光电脉搏信号检测电路设计
光电脉搏信号检测电路设计
生物医学工程１班－唐维－3004202327
摘要：系统采用硅光电池做为光电效应手指脉搏传感器识取脉搏信号。信号经放大后采用低通放大器克服干扰。
关键词：脉搏测量放大器二阶低通
一、前言
脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点, 可通过传感器对脉搏信号进行检测,这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。
二、系统设计
1 系统目标设计及意义
设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。
2 设计思想
（1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变
的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。 （2）按正常人脉搏数为60~80次/min ，老人为100~150次/min ，在运动后最高跳动次数为240次/ min 设计低通放大器。5Hz 以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。
（3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz 干扰。
（4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA ～3 uA ，所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。
（5）所选的电阻参数要尽量精确， IC 选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，考虑到性价比，使用LM324。由于硅光电池的输出短路电流受光照变化较大，使得输出变化大，所以采用12V 双电源供电。 3 整体框图
本系统共分为三个模块：
方框图中各部分的作用是：
（1）传感器：将脉搏的跳动转换为电压信号，放大104倍。 （2）一级放大电路：对微弱信号进行放大，放大约20倍
（3）二阶低通滤波电路： 滤除干扰信号并进一步放大，再放大约20倍。
4 单元电路的设计
⑴ 光电信号转换电路
图1 光电信号转换电路
如图，换能元件为硅光电池，脉搏信号的拾取实际上是光透过指尖射到硅光电池时发生相应的强度变化,从而产生硅光电池电流的微弱变化，再经过放大而得到的。所拾取的信号为电压信号。
电路的输出为：1g Vi i R =-?
R1过大，稳定性差，容易产生漂移误差，影响增益精度，考虑到灵敏度和线性度的协调，选R 1=22K Ω，使得输出达到mv 级。为了抑制高频干扰和消除运放输入偏置电流的影响 ，接入电容C 1、电阻R 2和电容C 2。电容的取值是基于脉搏信号的频率考虑的。
（2）一级反向放大电路
如图：
图2 一级放大
为了与前面匹配，并使选用器件简便，选择R 3=22K Ω，为满足放大20倍，选用R 4=500K Ω。
得理想放大倍数4
3
22.7R H R =-
=-倍 C 3用来隔直；C 4用以防止放大器自激并起到低通作用，为了不影响有用信号又能滤掉50HZ 干扰 ，C 4不能太大也不能太小，取C 4=0.01μF 将频率截止到31HZ 恰好。
（3） 后置二阶低通放大电路
图3 为二级低通放大电路。按人体脉搏在最高跳动次数240 次/min 计算，据归一化法设计低通放大器，如图3 所示。转折频率由R 6、C 5 、R 7 和C 6 决定，放大倍数由R 7 和R 5的比值决定，R8用来减小输入阻抗不平衡的影响。
图3二级低通放大器
二价低通滤波器的传递函数：
256
56756
756715671
()1111()()R Vo s R R R C C S Vo s S C R R R R R C C -
?
=
++++
理想放大倍数为
7
5
22.7
R
H
R
=-=-倍。
0.707倍零频增益高频转折频率：
f H=14Hz
低频特性满足条件，不影响有用信号。
5整体电路为：
运放LM324特性
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如上图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，引脚排列见图：
特性:
双电源工作电压：±1.5V至±15V
输入偏置电压：2.0～5.0mV
输入偏置电流：2nA
共模抑制比：典型值80dB
带宽：1.3MHZ
失调电压：典型值7μA，最大值30μA
失调电流：典型值10PA，最大值200PA
总结：
整体电路仅采用一个LM324，且电阻值只用到22KΩ和500KΩ两种电阻，使设计简单，节省资源。
总的理想放大倍数为4×106，截止到14赫兹左右，基本满足脉搏信号的拾取条件。
测试报告
1、静态工作点的测量
将输入两端短路，接入工作电压，用万用表测得输出电压为390mv,低于500mv基本满足条件。
2、硅光电池特性测量
如图连接电路，用普通台灯当光源照射，
测得输出约为2V，所以硅光电池输出短路电流变化量约为1～2μA。
3、一级放大电路
图2 一级放大
用信号源输入20mv电压，并改变输入信号频率进行观察，测得数据表为：
根据观察可得在脉搏信号强的部分如5HZ时放大22倍，且截止频率在30HZ左右，与理想值基本吻合。
4、后级滤波加放大
图3二级低通放大器
用信号源输入224mv电压，并不断改变输入信号频率观察输出，测得数据表为：
据观察得截止频率在10HZ左右，且在50HZ时输出只有5HZ（脉搏信号较强时）时的大约十分之一，可见滤波效果较好。
5、脉搏信号测试
将手指紧贴硅光电池表面，用台灯照射，打开工作电源，观察示波器。
测得男生脉搏波形接近：
女生脉搏波接近：
总结：
脉搏信号的主峰频率在1HZ左右，但由于示波器的缺陷，不能观察放大器和滤波器在低频时的放大情况，使得数据有点模糊。
