新型光電線路檢測的設計

劉紅梅

摘要 光電檢測線路能將許多影響光亮或光特性的非電量，例如轉速、溫度、壓力等進行檢測，輸出可識別的信號。該種電路廣泛用于民用、軍事、農業等領域。本文對光電檢測電路的設計進行探討。

【關鍵詞】光電檢測線路 光電元件 前置放大

1 前言

1860年，英國物理學家麥克斯韋建立了電磁理論，認識到光是一種電磁波。1905年，德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

2 光電檢測技術

光電檢測技術即是利用基于光電效應原理的光電子器件件完成對一切能夠引起光信號的變化的非電被測量進行檢測，獲取可識別的電信號完成對民用、工礦企業、軍事等多領域對象的控制。

光電檢測技術是結合了電子技術和光學技術兩者特性的一種新型技術，具有精度高、反應快、非接觸等優點，加之新光源、新光電器件的不斷涌現，使光電技術重新煥發了青春，滲透到生產、生活的各個領域，成為遙控技術和信息傳輸技術不可或缺的重要技術，在檢測和控制領域具有十分巨大的發展潛力。

3 新型光電檢測的設計

光電檢測技術的核心部件即是光電子器件，它包括三類元件：光電轉換元件、電光轉換元件及兼具二者特性的光電耦合器件，本文主要研究由第一類元件即光電轉換元件構成的光電傳感器檢測線路。

一個完整的光電檢測系統主要由光電變換（光電傳感器）及信號處理兩部分組成，簡單地說就是由光路和電路兩部分組成，其結構框圖如圖1。

光電傳感器主要由光源、光學通路和光電元件三部分組成。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化（被測量的變化引起的光信號的變化可以是光源的變化、也可以是光學通路的變化、或者是光電元件的變化），然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號（電壓、電流、電荷、電阻等）。

信號處理電路則是將傳感器輸出的信號濾除噪聲和干擾并進行放大，使之成為可識別的的優化信號并對其存儲、顯示進而去控制被控對象。

在光電檢測線路中，光電轉換是它的關鍵核心。它決定著光電檢測線路的靈敏度、精度、動態響應迅速與否等，常用的光電元件有基于外光電效應的光電管和基于內光電效應的光電二極管、光電三極管、光敏電阻等，本文采用PIN型光電二極管，整個光電檢測系統由八部分組成，其結構如圖2所示。

光電耦合器件是將發光元件和光敏元件合并使用，以光為媒介實現信號傳遞的光電器件。發光元件通常采用砷化鎵發光二極管，它由一個PN結組成，有單向導電性，隨正向電壓的提高，正向電流增加，產生的光通量也增加。光敏元件可以是光敏二極管或光敏三極管等。光電耦合器件在這里作為電量隔離轉換器，它具有抗干擾功能和單向傳輸功能，以利于緊隨其后的光電轉換元件接收有用的反映被測信號變化的光信號。

在本文設計的檢測線路中，光電轉換元件采用的是PIN型光電二極管。PIN型光電二極管也稱PIN結二極管、PIN二極管，它是在兩種半導體之間的PN結，或者半導體與金屬之間的結的鄰近區域，在P區與N區之間摻雜一層濃度很低的N型區域，由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導體，故稱I層，因此這種結構稱為PIN光電二極管。I層較厚，幾乎占據了整個耗盡區。絕大部分的入射光在I層內被吸收并產生大量的電子.空穴對。在I層兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光產生電流中漂移分量占了主導地位，這就大大加快了響應速度。因此，PIN二極管具有頻帶寬（可達10GHz）、靈敏度高、線性輸出范圍寬、噪聲低等特點。

前置放大電路緊靠光電元件PIN二極管，及時對光電元件輸出的微弱電信號放大，另外對光電元件輸出信號的非線性性有一定的改善，同時使后置處理電路與光電元件之間的阻抗匹配。

濾波電路則是測量系統排除干擾，抑制噪聲常用的方法。

差分放大電路又稱差動放大電路，它的輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比，能很好地放大差模信號又能很好地抑制共模干擾（如溫度影響這一電子器件的共同弱點，以及背景光輻射等外部干擾）對測量系統的影響，提高了測量系統的靈敏度和線性度。本設計中采用差分式前置放大電路，其電路結構圖見圖3。

當然，該光電檢測線路在一些細節上還需進一步完善，如在上述差分放大電路中采用雙電源運放，在電源引入端串接小容量電容高頻濾波，在R3端并接旁路電容等。

參考文獻

[1]孫梅，高立兵，電子技術[M].山東：中國石油大學出版社，2014.

[2]陳曉軍.傳感器與檢測技術項目式教程[M].北京：電子工業出版社，2014.