基于智能光电检测的电路设计

摘　要：光电检测作为一种新型检测技术，发展迅速，应用广泛，并朝着智能化方向发展。基于智能光电检测系统的分析，设计了光电检测电路，并对智能技术在光电检测电路中的相关环节进行了探讨。

关键词：光电检测　人机交互　电路设计

中图分类号：TP27

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）007-051-02

光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点,在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。伴随着科学技术的发展，智能光电检测已成为光电检测技术的发展方向。

1 智能光电检测的基本原理

在基于光信息采集和光电转换的光纤光栅传感系统中，光电检测仪器起着关键作用，而要使光电检测仪器能够适应恶劣环境和检测出光纤光栅波长的微小位移，并将光信号转化为易于处理的电信号，就需要设计出光电检测电路。

本文设计的智能光电检测电路融合了机、光、电、计算机、人工智能等新技术，其检测系统的结构随被测对象的不同而不尽相同。一般智能电子检测系统由智能信号处理系统、光电传感系统、测控系统、输出系统和接口单元等组成。它以智能信号处理系统为核心，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、接口及信息输出等技术，可以实现光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等功能，并自动完成自检自校和自我诊断与调整等功能。其系统结构与原理参见图1。

智能信号处理系统由微处理器和智能模块组成，其中，微处理器承担数据的处理、运算、存储、管理及信息传输等任务，是智能光电检测系统的核心，并决定其性能。微处理器通常由高性能的单片机或嵌入式微处理器组成，如 8 位的 51 系列单片机、16 位低功耗 MSP430系列单片机、DSP信息处理系统和ARM系统设计芯片等。智能模块实际上是一个智能程序，它集光电检测领域专家知识之大成，代替专家适时解决检测中出现的各种问题，通常由专家知识库、数据模块、逻辑运算与推理程序等组成。

光电传感器系统主要由光电检测元件组成，包括光源、光学通路和光电元件等组成，其功能是实现光学变换和光电转换与传输。目前，常用的光电检测元件有光敏电阻、光电倍增管、光电耦合器件、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）等。

测控电路是对输入的光电传感器信号进行相应的处理，其主要功能是对信号进行放大、滤波、调制、解调、运算、控制、转换及环境检测等。

输出系统用于输出经过智能信号处理系统确认正确的传感器信息，供用户使用，包括信息存储和输出显示等。

接口包括人机交互接口和总线与网络接口，前者是用于外界对嵌入式智能光电检测系统进行的人机交互，如对数据的修改、添加、删除、维护等；后者指设备之间链接和网络间的通信，以方便信息传输和共享。

2 智能光电检测系统的电路设计

智能光电检测系统主要由光电转换电路、信号放大电路、滤波电路、环境检测电路、智能控制电路、接口电路等组成。其系统框架参见图2。

首先，将采集的光信息通过光电探测器转换成电信号；其次，针对信号转换过程中的信号弱和噪声大的问题进行信号放大和噪声滤除，并对环境信号适时检测。光电转换的信号经A/D转换器变换成数字信号，进入智能信号处理系统进行处理，随后由输出系统传送处理后的信息，完成一次信息循环。因此，良好的光电转换电路设计，应充分满足输出信噪比高、被测信号无频率失真和输出信号功率大的要求。

(1) 光电转换电路

采用光电检测技术首先应设计光电转换电路解决光电转换问题。在采集光信息时，由于反射光的强弱受反射物表面的形状、颜色、阳光、灯光照射等多因素的影响，除了选择好采光点外，还应采用在光源范围内有较高灵敏度的元器件，如光敏三极管灵敏度比光电池、光敏电阻、光敏二极管高，不仅随光线变换有较好的线性，而且对光电流有放大作用。图3为灵敏度可调的光电转换电路。利用OPT201可以构建灵敏度可调的光电转换电路，调节分压电阻，即改变5K%R电位器，可改变放大器增益。

（2）信号放大电路

在光电信号转换的过程中，由于输出电压信号微弱，需要设计放大电路予以放大。图4提供了T型网络结构的放大电路。图4中，

这种放大电路由电阻比值结构决定放大器的增益，且反馈电阻扩展了(1+Rx/R2)倍，减少了热噪声和对运放输入偏置电流的影响，放大器具有精度高、稳定性好的优点。其不足是当单通道输入的时候，若输入为不稳定的误差信号，就会直接影响输出端，导致电路稳定性下降。

(3)滤波电路

在光信号转换为电信号的过程中，由于混合有自然光等非检测光源，加上白噪声和器件自身的噪声，使被检测信号的频率有可能失真。为了消除光电信号转换中的这种不利影响，应设计滤波电路，滤除自然光及噪声的干扰。图5为有源滤波电路。

有源滤波器是含有半导体三极管等有源器件的滤波器，与无源滤波器相比，具有体积小、重量轻、价格低、结构牢固、便于集成的特点。图5为压控电压源有源滤波器(VCVS)，采用运算放大OP27和双RC网络构成性能优良的二阶有源滤波电路，可以滤除5Hz以上的信号。

3 结束语

本文分析了智能光电检测的基本原理，在此基础上对完整的智能光电检测系统的各个环节的电路设计进行了系统的探讨，包括光电信息采集系统中的光电转换电路设计、信号放大电路设计、滤波电路设计，环境信号检测系统的温度过热检测电路设计、温度补偿电路设计，智能信号处理系统的智能模块电路设计，以及总线及人机交互接口和信息输出系统中的电路设计。智能光电检测系统由于环境适应能力强，测量范围广，测量精确度高，尤其是强化了人工智能系统，可以自动对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正，加上良好的人机交互界面，大大简化了操作程序，提高了数值处理和分析的效率。我们相信，随着光纤材料、计算机技术和人工智能技术等的不断进步，智能光电检测技术将会不断得到完善和改进，并将引领光电检测技术未来的发展方向。

参考文献：

[1]　周烨,吴炜,黄子强.基于光电检测的红外光信号接收电路设计[J].电子设计工程,2011(1):113-115.

[2]　王立刚,李晶晶,建天成.智能光电检测技术研究与电路设计[J].大庆石油学院学报,2009(8):99-102.

[3]　陈张玮,李玉和,李庆祥,等.光电探测器前级放大电路设计与研究[J].电测与仪表,2005(6):32-34.

[4]　王海潼,袁俊飞,刘姣姣.光纤温度传感器的设计与实现[J].电子测量技术,2007(2):68-71.

[5]　王云新,江俊峰,刘铁根.光电检测电路设计[J].电子测量技术,2005(6):18-19.