模拟地与数字地有效隔离的布线方式也是滤除噪声的有效方法。由于此检测系统用于微弱信号的检测，还应考虑漏电对信号检测精度的影响。漏电是指实际微弱信号的走线会受到附近强信号走线的干扰从而引起的漏电流，对目标信号来说，也是一种极其有害的噪声干扰，所以布线的过程中采用了保护环(GuardRing)技术来有效抑制漏电对信号检测的影响[6]。在实验过程中发现，电路板中容易引入频率为50Hz的工频干扰，若能将制作好的电路板装入一个屏蔽效果好的铁盒中，并将电路板的地线与铁盒接在一起，能够有效抑制50Hz的工频噪声对电路的干扰。
4.实验结果
4.1 光电检测系统噪声测试
噪声的处理效果直接决定了光电转换检测系统的精度与性能，对微弱检测信号能够有效放大的同时最大程度地抑制噪声才是一个理想的检测系统。实验前，对所做的系统进行噪声测量，将电路放大倍数设置为最大增益倍数，示波器的耦合方式调到交流档，周期和幅值都调到较小的合适档位，电路在无光输入的情况下，用示波器观察检测系统的输出信号，得到如图4.1所示的噪声特性。由图4.1可知，电路噪声的峰－峰值约为3mV，这样低的噪声可以满足检测系统对噪声的要求。
4.2 光电检测系统实验测量结果
实验中采用了中心波长在1556nm附近的光栅进行实验，當温度改变光栅中心长时，光电检测系统的输出电压随波长变化的结果如图4.2所示。从测量结果看，当光栅中心波长在一定的范围内移动时，光电检测系统输出的电压值随着中心波长的变化呈现出较好的线性度。
5.结论
本文基于光纤光栅中心波长边沿解调原理，针对微弱信号检测中的检测精度和噪声问题设计了一种对微弱光电流信号的高精度检测系统。设计过程，从信号的特性出发，分析了影响检测精度的多种问题，并提出了相应的有效解决方法。理论分析和实验表明，该系统具有较高的精度和稳定性，能够实现对微弱信号的高精度检测。
参考文献
[1]李志全,许明妍,汤敬,陈颖,赵彦涛.光纤光栅传感系统信号解调技术的研究[J].应用光学,2005,26(4):36-41.
[2]张锦荣.基于光纤光栅的传感和解调技术研究[D].北京:北京邮电大学,2009.
[3]周金龙.新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究[D].厦门大学,200.
[4]李晓坤.精密光电转换电路设计方案[J].电子产品世界,2003.12(1):37-39.
[5]王林涛,李开成,张健梅.低噪声光电检测电路的设计和噪声估算[J].武汉理工大学学报,信息与管理工程版,2001.23(3):16-18.
[6]杨长杰.PCB板的电磁兼容与电流分布[J].安全与电磁兼容.SAFETY&EMC,2004,2(1):57-59.
【关键词】光纤光栅；边沿解调；光电检测；微弱信号；噪声滤除
1.引言
随着光纤光栅传感器的广泛应用，光纤光栅传感信号的检测系统也有了很大的发展。相比于传统采用单色仪、光谱仪扫描[1]等方式来检测光纤光栅传感信号的方式，采用光电转换方式，即把对光强信号的测量转变为对电压信号的测量方式有它的优越性，它具有检测设备制造成本低、方便携带、可以实现对实时变化信号高速检测和拥有更广的工程应用等优点。
目前用于光纤光栅传感器信号检测的光电检测系统很多，但很多仍存在对微弱信号检测精度不高，对噪声有效抑制能力弱等特点。而基于边沿解调原理的光纤光栅中心波长解调方法是通过对光栅反射峰的光强测量来实现的，是一种对较为微弱光电信号进行检测的方式。此时，电路中所用器件的特性误差和电路中所耦合进的噪声对信号检测精度所造成的影响不可忽略，它们在一定程度上都会降低信号的检测精度。因此，如何有效抑制电路中的噪声，提高光电检测系统对微弱信号测量精度是本文研究重点。
3.影响微弱光电信号检测精度的原因分析与相应解决方法
