應用于光散射技術中的光電探測器設計

孔雁凱，朱 杰，王 超

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051;3.北華航天工業學院，河北 廊坊065000)

0 引 言

光電檢測技術是光學與電子學相結合的檢測技術，它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、存儲、控制、計算和顯示［1］。以光電轉換電路為核心的光電檢測技術已經被廣泛地應用到軍事、工業、農業、環境科學、醫療和航天等諸多領域。光散射技術就是一種重要的光電檢測技術。

光散射技術在高分子科學中的應用已經比較成熟，合成高聚物和生物大分子的許多重要性質通過靜態光散射和動態光散射來測定。在靜態光散射中，通過測定時間平均散射光強的角度和濃度的依賴性，可以精確地得到高聚物的重均分子量Mw、均方旋轉半徑R2gz和第二維里系數A2［2］。但散射光經二極管轉換成的電信號一般比較微弱，很容易受到噪聲的干擾，在設計檢測電路時要盡量減小噪聲，提高系統信噪比和檢測精度。基于以上原因，本文設計了一種具有高信噪比光電轉換電路，微弱的電信號通過前置放大電路，濾波電路，主放大電路后，得到了V 數量級的電壓信號。經實驗驗證:該設計能夠有效降低噪聲，而且有很好的穩定性，可以很好地完成靜態散射光強的測量。

1 光散射的基本原理

當一束光沿著入射方向照射到聚合物稀溶液時，光束中聚合物分子在光的電磁波作用下極化，形成誘導偶極子，這些振動的偶極子成為二次波源，向各個方向發射出電磁波。在純凈的均勻介質中，這些次波相互干涉的結果使光線只能在折射方向上傳播，而在其它方向上則相互抵消，所以，沒有散射光出現。但當均勻介質中摻入進行著布朗運動的微粒后，或者體系由于熱運動而產生局部的密度或濃度漲落時，就會破壞溶劑次波的相干性，而在其它方向上出現散射光［3］。

光散射技術以光散射理論為基礎，通過檢測散射光強度，然后利用相應的理論公式進行數據反演，從而得到散射體的一些重要特性。

光散射技術之所以能在很短的時間內獲得廣泛的應用，因為與其它測量方法相比具有如下顯著的優點［4］:粒徑測量范圍寬，從幾個納米到上千個微米;測量速度快，光電轉換的時間非常短(約10－8s)，同時還具有適用性非常廣、測量準確等特點。

2 電路設計

光電檢測器所接收的信號一般非常微弱，而且光檢測器輸出的信號往往和噪聲混合在一起，所以，要求信號先后通過前置放大電路、濾波電路、主放大電路，從而使輸出幅度符合后續數據采集［5］。光電檢測組成框圖如圖1 所示。

圖1 光電轉換電路模塊結構框圖Fig 1 Structure block diagram of photoelectric conversion circuit module

2.1 前置放大電路

光電二極管在受到光照時，會產生與照度呈正比的微弱電流，因此，它是比較好的光電敏感元件。光電二極管一般有兩種工作模式:光伏模式和光導模式。圖2 為兩種偏置模式的偏置電路。

圖2 光電二極管的工作模式Fig 2 Operating mode of photodiodes

在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作;在光導模式時，光電二極管可實現快速切換，但要犧牲一定的線性。事實上，在反偏置條件下，即使無光照.仍有一個很小的電流(稱為暗電流或無照電流)。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲。一般情況下，光電檢測電路中被測信號比較微弱，因此，暗電流的影響一般非常明顯［6］。考慮到本設計中待測信號比較微弱，降低噪聲干擾成為電路設計的關鍵，所以，依據低噪聲光電檢測設計的基本原則，電路選擇光伏模式。圖3 為前置放大電路原理圖。

其中，光電二極管選用的是日本濱松公司的S1226 系列的S1226—4BQ。這一型號的光電二極管感光面積比較大，為3.6 mm×3.6 mm，最大噪聲電流為10 pA。前置放大器選用AD549，它具有極低輸入偏置電流和低輸入偏置電壓，1015Ω 的共模輸入阻抗和低噪聲低溫漂特性，因此，特別適合作敏感的光電二極管的前置放大器。光電二極管產生的微弱電流通過反饋電阻器Rf(1 GΩ)形成壓降，從而完成電流到電壓的I/V 前置放大轉換。C1(10 pF)與Rf并聯構成低通濾波電路，其上限截止頻率為1/(2πRfC1)，通過濾波可以有效提高信噪比，同時還可以防止電路振蕩。R8，R9 和R 10組成了AD549 前置放大器的調零電路。電容器C2 和C4 用于濾除電源波動。

圖3 前置放大電路Fig 3 Preamplifier circuit

2.2 一級放大電路

為了使電路有良好的信噪比，需要對信號進行濾波處理以確保測量的精確。利用示波器對前置放大電路輸出信號觀測，發現干擾信號主要是50 Hz 的正弦波。

初步分析干擾信號為工頻輻射，因此，設計了如圖4 的低通有源濾波電路。

圖4 低通有源濾波電路Fig 4 Low pass active filtering circuit

該電路中，運放選擇的是OP07，它是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極型運放，同時OP07 具有較低的失調電壓漂移和高開環增益，因此，它特別適合用于高增益的測量設備和放大傳感器輸出的微弱信號。該濾波電路的上限截止頻率為1/(2πR4C5)。實際上，該電路利用了積分電路的低通特性。由于積分電路當頻率趨于零時電壓放大倍數趨于無窮大，故在電路中電容器C5 上并聯了一個電阻器R4 組成負反饋網絡，使得當頻率趨于零時電路的放大倍數取決于電阻組成的負反饋網絡而不是無窮大。令信號頻率為0，可得到通帶放大倍數為