由于示波器为直流耦合,所以直流电平漂移很严重,这就要求受试者一定要平静,身体自然放松,使漂移降到最低程度。光照射指尖部, 使硅光电池中心正对着微血管床。
由于放大倍数较大，入射光强不要太强，否则会使输出饱和，且不同的人脉搏波强度不同，为适应不同条件下的检测，最好的办法是把一级放大电路的反馈电阻用一个可调电阻和普通电阻串联。
本文设计的脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率，尚不能用于医学实践。若对传感器采集的信号经过进一步的波形分析及借助医生的经验，可对临床诊断提供帮助。
光电传感器在脉搏测量中的应用
光电传感器在人体脉搏信号采集系统中的应用 姓名：时劭科 专业：核工程与核技术 班级：080211 学号：08021117 2011年12月5日
摘要：脉搏是人类对自身生理特征认识非常早的一项指标，人类对脉搏的采集也是和社会技术发展同步的，从机械到电子发展到近代的光学。目前医疗产品中临床上的脉搏采集基本以光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。各种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。 一、引言 中医脉象诊断技术是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。古代就有“切之以九脏之动，微妙在脉，不可不察”之说。脉诊是医生运用手指的触觉切按病人动脉脉搏以探查脉象、了解病情的诊断方法，通过诊脉可以了解气血的变化、阴阳的盛衰，对分析病理、推断疾病的变化、识别病情的真假、判断疾病的预后，都具有重要的临床意义。然而由于受到人为等多方面因素的干扰，使得传统的中医诊脉缺乏客观性，医家往往是“心中易了，指下难明”，因此，近代的许多学者便致力于脉诊的客观化研究，希望借助现代科学技术及成果实现脉诊的客观化。 目前我们常见的脉搏采集方法有：压力传感器法、超声脉图法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等。以上这些方法中，超声脉图法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。而电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量，其中光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。 目前医疗产品中临床上的脉搏采集发展到光电传感器采集脉搏方法为主。光电传感器种类也比较多，大多都可用于对脉搏采集。它们有光敏电阻、光敏电池、光敏二极管等。以上几种光电传感器各有自己的特点，可用于不同情况下的脉搏采集。 (1)光敏电阻，它的特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小、抗干扰能力比较强、可靠性好、器件本身不容易发生故障，它的缺点是响应时间慢。 (2)光电二极管和光电三极管它的特点是灵敏度高，响应时间快、但它受温度影响比较大、受光面小、而且有非常强的方向性、抗干扰能力弱、它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。 (3)光敏电池传感器它的特点是受光面积大、输出电流小、灵敏度高、响应速度快、光谱比较宽、受温度影响比较小，抗干扰能力一般。 二、脉搏的形成和生理特点 动脉管壁随着心动周期周而复始、一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉搏。当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突然增高，迫使血管壁迅速膨大，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有弹性而回缩，这样，动脉管壁就随心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏，它存在于身体的每个部位，中医学的切脉，就是用手指的触觉和压觉分析桡动脉脉搏的频率、深浅、强弱及其他特征，作为诊断疾病的重要指标之一。 就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管，然
光电脉搏检测电路设计报告
光电脉搏检测电路设计报告 天津大学精仪学院生物医学工程一班 张静翀3004202334 脉搏波的概述 1.脉搏波的定义 脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。 2.脉搏信息 血液在人体内循环流动过程中，经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。脉搏波不仅受到心脏状况的影响，同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。所以脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 3.脉搏测量的意义 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 设计目的与意义 目的 应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路 通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息 意义 通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分 诊断价值的信息，为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号
课程设计 光电脉搏检测电路设计报告
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光电型脉搏传感器的原理及其应用
