鎖定放大技術(shù)在感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量中的應(yīng)用

陶冶博，沈旭東，雷英棟

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

0 引言

光電感煙探測器作為應(yīng)用較為廣泛的一種感煙火災(zāi)探測器，它的一項重要的性能指標(biāo)是響應(yīng)閥值。根據(jù)GB4715-2005要求感煙探測器的響應(yīng)閥值檢測時，需要測量光輻射強度[1]。傳統(tǒng)方法使用雪崩光電二極管測量光輻射強度時，存在由電壓紋波、溫度漂移、運算放大器偏置電壓與偏置電流導(dǎo)致的測量誤差的問題[2]。

為解決上述問題，通常將信號先調(diào)制成交流，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到更高信噪比的被測信號。但是用于提高信噪比的帶通濾波器要求窄帶寬和高Q值，這往往很難實現(xiàn)。在這種情況下，利用鎖定放大技術(shù)可以很好地解決上述問題[3-6]。

鎖定放大技術(shù)抑制噪聲主要有3個基本出發(fā)點：

（1）用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率0ω處，再進(jìn)行放大，以避開1/f噪聲的不利影響。

（2）利用相敏檢測器實現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以同時利用頻率0ω和相角θ進(jìn)行檢測，噪聲和信號同頻又同相的概率很低。

（3）用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻率寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。

把鎖定放大技術(shù)應(yīng)用到感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量中的少有論文討論過。本文研究鎖定放大技術(shù)對感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量效果的改善很有意義。

1 鎖定放大技術(shù)原理以及感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量原理

■1.1 鎖定放大技術(shù)原理

雙相鎖定放大器基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示，包括信號通道X(k)、正弦及余弦參考通道、相敏檢測器(PSD)、低通濾波器(LPF)和幅值及相位計算模塊幾部分組成。

圖1 雙相鎖定放大器基本結(jié)構(gòu)

可以看出，信號和噪聲都發(fā)生了頻譜的遷移，定義(3)兩式子中第1，3項為和頻項，第2，4項為差頻項。

對結(jié)果（式 (3)）進(jìn)行理想低通濾波處理后，和頻項全部被濾除，假設(shè) ωn=ω0不成立，則輸出為：

對式 (4)進(jìn)行如下運算，即可得到信號的幅值和相位：

■1.2 感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量原理

根據(jù)國標(biāo)要求，光電探測器的響應(yīng)閥值，即探測器報警時刻的煙濃度，用減光系數(shù)m值表示，利用光束受煙粒子作用后，光輻射能量按照指數(shù)規(guī)律衰減的原理測量煙濃度。減光系數(shù)m可用下式表示[7]：

式中m表示減光系數(shù)，單位為db/m，d表示測量光路的長度，單位為m，P0表示無煙時接收的輻射功率，單位為W，P表示有煙時接收的輻射功率，單位為W。

2 方案設(shè)計

為了驗證鎖定放大技術(shù)對感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量結(jié)果的影響，我們設(shè)計了感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量裝置，裝置的系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括：雪崩光電二極管、雪崩光電二極管驅(qū)動電路、鎖定放大電路、24位ADC、905nm紅外發(fā)射裝置、單片機及顯示。

圖2 感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量裝置系統(tǒng)框圖

905nm紅外發(fā)射裝置用于產(chǎn)生905nm功率為20mW的基準(zhǔn)紅外光；雪崩光電二極管用于檢測紅外光的輻射功率，雪崩光電二極管驅(qū)動電路包括高壓電源和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，高壓電源用于提供給雪崩光電二極管反偏電壓，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將雪崩光電二極管的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓值。鎖定放大電路采用ADI公司的AD630芯片實現(xiàn)鎖定放大，然后通過4階巴特沃斯低通濾波器后，進(jìn)入24位ADC采集。紅外發(fā)射裝通過單片機實現(xiàn)頻率控制，該控制信號同時作為鎖定放大器的參考信號。感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量裝置實物如圖3所示。

圖3 感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量裝置實物圖

3 實驗與對比

為了驗證鎖定放大技術(shù)對感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量結(jié)果的影響，本文設(shè)計了對比實驗。

■3.1 使用鎖定放大技術(shù)

將紅外發(fā)射裝置和雪崩光電二極管相對位置固定，使用該裝置進(jìn)行24次等精度測量，并將測得的結(jié)果記錄，如圖4所示。

圖4 使用鎖定放大技術(shù)的等精度測量數(shù)據(jù)

由于測量誤差的存在，被測量的真值難以確定，測量結(jié)果帶有不確定性。測量的不確定度是評定測量結(jié)果質(zhì)量高低的一個重要指標(biāo)。本文采用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來進(jìn)行測量結(jié)果質(zhì)量高低的評估。A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可采用以下方法計算得到：

在同一條件下，對被測參量x進(jìn)行n次等精度測量，測量值為 xi(i = 1 ,2,… ,n )。該樣本數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為：

進(jìn)而可以算出算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差為：

通過計算可得該組數(shù)據(jù)的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為26005uV。

將A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度除以測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值獲得相對不確定度為1.05%。

■3.2 不使用鎖定放大技術(shù)

將感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值測量裝置中的鎖定放大器部分去除，并讓紅外發(fā)射裝置一直處于發(fā)射狀態(tài)，測量裝置的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 不使用鎖定放大技術(shù)的測量裝置系統(tǒng)框圖

使用該裝置進(jìn)行24次等精度測量，并將測得的結(jié)果記錄，如圖6所示。

圖6 使用鎖定放大技術(shù)的等精度測量數(shù)據(jù)

通過計算可得該組數(shù)據(jù)的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為657073uV，相對不確定度為30.55%。

通過上述實驗可得：使用鎖定放大器后相對不確定度由30.55%改善至1.05%。

4 結(jié)論

在感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)閥值檢測的應(yīng)用中，針對使用雪崩光電二極管測量光輻射強度時，存在由電壓紋波、溫度漂移、運算放大器偏置電壓與偏置電流導(dǎo)致的測量誤差的問題。通過采用微弱信號檢測領(lǐng)域中的鎖定放大技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對上述誤差的抑制。本文制作了實物樣機，并設(shè)計實驗對比使用鎖定放大技術(shù)和不使用鎖定放大技術(shù)對測量結(jié)果的影響。實驗表明所用平臺使用鎖定放大技術(shù)可以將測量的A類標(biāo)準(zhǔn)相對不確定度從30.55%減小至1.05%。

本文通過理論分析和實驗驗證，證明了使用鎖定放大技術(shù)可以大幅度提高測量光輻射強度時的測量精度。

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