智能光电传感器的设计
大庆石油学院电子科学学院　苑永强　王立刚
[摘　要]智能传感器越来越得到重视,高精度、高智能化将是传感器发展的必然趋势。

因此,我们设计了一种可靠性
高、稳定性好,而且具备数据处理能力,并能够自检、自校、自补偿等功能的智能光电传感器。

[关键词]O PT 101　自补偿　D S 18B 20
1、引言
随着激光技术在医疗卫生、精细加工、科学研究等领域的广泛应用,对微弱的光信号进行高精度、高可靠性检测变得更加重要。

为了能够实现要求,我们将结合现代智能传感器的发展,设计了一种智能光电传感器。

从结构上来讲,智能传感器是由经典传感器和微处理器单元构成,下面给出了典型的智能传感器系统框图,其中有信号预处理和模数转换接口,微处理器以及D A 转换及驱动电路的输出接口。

本设计系统将结合智能传感器的设计思想,设计了一种能实现零点校正、增益可调、增益自补偿等功能的光电传感器,同时本系统采用数字温度传感器D S 18B 20对温度进行测量,实现温度自补偿功能,通过软件设
计最终能够实现系统自检、自校正、线性补偿等功能。

2、电路设计
2.1前置光电探测器设计
光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光测量中,通常可以测量微瓦以下的光信号。

在进行精密仪器测量时,如果考虑到测量时的线性度,必须保证负载电阻零,光电二极管一般运用于零偏压法,常用低噪声运算放大器构成电流电压转换器的办法来满足这一要求。

如下图所示,由于负反馈放大器的等效输入
阻抗为R in =R f
(1+A ),其中A 为运算放大器的开环增益,R f 为放大器的反馈电阻。

一般而言运算放大器的开环增益
A >>1×106,则输入阻抗R in ≈0,一方面可提高光电二极管测
量的线性,另一方面光电二极管工作区域接近短路状态
,电路可获得最小噪声系数[3]。

本文选用O PT 101芯片作为为光电二极管的前置放大电
路,片内光电二极管和互跨阻抗放大器在一个片上的集成和结
合能够消除了分立设计中通常出现的问题,如漏电流误差、噪声交叉干扰和由于杂散电容硬件的增益峰化,0.09×0.09inch 的光电二极管在光导方式下工作可得到极佳的线性度和很底的暗电流且输出的是电压信号。

O PT 101的工作电源范围较宽(+217——+36V ),同时在R f =1M 时,带宽可达14KH Z
,足够满足大部分精密测量场合的应用。

从图中可知,电源引脚附近应接上稳压电容,输出的电压在无光时(暗电压)是7.5m v (直电流),并随着光亮度的增加而增加。

光电二极管电流与照射在其上的光强成正比。

在650NM 波长红光时,其响应度近似为0.45A W 。

测量精度可以达到10-8A ,可满足高精度的测量要求。

2.2增益可调硬件电路设计
为了能够实现光电更精确的测量,本文将利用M U X (电子模拟开关),PGA (程控增益放大器),ADC (模数转换器),
DA C (数模转换器)构成经典的程控数据采集系统。

M U X 可程控选择多种信号或内部标定的信号;PGA 对M U X 选择的信号进行程控放大,可将信号调整到适于ADC 采
集的范围,同时也可实现通道的自动调零。

ADC 实现模数转换,DA C 用于提供各通道自标定信号和调零信号以及模拟信号输出,单片机是控制的核心,处理ADC 的输入信号和DA C 的输
—
87—
出信号。

模拟开关采用M U X 339,具有低的漏电流和温漂,导通电阻小于50欧,可实现快速的导通。

PGA 电路采用的是运算放大器O P 37和模拟开关控制的电阻网络组成,模拟开关可由单片机控制来实现量程切换,通过单片机编程可实现全量程的均一化,从而提高A D 转换的有效精度;单片机控制D A 转换器的输出,一方面为系统内部提供标准电压,来实现零点和增益自校正,提高测量的精度和系统的可靠性;另一方面可作为电压的模拟输出。