医学光电检测技术论文 光电型脉搏传感器的原理及其应用The principle of type photoelectric pulse sensor and its application 学生姓名：张先绪 专业：生物医学工 学号：110811117 指导教师：庞春颖 学院：生命科学技术学院 二〇一四年十二月
摘要: 介绍了光电式脉搏传感器的原理和设计方案,采用集成光敏部件和放大器的光敏芯片代替传统的分立光敏器件实现对脉搏的测量。芯片的集成化能够有效减小器件间匹配引起的干扰,提高脉搏测量精度。在实验测试过程中,采用该光电式脉搏传感器对人体的脉搏进行实时测量,对脉搏信号测量可能引起的噪声来源做了分析,并做相应的抗干扰处理,得到比较理想的脉搏波形,为脉搏信息的提取和分析提供了良好的数据。 关键词:脉搏信号;光电容积法;脉搏传感器;噪声分析 Abstract: The PPG pulse sensor is attached to the finger base for monitoring beat to beat https://www.wendangku.net/doc/589945973.html,paring with the traditional design,the pulse sensoruses a new integrated chip,which is integrated the photosensitive unit and the signal amplifier.This design can efficiently remove the system noise and improve the precision of measure.In the experiment,using the newPPG pulse sensor can measure the pulse directly from the pulse in real time.At the same time,making the noise analysis and dealing with the measure noise,and getting a good pulse wave. Keywords:pulse signal;photoplethymograph;pulse sensor;noise anylsis
光电信号检测实验
实验一 光敏电阻特性实验 实验原理: 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是一种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： p n p e n e σμμ?=???+??? 在上式中，e 为电荷电量，p ?为空穴浓度的改变量，n ?为 电子浓度的改变量，μ表示迁移率。当两端加上电压U 后，光电流为：ph A I U d σ= ??? 式中A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σ?为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。 光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。 图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感
器。 图1-4 几种光敏电阻的光谱特性 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器 实验步骤: 1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表欧姆档测得的电阻值为 暗电阻R 暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R 亮 ，暗电阻与 亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。 结果：用万用表欧姆档测得的暗电阻为∞，超出万用表的量程。在环境光照下的亮电阻为6.5k?。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。 2.光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出U 暗和U亮，电流L 暗=U 暗 /R，亮电流L 亮 =U 亮 /R，亮电流与 暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 结果：暗光时电流为0。有光源照射时光电流为71uA。 3. 光敏电阻的伏安特性测试 按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2~+12V间 选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上 电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V时电阻R两端的电压U R，和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。 图1-5 光敏电阻的测量电路 光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光） 电源电压（毫 伏） 2 4 6 8 10 U R（伏） 1.98 3.98 5.98 7.98 9.87 电阻（欧姆）∞∞∞∞∞ 电流（毫安）0 0 0 0 0
光电脉搏测量仪
