[发明专利]一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路

说明书

本发明公开了一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路，包括：光电探测器、信号预处理模块、调制模块、锁相放大模块、单端差分模块；光电探测器将所检测到的位移信号转换为微弱电信号，并由信号预处理模块进行滤波、消除偏置，以满足调制要求后连接到调制模块，并与高频正弦载波信号进行幅度调制后连接到锁相放大模块进行双级放大、带通滤波处理后，再与另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波后输出至单端差分模块，由单端差分模块输出经过放大的有效直流差分电信号。本发明能够在毫伏级强噪声背景干扰下有效检测传感器输出的微伏级直流信号，同时对直流有效信号进行高倍率放大输出，从而提高输出信号的信噪比。

技术领域

本发明涉及微弱静态直流信号的检测与识别领域，搭建出具有高信噪比和高倍率的静态锁相放大电路。

背景技术

近年来，人们对光纤传感技术的研究也越来越重视，但针对微纳量级的微位移被测信号，光纤布拉格光栅发生形变后反射的窄带光谱的光功率对应的电压信号量级极小(仅为μV级)。因此，有效测量信号常被淹没在环境噪声之中。如何有效的提取并放大测量信号就成为微纳测量中的重点。光纤光栅传感信号解调技术是传感系统的核心，解调系统的性能优劣直接关系整个传感检测系统的实用价值。对光纤布拉格光栅的实验研究表明：其对应变灵敏度极小，约为1.22pm/με。为了使数据采集卡能够直接处理待测信号，需要将光纤布拉格光栅位移传感器输出的光功率信号转变为电信号。由于前端光纤光栅传感器所在的光路系统输出量级较小，因此待测信号需要进行高信噪比放大后才能被后级电路识别。

根据前文所述，直接放大原始信号的同时噪声也将被放大，这会使得最终的输出端信噪比降低，待测信号也会淹没在噪声中。因此如何提高信噪比是提取信号、还原信号的关键。目前在对精度要求较高且噪声量级等于甚至大于信号量级数十倍的场合，常用的检测微弱信号的方法有频域信号的窄带化技术、平均处理法、小波变换、取样积分、相关检测法等方法。但是这些方法在实际应用时都存在较大的局限性，并不能直接降低输出端的信噪比，而是通过复杂的理论公式和软件计算等后处理措施从输出结果中获得。1962年，美国EGGPARC公司研制出世界上第一台利用模拟电路实现测量微弱正弦信号的锁相放大器，引领了微弱信号检测技术的革命。但是由于模拟电路的某些特性如：易受到环境、温度等影响，在锁相放大器发展的前期，会出现信噪比较低、动态范围都较低的现象。南京大学唐鸿宾团队(南京大学微弱信号检测技术研究中心)对锁相放大技术起步较早，他们研究了不同型号、不同功能的锁相放大器和锁定分析器，研发出FS、ND、HB系列锁相放大器。美国TI公司研发的高集成度的专用锁相放大器芯片虽然被广泛应用于微弱信号检测识别领域。但是以上这些传统的锁相放大器通常是针对指定频段内的交流被测信号进行处理，而无法处理静态或准静态的微弱直流被测信号，且价格较昂贵。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种低成本的光纤布拉格光栅位移输出信号的高信噪比静态锁相放大电路，以期能够在毫伏级强噪声背景干扰下有效检测传感器输出的微伏级直流信号，同时对直流有效信号进行高倍率放大输出，以提高输出信号的信噪比。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路的特点包括：光电探测器、信号预处理模块、调制模块、锁相放大模块、单端差分模块；

所述光电探测器检测光纤布拉格光栅的位移变化量并转换为微弱电信号后发送给所述信号预处理模块，由所述信号预处理模块对所述微弱电信号进行滤波、消除偏置处理，得到满足调制要求的待调制信号后发送给调制模块；

所述调制模块将所述待调制信号与高频正弦载波信号进行幅度调制后发送给所述锁相放大模块；由所述锁相放大模块对调制后的信号进行双级放大、带通滤波处理后，再与所接收的另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波处理，得到待测有效直流信号并输出给所述单端差分模块，由所述单端差分模块对所述待测有效直流信号进行放大处理，从而得到有效直流差分电信号。