盧艮萍，王強(qiáng)龍，李傳亮，王青獅，魏計(jì)林

(太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024)

在大氣痕量氣體的探測(cè)中，應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)就是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，它是利用激光器波長(zhǎng)調(diào)諧通過(guò)被測(cè)氣體的特征吸收區(qū)對(duì)光譜進(jìn)行直接吸收。直接吸收光譜就是以波長(zhǎng)為函數(shù)記錄被測(cè)氣體對(duì)入射光吸收的原形吸收線，由測(cè)量獲得的線性、線寬和強(qiáng)度可以計(jì)算出分子的吸收截面，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度，因此是一種不需定標(biāo)的直接測(cè)量技術(shù)。由于二極管激光光源是譜線非常狹窄的可調(diào)諧強(qiáng)光源，因此原則上TDLAS 不需要傳統(tǒng)光譜測(cè)量中所用的分光儀等復(fù)雜的光機(jī)設(shè)計(jì)。這項(xiàng)技術(shù)具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)以及非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)［1］。

但是直接吸收方法也有它的不足之處，就是探測(cè)器接收到的信號(hào)噪聲較大且難去除，背景信號(hào)和激光器自身的低頻過(guò)剩噪聲限制了可探測(cè)信號(hào)。另外一個(gè)不確定貢獻(xiàn)來(lái)自于信號(hào)在光路中的抖動(dòng)。為了抑制測(cè)量中的各種背景噪聲，本文應(yīng)用自平衡差分技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自平衡差分探測(cè)器［2］。該探測(cè)器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，具有很好的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)的原理圖及工作原理

自平衡差分探測(cè)方法包含兩路輸入，其中一路為經(jīng)過(guò)吸收池的信號(hào)光，對(duì)應(yīng)探測(cè)器輸出電流為Isig，另外一路為不經(jīng)過(guò)吸收池的參考光，對(duì)應(yīng)探測(cè)器輸出電流為Iref，如圖1 所示。自平衡探測(cè)器自帶電子增益補(bǔ)償機(jī)制，低頻反饋回路中的電壓信號(hào)積分后作為自平衡電路的誤差信號(hào)，再由減法電路自動(dòng)將兩個(gè)通道共有的噪聲信號(hào)消除，這樣輸出信號(hào)就將與吸收無(wú)關(guān)的大幅度直流部分扣除掉，留下的是反映吸收的微小信號(hào)，而且相關(guān)的背景噪聲、探測(cè)器噪聲和激光器光強(qiáng)起伏引起的噪聲也得到了抑制。

2 電路分析

電路由精密運(yùn)算放大器OPA2227 和匹配單片四晶體管芯片MAT04 組成。其中，OPA2227 實(shí)現(xiàn)了互阻放大器和積分器的功能。

信號(hào)光由光電二極管D1轉(zhuǎn)換成的電流為Isig，參考光由光電二極管D2轉(zhuǎn)換成的電流為Iref。自平衡差分技術(shù)不是用Isig與Iref進(jìn)行直接差分，而是用芯片匹配單片四晶體管MAT04 把Iref分成兩路電流I1和I2，用I2與Isig進(jìn)行差分。在探測(cè)過(guò)程中，當(dāng)I2與Isig不等時(shí)，通過(guò)OPA2227 組成的反饋回路改變電流I1與I2的相對(duì)大小，直到I2與Isig相等，這樣就達(dá)到了自動(dòng)平衡的目的。

圖1 自平衡差分探測(cè)器電路原理圖

2.1 互阻放大電路

圖2 所示為互阻放大器電路原理圖，它是由精密運(yùn)放OPA2227 和負(fù)載電阻構(gòu)成的。運(yùn)放的正向端接地，D1是接收信號(hào)用的光電二極管，反饋電阻R1決定增益的大小，Vbios是反向偏置電壓，它能夠提高光電管的線性度，減小結(jié)電容，增大電路帶寬［3］，能夠使D1產(chǎn)生的電流Isig，一路(I4)流向互阻放大器的負(fù)向端，一路(I3)流向MAT04。當(dāng)改變反饋電阻R1時(shí)，就改變了此電路增益。當(dāng)采用電壓反饋放大器時(shí)，在高頻時(shí)改變R1通常不影響電路的帶寬。這是由于閉環(huán)增益主要由輸入電容和反饋電容決定，使閉環(huán)增益與開(kāi)環(huán)增益可能在預(yù)定點(diǎn)相交。如果采用電流反饋放大器，當(dāng)改變R1時(shí)，就會(huì)改變電路的帶寬，使得電路的帶寬隨增益的變化而改變。另一方面，電流反饋放大器的反相輸入端電流噪聲要比電壓反饋放大器大。因此，本探測(cè)器中應(yīng)該采用電壓反饋放大器。