光电脉搏测量仪设计报告 一、设计意义 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临Array床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的 重视。目前医院的护士每天都要给住院的病人把 脉记录病人每分钟脉搏数，方法是用手按在病人 腕部的动脉上，根据脉搏的跳动进行计数。为了 节省时间，一般不会作1分钟的测量，通常是测 量10秒钟时间内心跳的数，再把结果乘以6即得 到每分钟的心跳数，即使这样做还是比较费时， 而且精度也不高，因此，需要有使用更加方便， 测量精度更高的设备。 二、关键技术 脉搏检测中关键技术是传感器的设计与传感 器输出的微弱信号提取问题, 本文设计的脉搏波 检测系统以光电检测技术为基础，并采用了脉冲振幅光调制技术消除周围杂散光、暗电流等各种干扰的影响。并利用过采样技术和数字滤波等数字信号处理方法，代替实现模拟电路中的放大滤波电路的功能。本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC 机)的实时通讯, 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。 三、硬件设计 3.1 设计框图 光电脉搏测量仪是利用光电传感器作为变换原件，把采集到的用于检测脉搏跳动的红外光转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置。本系统的组成包括光电传感器、信号处理、单片机电路、 数码显示、电源等部分。脉搏测量仪硬件框图如图1所示。 当手指放在红外线发射二极管和接收三极管中间，随着心脏的跳动，血管中血液的流量将发生变换。由于手指放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心跳的节拍相对应，红外接收三极管的电流也跟着改变，这就导致红外接收三极管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机的外部中断信号。单片机电路对输入的脉冲信号进行计算处理后把结果送到数码管显示。 3.2脉搏信号采集与放大整形 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式 脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来, 光电检测技术在临床医学应用中发展很快, 这主要是由 于光能避开强烈的电磁干扰, 具有很高的绝缘性, 且可非侵入地检测病人各种症状信息,具有结构简
光电式脉搏传感器的原理
光电式脉搏传感器的原理 根据郎伯－比尔（lamber－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比,当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。 脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的,在人体指尖,组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对较大,因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织,其中非血液组织的光吸收量是恒定的,而在血液中,静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的,可以忽略,因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的,那么在恒定波长的光源的照射下,通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。 一、光电式脉搏传感器的结构 从光源发出的光除被手指组织吸收以外,一部分由血液漫反射返回。其余部
分透射出来。光电式脉搏传感器按照光的接收方式可分为透射形式和反射式2种[2],其中透射式的发射光源与光敏接收器件的距离相等并且对称布置,接收的是透射光,这种方法可较好地反映出心律的时间关系,但不能精确测量出血液容积量的变化;反射式的发射光源和光敏器件位于同一侧,接收的是血液漫反射回来的光,此信号可以精确地测得血管内容积变化。本文讨论的是透射式脉搏传感器,侧重于脉搏信号的测量。 二、光电式脉搏传感器的制作 1、光敏器件 光电式脉搏传感器由于采用不同的光敏元件有着多种实现方法,其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池,在传统的光电式脉搏传感器设计中,通常采用的是独立光敏元件,利用半导体和光电效应改变输出的电流,通常光敏元器件输出的电流极低,容易受到外界干扰,而且对后续的放大器的要求比较严格,需要放大器空载时的电流输出较小,避免放大器空载输出电流对脉搏信号测量的干扰,这样对于普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。
光电信号的检测方法(莫尔拓扑图)
第五章：光电信号的检测方法 单频光相位调制和条纹检测 在使用窄光束单频光波相位调制的干涉测量中，干涉条纹的形成和检测是在光束重叠的较小空间范围内进行的，通常采用单元光电器件检测局部位置上的干涉条纹波数或相位随时间的变化。 1．单频光的相位调制 在单一频率相干光路中，被测量使相干光波的相位发生变化，同时通过干涉作用把波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称单频光波的相位调制或称相幅变换。由前面的公式可知，能引起相位变化的参量是光路长L和介质折射率n。因此相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、光电子学等变换器伴将被测量的变化转换为光路长L 和折射率n的变化。前者用来检测几何和机械运动参量，后者用于分析物质的理化特性。 为了定量描述被测参量对相位调制的影响，采用规一化相位响应表示在单位长度的光路内由被测参量引起的相位变化。 (1/L)(dφ/dF)＝(2π/λ0)[dn/dF+(n/L)(dL/dF)] 式中，(1/L)(dφ/dF)为规一化相位响应，L为干涉光路长度，F为被测参量。 