陶冶博，沈旭東，雷英棟

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

0 引言

光電感煙探測(cè)器作為應(yīng)用較為廣泛的一種感煙火災(zāi)探測(cè)器，它的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)是響應(yīng)閥值。根據(jù)GB4715-2005要求感煙探測(cè)器的響應(yīng)閥值檢測(cè)時(shí)，需要測(cè)量光輻射強(qiáng)度[1]。傳統(tǒng)方法使用雪崩光電二極管測(cè)量光輻射強(qiáng)度時(shí)，存在由電壓紋波、溫度漂移、運(yùn)算放大器偏置電壓與偏置電流導(dǎo)致的測(cè)量誤差的問(wèn)題[2]。

為解決上述問(wèn)題，通常將信號(hào)先調(diào)制成交流，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到更高信噪比的被測(cè)信號(hào)。但是用于提高信噪比的帶通濾波器要求窄帶寬和高Q值，這往往很難實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，利用鎖定放大技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題[3-6]。

鎖定放大技術(shù)抑制噪聲主要有3個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)：

（1）用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率0ω處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)1/f噪聲的不利影響。

（2）利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，可以同時(shí)利用頻率0ω和相角θ進(jìn)行檢測(cè)，噪聲和信號(hào)同頻又同相的概率很低。

（3）用低通濾波器而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻率寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。

把鎖定放大技術(shù)應(yīng)用到感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量中的少有論文討論過(guò)。本文研究鎖定放大技術(shù)對(duì)感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量效果的改善很有意義。

1 鎖定放大技術(shù)原理以及感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量原理

■1.1 鎖定放大技術(shù)原理

雙相鎖定放大器基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示，包括信號(hào)通道X(k)、正弦及余弦參考通道、相敏檢測(cè)器(PSD)、低通濾波器(LPF)和幅值及相位計(jì)算模塊幾部分組成。

圖1 雙相鎖定放大器基本結(jié)構(gòu)

可以看出，信號(hào)和噪聲都發(fā)生了頻譜的遷移，定義(3)兩式子中第1，3項(xiàng)為和頻項(xiàng)，第2，4項(xiàng)為差頻項(xiàng)。

對(duì)結(jié)果（式 (3)）進(jìn)行理想低通濾波處理后，和頻項(xiàng)全部被濾除，假設(shè) ωn=ω0不成立，則輸出為：

對(duì)式 (4)進(jìn)行如下運(yùn)算，即可得到信號(hào)的幅值和相位：

■1.2 感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量原理

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，光電探測(cè)器的響應(yīng)閥值，即探測(cè)器報(bào)警時(shí)刻的煙濃度，用減光系數(shù)m值表示，利用光束受煙粒子作用后，光輻射能量按照指數(shù)規(guī)律衰減的原理測(cè)量煙濃度。減光系數(shù)m可用下式表示[7]：

式中m表示減光系數(shù)，單位為db/m，d表示測(cè)量光路的長(zhǎng)度，單位為m，P0表示無(wú)煙時(shí)接收的輻射功率，單位為W，P表示有煙時(shí)接收的輻射功率，單位為W。

2 方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證鎖定放大技術(shù)對(duì)感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量結(jié)果的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量裝置，裝置的系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括：雪崩光電二極管、雪崩光電二極管驅(qū)動(dòng)電路、鎖定放大電路、24位ADC、905nm紅外發(fā)射裝置、單片機(jī)及顯示。

圖2 感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量裝置系統(tǒng)框圖

905nm紅外發(fā)射裝置用于產(chǎn)生905nm功率為20mW的基準(zhǔn)紅外光；雪崩光電二極管用于檢測(cè)紅外光的輻射功率，雪崩光電二極管驅(qū)動(dòng)電路包括高壓電源和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，高壓電源用于提供給雪崩光電二極管反偏電壓，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將雪崩光電二極管的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓值。鎖定放大電路采用ADI公司的AD630芯片實(shí)現(xiàn)鎖定放大，然后通過(guò)4階巴特沃斯低通濾波器后，進(jìn)入24位ADC采集。紅外發(fā)射裝通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻率控制，該控制信號(hào)同時(shí)作為鎖定放大器的參考信號(hào)。感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量裝置實(shí)物如圖3所示。

圖3 感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量裝置實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)與對(duì)比

為了驗(yàn)證鎖定放大技術(shù)對(duì)感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量結(jié)果的影響，本文設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

■3.1 使用鎖定放大技術(shù)

將紅外發(fā)射裝置和雪崩光電二極管相對(duì)位置固定，使用該裝置進(jìn)行24次等精度測(cè)量，并將測(cè)得的結(jié)果記錄，如圖4所示。

圖4 使用鎖定放大技術(shù)的等精度測(cè)量數(shù)據(jù)

由于測(cè)量誤差的存在，被測(cè)量的真值難以確定，測(cè)量結(jié)果帶有不確定性。測(cè)量的不確定度是評(píng)定測(cè)量結(jié)果質(zhì)量高低的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果質(zhì)量高低的評(píng)估。A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可采用以下方法計(jì)算得到：

在同一條件下，對(duì)被測(cè)參量x進(jìn)行n次等精度測(cè)量，測(cè)量值為 xi(i = 1 ,2,… ,n )。該樣本數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為：

進(jìn)而可以算出算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差為：

通過(guò)計(jì)算可得該組數(shù)據(jù)的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為26005uV。

將A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度除以測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值獲得相對(duì)不確定度為1.05%。

■3.2 不使用鎖定放大技術(shù)

將感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值測(cè)量裝置中的鎖定放大器部分去除，并讓紅外發(fā)射裝置一直處于發(fā)射狀態(tài)，測(cè)量裝置的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 不使用鎖定放大技術(shù)的測(cè)量裝置系統(tǒng)框圖

使用該裝置進(jìn)行24次等精度測(cè)量，并將測(cè)得的結(jié)果記錄，如圖6所示。

圖6 使用鎖定放大技術(shù)的等精度測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)計(jì)算可得該組數(shù)據(jù)的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為657073uV，相對(duì)不確定度為30.55%。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可得：使用鎖定放大器后相對(duì)不確定度由30.55%改善至1.05%。

4 結(jié)論

在感煙火災(zāi)探測(cè)器響應(yīng)閥值檢測(cè)的應(yīng)用中，針對(duì)使用雪崩光電二極管測(cè)量光輻射強(qiáng)度時(shí)，存在由電壓紋波、溫度漂移、運(yùn)算放大器偏置電壓與偏置電流導(dǎo)致的測(cè)量誤差的問(wèn)題。通過(guò)采用微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中的鎖定放大技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述誤差的抑制。本文制作了實(shí)物樣機(jī)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比使用鎖定放大技術(shù)和不使用鎖定放大技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)表明所用平臺(tái)使用鎖定放大技術(shù)可以將測(cè)量的A類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度從30.55%減小至1.05%。

本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了使用鎖定放大技術(shù)可以大幅度提高測(cè)量光輻射強(qiáng)度時(shí)的測(cè)量精度。

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