同时系统具有串行接口可以实现计算机对其实时控制。

2.3温度传感器
在高精度测量中,传感器的温度误差成为性能指标的严重障碍。

对于光电二极管温度是影响其输出线性化的重要因素,因此为了能够更精确的测量,只要能建立较精确的温度误差数学模型,就可以实现完善的补偿。

D S 18B 20是单总线工作,读出或写入信息仅需要一根口线。

温度范围从-55到125度,增量值为0.5度。

它无须任何外围硬件即可构成温度检测系统。

3、软件设计3.1增益误差校正
放大器的增益误差及器件的不稳定,会影响测量数据的准确性。

校正的基本思想是在仪器开机后或每隔一定时间去测量一次基准参数,基准电压主要包括零电压V 0和标定电压值V r 。

设测量信号x 与真值y 是线性关系,即y =a 1x +a 0,以此我们获得了两个误差方程:
V r =al ×xl +a 0V 0=A l ×X 0+a 0
解这个方程组,即可求得:
a 1=V r (x 1-x 0),a 0=V r x 0 (x 0-x 1)从而可得到校正算式:
y =V r (x -x 0)
(x 1-x 0)对于一个多档多增益系统,一般而言每档增益都应实时标定进行自校。

因此,每档校正时输出的标定值是不同的,它的输出值主要由程序控制D A 发出相应的值。

3.2线性校正及补偿原理
为提高测量精度,不仅要对其线性进行校正,还要对其温度特性进行补偿,这就导致数字信号修正表是二维的。

一般来说,修正表的点数直接关系到校正的精度,点数越多,修正精度越
高,但数据量也越大。

为此,通常取较少的校正点,而在校正之间进行内插,在采用反函数校正的基础上,用分段二次插值法进行数据再生,从而减少数据的存储量。

此方法曾被应用过压力传感器以及内调制微光探测系统的非线性及温度补偿上都有很好的效果。

随着软件技术的不断发展,以及人工智能方法理论的不断出新,在线性补偿方面出现了很多方法,像查表法,数据拟合法以及人工神经网络里的函数链神经网络法等等,这些都在智能传感器校正方面有广泛的应用。

3.3数字滤波方法
采用数字滤波方法能抑制有效信号的干扰成分,消除随机误差,同时对信号进行平滑处理。

常用的数字滤波算法有程序判断、中位值滤波、算术平均滤波、递推平均滤波、加权递推平均滤波、一阶惯性滤波和复合滤波等算法。

在实际应用中所面临的随机扰动往往不是单一的,有的时候既要消除脉冲扰动又要作数据平滑。

因此我们常常把两种以上的方法结合起来使用,形成复合滤波,在这里我们先用中位值滤波算法滤掉采样值中的脉冲性干扰,然后把剩余的各种采样值进行递推平均滤波。

其基本算法如下:
如果y 1<y 2<....<yn ,其中(y 1,yn 分别是所有采样值中最小值和最大值),则:
y =(y 2+y 3+y 4…+yn -1) (n -2)其中n 的值由我们测量的信号的变化快慢、微处理器的处
理速度和AD 转换速度来决定,当测量快速变化的信号时,我们应选取的n 值应该小一些;当测量缓慢变换信号时,n 值大一些。

由于这种滤波方法兼容了递推平均滤波算法和中位值滤波算法的优点,所以无论是对变化缓慢还是快速变化的量,都有很好的滤波效果,从而提高了控制质量。

4、结束语
智能光电传感器利用集成的光电二极管,将微弱的光信号转换为电压信号,克服了传统分立元件的缺点。

采用单片机系统对模拟系统的输出信号进行数据采集和实时线性、温度补偿,同时能在线自诊断、自矫正,减少了对温度的依赖,避免了常规硬件补偿方法的弊端,进一步提高了系统的测量精度。

由于篇幅水平有限,论文中有些问题并未展开研究,希望给予理解,不足之处,殷切希望广大读者批评指正。

参考文献
[1]金锋.智能仪器设计基础[M ].清华大学出版社,2005年8月
[2]吕泉.现代传感器原理及应用[M ].清华大学出版社,2006年6月
[3]付文羽,彭世云.硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究[J ].许昌师范学报,2001,9
—
97—。