等式右端两项分别表示折射率变化和光路长度变化引起的相位响应。上式可用来衡量相位调制的各种类型光学干涉仪和光纤干涉仪的工作特性。 1）光学干涉仪相位调制 通常作为相位调制用的光学干涉仪有迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉汉、马赫-泽德干涉仪、萨纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。下图给出了它们的原理示意图。 典型的光学干涉仪原理示意图 除了法布里-珀罗干涉仪外，前述干涉仪皆属双光束干涉。干涉强度分布满足公式。图a的迈克尔逊干涉仪其特点是结构简单，条纹对比度好，信噪比高。测量镜M2与被测物连接可以感知位移、变形等参量。由于M2的位移量Δx引起测量光路2Δx的变化，即λ/2的位移引起干涉条纹一个周期的变化，所以条纹的计数和被测位移的计算关系简单。它的测量灵敏度达10-13m的数量级。其缺点是输出光束能经分束镜返回激光器，这将使激光器工作不稳定，这可以通过设置偏振器来防止。图b是吉曼干涉仪。同样厚度的二块玻璃板背面镀以反射膜，利用两玻璃表面的反射形成光束的分束和再合成。由于两光路的光程差很小，即使相干性较差的光源也可进行精密测量。它主要用来测定透光物质（例如气体）的折射率，可进行标准试样和被测试样的比较测量。若试样长度为L，条纹测量精度为λ/50，则折射率误差在δn＝λ/50L之内。图c是马赫-泽德干涉仪，由二片分束镜和二片反射镜组成。输出分束镜有两束干涉光输出，可用于布置多路接收器，它的返回散射光较少，有利于降低激光的不稳定噪声。被测位移的引入通过可移动反射镜进行，位移范围不能超过相干光束的截面。
光电检测-报告
摘要 设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统，分析了电路中产生的主要噪声，并提出了抑制方法。系统采用光敏二极管作为光电检测器件，并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通信。关键词：单片机；光电检测电路；光电二极管 Ａｂｓｔｒａcｔ Ａｌｏｗｎｏｉｓｅｌｉｇｈｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｎｉｇｈｔｖｉｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｎｏｉｓｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｔｕｄｙｈｏｗｔｏｃｈｅｃｋｔｈｅｍ．Ｉｎｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｉｓｕｓｅｄａｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｄａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ａｌａｒｍａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｐhｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ． 0 引言 夜视技术在军事、工业、农业、科学研究、医药卫生等领域有着广泛的应用，特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力。在现代战争中，为了提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围，需要部队在星光或月光等微弱光照度情况下对战场进行侦查和监控，这就必须依靠夜视技术，所以，微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力。要确保每一个装备的夜视仪都是合格的，就对检测设备的技术指标提出了很高的要求。为模拟实际中的夜天光环境，在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为２８５６Ｋ，光照度的变化不超过±１０％。光应力源是否符合要求直接决定了整套系统工作的稳定性及判断结果的准确度，所以，为了保证检测设备的检测精度以及检测结果的准确性，要求对光源的照度变化进行实时监测。当光源变化超出规定范围时，能够及时报警，提示进行设备维修或光源的更换。 １系统设计与工作原理 系统主要包括：光电检测电路、光照度显示模块、超差报警模块、串口通信模块。具体原理是通过光电检测电路将采集到的外界自然光转换为相应的直流电压信号，再通过ＡＤＣ将电压信号转换为数字信号送入单片机，单片机将数据进行补偿算法获得精确的实际采样值，控制数码管显示实时光照度，一旦光照度不符合设计指标，则通过报警灯及蜂鸣器进行报警，同时，通过ＲＳ２３２串口与上位机进行通信。系统原理框图如图１所示。
一种弱光信号光电检测系统的设计
目录 1 引言................................................................................................. - 1 - 2 基本原理 ......................................................................................... - 3 - 2.1 光电二极管的技术参数 ....................................................... - 3 - 2.2 光电二极管的种类 ................................................................. - 4 - 2.3 光电转换电路 ....................................................................... - 5 - 2.4 前置放大电路 ..................................................................... - 6 - 3 设计分析 ........................................................................................ - 7 - 4结果讨论 ......................................................................................... - 7 - 参考文献............................................................................................. - 7 - 1 引言 光的信息就存在于光强和相位中。而相位信息又是通过干涉转化成强度信息进行测量的，故光强的测量是很重要的检测目标。 光强变化的检测要针对光的变化特性进行设计。第一，入射光从频谱方面分析有单色的，有白光的，有特定光谱的；第二，光强有缓变和快变之分，一天之中日光强度的变化就属于缓变，再快一点的话如屏幕上木一个像素点随动画播放强度的变化，更快的还有人眼无法识别的，这将涉及到器件的响应度；第三，光强有变化幅度的问题，变化幅度有大有小针，这将涉及到器件的灵敏度；第四，光强的静态点，如果静态点在零点，且属于小幅度变化便属于微光检测。本段是对光源的分析，这是设计的目的，理想的检测是能针可以检测任
光电式脉搏传感器的原理
光电式脉搏传感器得原理 1 引言 人体心室周期性得收缩与舒张导致主动脉得收缩与舒张,使血流压力以波得形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播,这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出得形态、强度、速率与节律等方面得综合信息,很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理得血流特征、 传统得脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就就是脉搏测量在中医上卓有成效得应用,但就是受人为得影响因素较大,测量精度不高、无创测量(ｎoniｎvasive mｅasurements)又称非侵入式测量或间接测量,其重要特征就是测量得探测部分不侵入机体,不造成机体创伤,通常在体外,尤其就是在体表间接测量人体得生理与生化参数［1]。 生物医学传感器就是获取生物信息并将其转换成易于测量与处理信号得一个关键器件。光电式脉搏传感器就是根据光电容积法制成得脉搏传感器,通过对手指末端透光度得监测,间接检测出脉搏信号,光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。本文讨论得就就是基于光电式脉搏传感器得设计与具体实现。 2 光电式脉搏传感器得原理与结构 ２.１光电式脉搏传感器得原理 根据郎伯－比尔(laｍber—beer)定律,物质在一定波长处得吸光度与她得浓度成正比,当恒定波长得光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射衰减后测量到得光强在一定程度上反映了被照射部位组织得结构特征。 脉搏主要由人体动脉舒张与收缩产生得,在人体指尖,组织中得动脉成分含量高,而且指尖厚度相对其她人体组织而言比较薄,透过手指后检测到得光强相对较大,因此光电式脉搏传感器得测量部位通常在人体指尖、 手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织与血液组织,其中非血液组织得光吸收量就是恒定得,而在血液中,静脉血得搏动相对于动脉血就是十分微弱得,可以忽略,因此可以
光电脉搏信号检测电路设计
光电脉搏信号检测电路设计 生物医学工程１班－唐维－3004202327 摘要：系统采用硅光电池做为光电效应手指脉搏传感器识取脉搏信号。信号经放大后采用低通放大器克服干扰。 关键词：脉搏测量放大器二阶低通 一、前言 脉诊在我国已具有2600多年临床实践，是我国传统中医的精髓，但祖国传统医学采用“望、闻、问、切”的手段进行病情诊断，受人为的影响因素较大，测量精度不高。随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点, 可通过传感器对脉搏信号进行检测,这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。本文将详细介绍一种光传导式的脉搏信号检测电路，并说明所涉及到的问题和方法。 二、系统设计 1 系统目标设计及意义 设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。 2 设计思想 （1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变
的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。 （2）按正常人脉搏数为60~80次/min ，老人为100~150次/min ，在运动后最高跳动次数为240次/ min 设计低通放大器。5Hz 以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。 （3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz 干扰。 （4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA ～3 uA ，所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。 （5）所选的电阻参数要尽量精确， IC 选用偏置电流小、输入失调电压小的运算放大器，考虑到性价比，使用LM324。由于硅光电池的输出短路电流受光照变化较大，使得输出变化大，所以采用12V 双电源供电。 3 整体框图 本系统共分为三个模块： 方框图中各部分的作用是： （1）传感器：将脉搏的跳动转换为电压信号，放大104倍。 （2）一级放大电路：对微弱信号进行放大，放大约20倍 （3）二阶低通滤波电路： 滤除干扰信号并进一步放大，再放大约20倍。 4 单元电路的设计
