基于单片机的采用音叉斩波技术的微弱激光探测系统

我们采用光电探测器作为系统的光电转换元件,利用音叉进行机械斩波，使入射的恒定(或缓变)光信号直接转化为受调制的交流电信号,对其先进行交流耦合放大，克服了用光电探测器的随温度漂移的影响，再进行锁相放大，用单片机对系统的模拟输出信号进行数据采集,并进行非线性补偿,克服了一般微光探测系统的缺点。该系统具有结构简单、使用方便等特点。

系统设计

微光探测系统主要由内调制光电探测器、信号处理系统和单片机补偿系统组成。其总体结构如图1所示。

图1 微弱激光检测系统总体原理框图

温控电路系统

由于温度变化对光电探测器存在着影响，所以我们利用了桥式电路，通过铂电阻采集温度信号进行与设定值进行比较，从而利用半导体制冷器对光电探测器进行主动控温，温度控制在+10_C ，控制精度为0.5 _C。这样大大减小了光电探测器随着温度变化带来的负面影响。

信号采集和信号调理系统

首先选取光电探测器作为光电转换器件,通过有电感三点式起振带动音叉的谐振，从而实现了对入射微弱激光的斩波调制,可将入射的恒定(或缓变)光信号转化为受调制的交流电信号。然后通过交流耦合，滤除了直流和低频温漂噪声，从而克服了因温度漂移给系统带来的影响。实际设计中系统的信号处理部分包括前置放大器和AD630芯片的锁相放大。 前置放大器将探测器输出的微弱交流电信号进行预放大。ADI公司的AD630芯片，可以根据该公司提供的器件手册很容易组成一个锁相放大器，该电路能够实现从+100dB噪声中提取出信号，本设计就是利用该电路进行提取微弱信号，参考信号从谐振线圈的中心抽头引出，然后通过移相后作为锁相放大器的参考信号，这样实现了对给定频率的交流信号进行放大而大大抑制其他频率的噪声信号，从而得到与光强成正比的电压信号,并将此信号交由单片机系统进行非线性补偿。

单片机系统设计

在微弱激光检测系统实际应用中,发现激光较强或较弱时,信号处理电路输出信号的非线性度有一定程度的增加,使输出线性度变差,影响了系统测量的动态范围及测量精度。为此,我们采用单片机系统对其输出信号进行数据采集并做线性补偿。单片机系统的框图如图2所示。

图2 单片机补偿和显示系统硬件框图