設(shè)照射到二極管的光功率為Pi，二極管的電流響應(yīng)度為Ri，則光電管產(chǎn)生的電流的大小為:

在理想的條件下，則互阻放大電路的輸出為:

圖2 互阻放大電路

2.2 積分電路

在電路中，由電阻R2、電容C 和放大器構(gòu)成積分電路［4］，如圖3 所示。其中輸入電壓Vin為互阻放大器的輸出電壓Vout1，通過(guò)調(diào)節(jié)R1或R2的阻值來(lái)控制積分回路的輸出電壓Vout2，從而控制MAT04 來(lái)改變I1與I2的相對(duì)大小。

此積分電路的輸出表達(dá)式為:

圖3 積分電路

2.3 自平衡電路

MAT04 中的三極管對(duì)管是整個(gè)自平衡差分技術(shù)的核心，I1與I2的大小調(diào)整就是靠它完成。圖4 所示為其電路原理圖。

根據(jù)電子學(xué)理論［5］，流過(guò)PN 結(jié)的電流I 與PN 結(jié)兩端的電壓U 之間的關(guān)系為:

其中，Is為反向飽和電流，UT稱為溫度電壓當(dāng)量，k 為玻爾茲曼常數(shù)，e 為電子電量，T 為溫度。在300 k 時(shí)，UT=26 mV。因此，流過(guò)MAT04 的管腳E1 的電流I1與流過(guò)管腳E4 的電流I2之比為:

Ub2為MAT04 的管腳B4 的電壓，它的大小與積分反饋回路的輸出電壓大小有關(guān)。

當(dāng)I2與Isig不等時(shí)，其差值通過(guò)互阻放大器和積分電路反饋來(lái)的電壓Vout2來(lái)控制Ub2，從而改變I1與I2的相對(duì)大小，直到I2等于Isig。

圖4 MAT04 工作原理圖

3 平衡差分技術(shù)使用特性

要獲得較為理想的效果，實(shí)際應(yīng)用自動(dòng)平衡差分技術(shù)的過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

1)信號(hào)光與參考光比值的選擇

在信號(hào)光與參考光大小的選擇上，我們應(yīng)該考慮以下兩方面的問(wèn)題:第一，為使參考光的一部分能與信號(hào)光相平衡，參考光強(qiáng)應(yīng)大于信號(hào)光強(qiáng)。第二，參考光強(qiáng)不能比信號(hào)光強(qiáng)大太多，以避免參考光強(qiáng)太大而可能使三極管飽和，不能實(shí)現(xiàn)所需的比例關(guān)系。根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的自平衡差分探測(cè)器，在信號(hào)光強(qiáng)適中并保持不變時(shí)，通過(guò)改變參考光的光強(qiáng)，確定信號(hào)光強(qiáng)與參考光強(qiáng)之比為6∶7。

2)光路改善

為了更好地消除共模噪聲，我們?cè)谔綔y(cè)器接收面的前端增加了一個(gè)聚焦透鏡，這樣就可以把信號(hào)光聚焦到探測(cè)器上，避免信號(hào)光散落到探測(cè)器接收面外而導(dǎo)致信號(hào)的丟失，使得探測(cè)器接收完全一致的信號(hào)光。除此之外，信號(hào)光與參考光的光程不能相差很大，太大會(huì)引起相位偏移。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用簡(jiǎn)單的自平衡探測(cè)方法有效地減小了激光器波長(zhǎng)等共模噪聲和其他通行干擾等影響，在一定程度上提高了氣體濃度檢測(cè)靈敏度。該方法簡(jiǎn)單直接，成本非常低，有著較為廣泛的影響。

［1］董鳳忠，闞瑞峰，劉文清，等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)及其在大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2005，22(3) ：315－325.

［2］黃湘寧.光電探測(cè)器的噪聲分析［J］.青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(4) ：48－50.

［3］樊振方，羅輝.互阻放大器帶寬計(jì)算方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(34) ：90－93.

［4］李奎芳，李太全.平衡取樣積分電路分析及應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3) ：34－37.

［5］童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第4 版.北京：高等教育出版社，2010.