一種激光粒度儀的微弱光電信號測量系統設計

王天驕　姜洋

摘要：目前微弱信號檢測方案很多，大都采用差分對消、多級放大等方案[1]，甚至采用集成內部保護環的高精度運放芯片來實現fA級別微弱信號的測量；由于運放跨阻電路跨阻的限制，這些方案必須要采用每個通道集成一個運放跨阻放大的方案，使得只能測量動態范圍較小的電信號，無法實現大動態范圍光電信號的測量[2-3]；在油田回注水懸浮顆粒物檢測課題中要求檢測系統實時檢測，由于油田管道限制要求設備直徑在38mm內，因此無法采用多通道信號并行測量方案，在這個背景下，該文設計了一個多通道串行測量方案，不但節省了采集系統的硬件空間，同時實現了大動態范圍的光電信號測量，不但能測量0.1uA級的小信號，同時能測量中心探測器的1000uA級的大信號。

關鍵詞： 微弱信號； 動態范圍； 串行

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0247-02

1 概述

激光粒度儀是一種先進的精密測量儀器，它具有速度快，精度高等特點，它的測量原理是基于米式散熱理論。在激光粒度儀中，光學系統的末端是一個由一系列同心環帶組成的光電探測器，每一個環帶都是一個獨立的探測器，能夠將前端光學系統的散射光線線性的轉換成32路電流（31路環帶和1路中心心探測器產生的），然后通過IV轉換電路轉換成電壓，再通過A/D采樣送入計算機，通過計算機上的采用米氏散射理論的應用程序進行處理，把散射普的空間分布反推出顆粒大小的分布，從而達到測量目的[4]。整體結構框圖如下圖所示。

2 電路系統設計

本系統的電路結構框圖如下圖所示，由多路選通模塊、運放IV轉換電路、濾波、A/D數據采集等四部分模塊構成。如圖2所示。

第一部分為多路選擇階段，將光電探測器32個環路信號進行逐個選通，逐一送入IV轉換電路，多路選擇開關采用ADG732[5]，可以單電源供電，具有4Ω較低的導通電阻，同時漏電流最大只有1nA，良好的特性完美滿足粒度儀的精度要求；

第二部分是可變量程I/V轉換階段。此階段設置了8個放大倍數對前級的輸入電流進行選級電壓轉換，選擇的依據是多路模擬開關逐一分別選通閉合，當輸出電壓超出運放的軌輸出時，所選的放大級就向小變換1級，直到輸出電壓在電壓軌之內，此階段的主要特性是飽和判別特性，由此確定跨阻放大倍數。如圖3所示。運放采用了ADI的ada4530，它具有極低的輸入偏置電流（最大值只有20fA）和低失調電壓（最大值50uV），同時集成了防護緩沖器，達到了靜電計級別；

第三部分是在運放采集前進行簡單的RC濾波，避免高頻干擾；

第四部同時模擬地數字地隔離以提高電路信噪比[6]。

3 實驗

激光粒度儀測量系統實物如圖4所示。

將標準液放入樣品池，打開激光器進行試驗，將其中三環數據直接發送到計算機串口調試助手。試驗數據如表1所示。

4 結論

本文介紹了應用于油田回注水懸浮顆粒物檢測的激光粒度儀的大動態范圍的光電信號測量方案，并進行了電流測量試驗，結果表明了本系統可以通過變換量程進行1uA到1000uA電流范圍的測量，并具有重復性。在小信號測量時，擁有0.1uA的精度，但是在大信號測量時，只有1uA的精度。

參考文獻：

[1] 蔣凡偉. 在線式激光礦漿粒度儀的研究與開發[D].華北理工大學，2015.

[2] 劉翠翠. 基于組合頻譜的激光粒度測試優化技術研究[D].河北工業大學，2014.

[3] 范存志. 多通道數據采集系統研制與測試[D].濟南大學，2013.

[4] 李亮. 智能激光粒度儀的研制[D].濟南大學，2013.

[5] 李麗. 激光粒度儀自動控制系統設計[D].濟南大學，2012.

[6] 李春雨. 嵌入式激光粒度儀數據采集系統研究[D].河北工業大學，2015.endprint