激光外差玻璃厚度测量系统检测电路的设计

摘要：为了检测激光外差玻璃厚度测量系统中的激光外差信号，介绍了激光外差玻璃测厚系统测量原理，通过对几种光电检测电路性能特征进行分析，设计出适合本系统光电检测电路，为激光外差检测提供了一种单元模块电路。
关键词：激光外差技术；激光外差测厚原理；光电检测电路；元件参数设计

    目前，激光外差技术在激光通信、雷达、测距、测速、测振等方面有了广泛的应用。在玻璃厚度测量方面，激光外差测量技术以其具有分辨率高、精度高、线性度好、动态响应快、在线非接触测量的优点，逐渐开始取代传统的测量方法。在激光外差玻璃厚度测量系统中光外差信号是弱光电信号，其含有大量背景光噪声和其它多次谐波成份，怎么从中提取光外差信号，光电转换电路就显得尤为重要，其往往是决定系统成败的关键。

1 激光外差玻璃测厚系统原理
    测量系统中应用了激光多普勒效应和激光外差测量技术，系统测量原理如图1所示。

    激光器S发出的激光，经平面镜K、半透镜L反射到多普勒振镜，振镜振动产生多普勒效应使得激光变频，变频后的激光由振镜反射后透过半透镜L垂直照射于待测玻璃表面。由于激光在不同时刻的频率不同，所以激光在玻璃前表面反射的光场，与其前一时刻在后表面反射后到达前表面的光场因频率不同而发生混频，产生差频信号，由半透镜L反射后，与从平面镜K反射后透射过半透镜L的本振光一起到达光电转换器，光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，该信号包括待测的差频信号及其它欲抑制信号(激光本振信号、和频信号和噪声)，其中本振信号与和频信号频率较高，超出光电二极管的频率响应范围，因此在接收电路中，只需要利用滤波器的带宽控制在中频信号范围内，即可检测到差频信号。该差频信号含有玻璃板的厚度信息，差频信号的频率为，其频率与待测玻璃厚度成正比，比例系数与光源频率、玻璃板折射率以及振镜常数有关，当光源频率、玻璃板折射率以及振镜常数确定，为常数。根据频率差与玻璃厚度的关系，只要测得差频信号的频率，就能计算得到玻璃厚度，光电模块检测到光外差信号后，经滤波、放大整形后送单片机处理得到玻璃厚度。
    从上面系统可知，激光经过多次反射、透射衰减严重，待检测的信号是弱光信号。在此针对光场混频后的差频信号来研究该信号的检测电路。

2 光电检测电路
2．1 PIN工作模式
    PIN型光电二极管与普通二极管的区别是：普通二极管PN结薄，而PIN型光电二极管的PN结厚，从而使空间电荷区距离加宽，结电容变小。优点是频带宽，噪声低，不足的是管子的输出电流小，一般只有几微安。其一般有两种工作模式：光伏模式和光导模式，图2是光伏模式，在光伏模式下，PN结处于零偏，光电二极管线性度非常好；图3是在光导模式，在光导模式下，PN结处于反偏，光电二极管频率特性较
好，切换速度快，但线性度差。在激光外差玻璃厚度测量系统中，待检测信号经过反射，透射衰减严重，到光电接收器已十分微弱，噪声(背景光，光电二极管自身的暗电流等)直接影响到差频信号的检测质量，因此，在光电转换模块设计时采用抗噪声能力强及自身暗电流小的光伏模式。

2．2 检测电路设计
    在激光玻璃厚度测量系统中，信号通常淹没在噪声中，在光电检测电路设计时，主要考虑电路的抗干扰能力，其次满足信号增益前提下，使带宽为尽量小。基于光伏模式的光电检测电路有以下几种变形电路。

    第一种光电转换电路如图4所示，在光伏模式的基础上，集成运放的同相端串联电阻R2来消除集成运放同相，反相不平衡造成的偏压误差，使R2=R1。这种电路的不足之处是电阻R2会产生热噪声，可在R1给并联电容Cs、R2给并联电容C2以减小噪声频带，另外偏置电流在R2上产生压降，滋生PIN管暗电流，此时选用集成运放偏置电流越小越好，一般选pA级的运放。

    第二种光电检测电路如图5所示，在光伏模式的基础上，用由R1、R2、R3(阻值均较小)3个电阻构成T型电阻网络来代替反馈电阻R，电路优点电阻的寄生电容的影响小，信号频带宽度较大，原因是用小阻值电阻组成的T型电阻网络代替大阻值的反馈电阻R，T型电阻网络RT=R1+R2 +R1R2／R3；缺点是电路的噪声较大，精度较差，原因是集成运放的电压噪声及电阻、偏移电压、都被T型电阻网络放大了1+R2／R3倍，而R2／R3>>1。

    综合上面两种检测电路的优点，文中设计的光电检测电路如图6所示，电路在集成运放的输出端加一个RC滤波器，滤掉经过集成运放放大的噪声，同时限制了放大器输出信号的带宽，在集成运放反相端与输出端并联电容Cf1用来补偿PIN光电二极管结电容引起的相位滞后，控制噪声增益峰值，电容Cf1用来补偿RC滤波环节引起的相角滞后。

3 电路主要元件参数设计
3．1 光电二极管的选择
    根据检测信号的特点，选择光电器件噪声要低，此设计选择PIN型光电二极管，其具有响应速度最快，光电响应线性好，光谱响应波段为400～1 100 nm；暗电流噪声最低，且其价格低廉、驱动电压低、体积小等优点，因此适合本设计中弱光信号检测。
3．2 运放的选择
    在选用运放时，应选用低噪声、输入失调电流小的运放，选择在敏感噪声频段CMRR较高的运放。本设计采用了OP07或OP27型号的运放。
3．3 其他元件的选择
    电路中电阻，电容的参数选择时，应该考虑信号的频率补偿、噪声特性及增益带宽，所以电阻选择精度高，噪声系数小的金属电阻，电容选择损耗角小的云母电容。令RC=RfCf1，C=Cf1=Cf2，则：
   
    一般在Q=0．5，fo小于150 kHz时Cf和Cd值比较接近，电路具有很好的响应特性和噪声特性，由(1)，(2)式计算得：Cf=1nF，Rf=2MΩ，R=1 kΩ。

4 结束语
    激光外差检测电路是一种基于单元电路总体集成设计的电路，具有成本低、检测精度高、线性度好、动态响应快等优势。通过对电路分析，并在万能板安装测试表明：其完全适用玻璃厚度测量系统差频信号的检测，但该检测电路输出的信号还十分微弱，仍含有其它干扰成份，还需要经滤波，放大整形处理后，数据处理模块才能识别。