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光探测器

发布时间： 2011-11-18 09:12　浏览次数：

光电探测器是光路和电路的衔接点，是光纤传感系统的重要组成部分。其作用是将接收到的光信号转换为电信号，作为前置放大电路的输入信号，因此它的性能和抗干扰能力对检测信号有明显的影响，其特性对光纤气体传感器性能指标有决定性的影响。因此，光纤气体传感系统所用光电探测器应满足以下要求：

(1) 光谱响应范围包含工作所在波长，且在工作波长上有较高的响应度和灵敏度；

(2) 光电转换效率高，响应时间短；

(3) 噪声小。

光电探测器的种类很多，按照探测机理的物理效应不同，可以分为基于各种光子效应的光子探测器和基于光热效应的热探测器两大类。光纤气体传感系统中所选用的光电探测器一般为基于光电效应的PIN型半导体光电二极管。

本设计选用了中国电子科技集团公司第四十四研究所研制的单管型GT322D InGaAs PIN高性能光电二极管作为光探测器。该探测器具有结电容小、响应速度快、低噪声、可靠性高等特点，带尾纤封装形式，被广泛的应用于光纤通信和光纤传感等领域。

该光电探测器工作电压最大额定值为6V，正向电流最大额定值10mA，入射光功率最大额定值20mW，工作温度范围为-40℃-70℃。温度为25℃时，测试其光谱响应范围为900-1700nm，光敏面直径为60μm，响应度最高达0.9A/W，暗电流仅为0.3nA，响应时间为0.3ns。

光源驱动，光源恒温

当激光器输出中心波长和待测气体吸收峰中心波长对准时，光通过待测吸收气体时，气体对光的吸收程度达到最大值，激光的强度发生衰减量也最大，此时测量光强的变化可以很好地反演出待测气体的浓度。然而，一般气体的吸收谱线宽度很窄，光源输出波长随环境(如温度)或者光源本身的温度的变化而引起光源中心波长发生漂移而偏离待测气体吸收峰中心波长，导致了待测气体分子吸收系数的变化，影响测量的不稳定性和准确性。实际测量中，为了保证检测结果的正确性和获得更可能高的检测灵敏度，常常需要将光源的输出波长精确地锁定在待测气体的吸收峰上。解决激光器波长输出不稳定的办法是对光源的温度进行恒温控制以及采用稳定性极高的恒流偏置驱动激光器输出稳定的激光。波长稳定的目的是为检测系统提供一个高精度参考标准。

光源的恒温控制电路和恒流驱动控制电路保证了激光器输出频率的稳定性，且激光器的输出中心波长与待测气体吸收谱线中心波长一致。但由于气体吸收谱线非常窄，且光谱吸收非常微弱，有用信号常常淹没在噪声当中，直接吸收很难检测到有用信息。本研究采用波长调制谐波检测方法，在直流偏置驱动电流的基础上叠加一高频正弦调制信号作为DFBLD激光器的驱动电流，将有用信号从噪声较大的低频搬移到噪声较小的高频处，再配合锁相放大器，对被测信号的二次谐波分量进行检测，大大提高了系统的信噪比，实现了微弱信号的检测。