从光电检测的角度看，当光源光功率一定，且被分为多路使用时，测量光栅反射峰的光强是属于一种较弱光电信号的检测方式，而从光纤光栅边沿解调原理看，它是通过检测光栅反射峰光强的变化来测量光栅中心波长的偏移量，更是属于一种对微弱光电信号变化量的.检测方式，这就对所采用的光电检测系统的检测方法和它的检测精度有更高的要求。在本光电检测系统的设计过程中，从光电信号的特性出发，分析了各种影响光电信号检测精度的原因，在此基础上提出了相应解决方法。
3.2 差模信号提取电路设计
3.3 噪声的影响分析及噪声的有效滤除
光电转换电路中的噪声是影响光电检测系统精度的重要因素，当电路检测的信号为微弱信号时，噪声的处理尤为重要。当目标信号中叠加有噪声时，会大大地削弱系统的检测精度，而当耦合到信号中的噪声与信号的强度可比拟时，并与信号一同被放大，则会出现目标信号淹没在噪声中的现象，使此种方式的信号检测达不到预期的目标[5]。因此，有效抑制噪声是提高系统检测精度的一种重要方法。上文中的基于器件参数分析后的选型、共模信号的减除都是降低噪的声影响和提高系统检测精度的有效手段。此外，在检测电路的PCB制板过程中考虑到模拟信号和数字信号对检测系统分别造成的影响，采用模拟地与数字地有效隔离的布线方式也是滤除噪声的有效方法。由于此检测系统用于微弱信号的检测，还应考虑漏电对信号检测精度的影响。漏电是指实际微弱信号的走线会受到附近强信号走线的干扰从而引起的漏电流，对目标信号来说，也是一种极其有害的噪声干扰，所以布线的过程中采用了保护环(GuardRing)技术来有效抑制漏电对信号检测的影响[6]。在实验过程中发现，电路板中容易引入频率为50Hz的工频干扰，若能将制作好的电路板装入一个屏蔽效果好的铁盒中，并将电路板的地线与铁盒接在一起，能够有效抑制50Hz的工频噪声对电路的干扰。
4.实验结果
4.1 光电检测系统噪声测试
噪声的处理效果直接决定了光电转换检测系统的精度与性能，对微弱检测信号能够有效放大的同时最大程度地抑制噪声才是一个理想的检测系统。实验前，对所做的系统进行噪声测量，将电路放大倍数设置为最大增益倍数，示波器的耦合方式调到交流档，周期和幅值都调到较小的合适档位，电路在无光输入的情况下，用示波器观察检测系统的输出信号，得到如图4.1所示的噪声特性。由图4.1可知，电路噪声的峰－峰值约为3mV，这样低的噪声可以满足检测系统对噪声的要求。
4.2 光电检测系统实验测量结果
实验中采用了中心波长在1556nm附近的光栅进行实验，當温度改变光栅中心长时，光电检测系统的输出电压随波长变化的结果如图4.2所示。从测量结果看，当光栅中心波长在一定的范围内移动时，光电检测系统输出的电压值随着中心波长的变化呈现出较好的线性度。
5.结论
本文基于光纤光栅中心波长边沿解调原理，针对微弱信号检测中的检测精度和噪声问题设计了一种对微弱光电流信号的高精度检测系统。设计过程，从信号的特性出发，分析了影响检测精度的多种问题，并提出了相应的有效解决方法。理论分析和实验表明，该系统具有较高的精度和稳定性，能够实现对微弱信号的高精度检测。
参考文献
[1]李志全,许明妍,汤敬,陈颖,赵彦涛.光纤光栅传感系统信号解调技术的研究[J].应用光学,2005,26(4):36-41.
[2]张锦荣.基于光纤光栅的传感和解调技术研究[D].北京:北京邮电大学,2009.
[3]周金龙.新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究[D].厦门大学,200.
[4]李晓坤.精密光电转换电路设计方案[J].电子产品世界,2003.12(1):37-39.
[5]王林涛,李开成,张健梅.低噪声光电检测电路的设计和噪声估算[J].武汉理工大学学报,信息与管理工程版,2001.23(3):16-18.
[6]杨长杰.PCB板的电磁兼容与电流分布[J].安全与电磁兼容.SAFETY&EMC,2004,2(1):57-59.