因此，該電路不但有濾波功能，而且對信號有放大功能，所以，如果接收的光信號比較強，從Out1 口就可以得到幾百毫伏到幾伏的電壓輸出。

2.3 二級放大電路

因為不同粒度的微粒散射光強度不同，粒度小的散射光的光強十分微弱，產生的電信號較小，為了達到后續處理需要的幅度，需要對電信號進行二次放大，因此，設計了如圖5 的二級放大電路。

圖5 二級放大電路Fig 5 The secondary amplifier circuit

考慮到濾波電路未濾凈的干擾信號可能被再次放大，影響二級輸出信號的信噪比，所以，加了電容器C3，使電路增加了濾波功能。該電路實際上是一級RC 無源低通濾波電路的輸出端加上了一個同相比例放大電路，使之與負載很好地隔離開來，就構成了一個簡單的帶同相比例放大電路的一階有源低通濾波電路，由于同相比例放大電路的輸入阻抗很高、輸出阻抗很低，因此，其帶負載能力很強。

2.4 電路中的噪聲分析與處理

信號中的噪聲主要來源于兩方面:電路本身的噪聲和外部噪聲。電路本身噪聲主要是電學器件的噪聲，包括光電二極管的熱噪聲和散粒噪聲以及暗電流的影響［7］，此外還有其他電阻器等元件的溫漂等。而本設計中的光電二極管采取的是無偏壓的工作方式，有效地減小了暗電流。其他的元器件采用的都是低噪聲低溫漂特性的，通過這些措施解決了電路本身噪聲的影響。

外部噪聲包括輻射的隨機波動和附加的光調制、光路傳輸介質的湍流、背景起伏、雜散光的入射、振動、電源的波動及檢測電路所受到的電磁干擾等.為了改善或消除這些噪聲，實驗時提高了電源的穩定度，穩定了輻射光源，遮斷了雜光。而對于電路中的主要噪聲源，即50 Hz 的工頻干擾，采取了濾波處理。

3 實驗測試

3.1 測試流程

測試實驗示意圖如圖6，實驗流程如下:

1)激光發射器發射的678 nm 的紅光經過中性密度衰減片，由樣品槽上的細孔a 射到c 處的裝有甲苯溶液的樣品瓶，透射光由b 孔射出。

2)在d 孔處安裝光電轉換電路接收甲苯溶液的散射光，并用示波器和萬用表觀測電路輸出的電壓信號的波形和大小，記錄數據。

3)更換不同透射率的中性密度衰減片來改變入射光強度，然后重復(1)，(2)步驟操作流程。

圖6 測試實驗示意圖Fig 6 Schematic diagram of testing experiment

圖7 為一些主要裝置實物照片。

圖7 激光器和樣品槽Fig 7 Laser and sample cell

實驗中，以改變衰減片的透射率來來改變散射光光強，得到數據的相當于輸出電壓對光強的響應。

重復2 次實驗，數據記錄如表1。

表1 數據記錄表Tab 1 Data record sheet

3.2 測試結果分析

理論上，輸出電壓和散射光光強呈正比，這是由光電二極管的響應特性和工作方式決定的。因為本設計中光電二極管是光伏工作模式，所以，理論上講光電二極管應該非常精確的線性工作［5］。

利用Origin 軟件對表1 數據擬合得到圖8，由圖可知，響應曲線的線性度比較好，而且2 次實驗數據的重復度也比較高，說明電路所選的光電二極管可以比較好的線性工作，滿足光電檢測要求。

造成部分點偏差比較大可能是如下原因:甲苯溶液中的散射體不均勻而且是流動的，對散射光的強度影響比較大;衰減片本身存在5%的誤差;每次安裝衰減片時，衰減片平面未必與入射光成精確的90°角;光電轉換電路中的光電二極管安裝到樣品槽上時存在角度偏差。

圖8 實驗數據擬合曲線圖Fig 8 Experimental data fitting curve

經過濾波后，測量輸出電壓的交流分量在2 mV 以下，如圖9。這說明50 Hz 的工頻干擾信號被濾波電路有效地濾掉了。此外，通過示波器觀測輸出可知，輸出信號為穩定的直流電壓信號，如圖10，與理論推測相符合。由此說明，經過對電路本身噪聲和外部噪聲的處理，使得光電轉換電路獲得了較高的信噪比。

圖9 輸出電壓的交流分量Fig 9 AC component of output voltage

4 結束語

本文完成了光電探測器的設計，搭建了靜態散射光強測量的實驗環境，對光電探測器進行了測試和數據分析，并在實驗數據的基礎上，對電路應用的可行性和噪聲來源進行了分析，給出了降噪的方案。實驗結果表明:該設計滿足靜態光散射實驗中測試要求，在研究合成高聚物和生物大分子等高分子科學中有很好的應用前景。

圖10 輸出電壓波形圖Fig 10 Waveform of output voltage

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