光电脉搏信号检测电路
医用电子设计报告 光电脉搏信号检测电路 医仪一班黄爽3004202313 一、设计目的与意义 脉搏的概念： 脉搏的广义内容包括心尖搏动波、动脉波和静脉波。其共同特点是频率甚低。动脉脉搏为一般所说的脉搏，由心脏节律性地收缩和舒张引起主动脉中的容积和压力发生改变，从而使动脉管壁出现振动而产生的。脉搏产生后沿管壁向全身动脉传播，在身体浅表有动脉通过的部位，都可触摸到脉搏。所以动脉波的测量相对来说比较方便。 正常动脉波形如图。它由以下几个部分组成。上升支：在心室快速射血期，动脉血压迅速上升，管壁被扩张，形成脉搏波形中的上升支；下降支：心室射血的后期。射血速度减慢，进入主动脉的血量少于由主动脉流向外周的血量，故被扩张的大动脉开始回缩，动脉血压逐渐降低，形成脉搏波形中下降支的前段。随后，心室舒张，动脉血压继续下降，形成下降支的其余部分。因为心室舒张时室内压下降，主动脉内的血液向心室方向返流。这一返流使主动脉瓣很快关闭。返流的血液使主动脉根部的容积增大，并且受到闭合的主动脉瓣阻挡，发生一个返折波，因此在降中峡的后面形成一个短暂的向上的小波，称为降中波。老年人或者高血压病人由于血管顺应性较差，所以降中波不明显或者消失。血管弹性不良而硬化时，上升及下降段也均呈陡峭状。 脉搏能反映心血管系统多方面的状态，如心跳的频率和节律、心脏的收缩力、血管充盈度、动脉管壁的弹性等等。所以脉搏的测定是一项重要的临床检查顶目。中医更将扪脉作为诊治疾病的主要方法。在中医现代化研究中，对脉搏的分析更为细致，可以分辨出迟脉、数脉、代脉、浮脉、弦脉、滑脉和涩脉等等。其中有以频率之不同而区分的（如迟脉、数脉），有以节律区分的（如结脉、代脉），有以深浅和形态区分的（如弦脉、滑脉、涩脉）等。这就要求在设计脉搏传感器时，要对其灵敏度、频响、拾取信号的方向等作认真的考虑。
光电检测器
光纤通信结课论文 题目：光电检测器 学院： xxxxxxxxxxx学院专业班级： xxxxxxxxxxx一班任课教师： xxxxxxxxxxxxxxxx 姓名： xxxx xxxxxx 学号： xxxxxxxxxxxxxxxx 日期： 2009年6月
光电检测器 摘要 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它 主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时 提高检测系统输出信号的信噪比。 关键词光电二极管雪崩光电二极管光电检测光电效应信噪比正文 一、概述 光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于目前我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。 常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。 光检测器的要求：
光电脉搏检测电路
光电脉搏检测电路 设计报告 报告人：陈云 指导教师：李刚
2007年1月12日
目录 1.系统设计 (3) 1.1设计目的 (3) 1.2整体电路 (4) 2.单元电路设计 (4) 2.1光发射电路 (4) 2.2光电转换电路 (5) 2.3前级放大 (5) 2.4滤波电路 (6) 2.5后级放大 (6) 3.系统测试 (6) 3.1测试仪器 (7) 3.2单元电路测试 (7) 3.3系统整体测试 (9) 4.总结 (9) 参考文献 (9)
光电脉搏检测电路 摘要：本电路由光电池、LM324等构成，实现对光电脉搏信号的提取和放大。采用目前效果较好光电池的电流转电压电路实现对脉搏的测量。整个电路的简化能够有效减小器件间匹配和级联引起的干扰，提高脉搏测量精度。在实验测试过程中，采用该光电式脉搏传感器对人体的脉搏进行实时测量，得到比较理想的脉搏波形，为实现脉搏信息的提取和分析提供了参考方案。 1．系统设计 1．1设计目的 1．近年来，随着生活水平的不断提高，人民对健康的观念和医疗的认识也在发生着变化，开始从单纯对疾病的治疗，逐渐转向积极预防和促进健康。而现在社会的快节奏和高压力引起的“亚健康状态”人群的增加使得人们开始越来越注重家庭医疗保健和体育锻炼。脉搏波中包含有丰富的人体生理信号，因此脉搏波的监测在医疗保健和体育锻炼监测中都有重要的意义和广泛的应用。 2．通过亲自动手设计分析制作电路，能让我们从质上对从人体上如何取得医学信号及怎样处理有了一定的了解。 系统组成框图如下：
1．2整体电路 2．单元电路设计 根据设计思路将整体电路分成五大模块介绍。光发射电路、光电转换电路、前级放大、滤波电路及后级放大。 2．1光发射电路 光发射电路采用了常见恒流源电路，通过稳压管使 流过R1的电流为一定值，进而保证流过LED的电流 为恒定值。 电路参数如下：（以下参数均是结合实验室现有元件取 用，与理论上有些误差） 稳压管：2V 三级管：8050 LED：850nm R1：65Ω(20mA) R2：390Ω(5~10mA)
光电转换及信号处理电路设计
光电转换及信号处理电路设计 与CCD等探测器不同，PIN光电二极管对于探测目标输出信号是一个电流信号，而且在距离探测目标较远时照射到探测面的光信号很微弱，在预定电压偏置下输出电流会比较小，因而可以概括PIN的输出信号为一个微弱电流信号，对于PIN的输出信号处理，是一个微弱信号处理的过程。 光电转换及信号处理模块 图1 光电转换及信号处理模块整体设计示意图 通常情况下，电流信号的采集和处理都是比较困难的，故首先需要对PIN 的信号进行电流到电压的转化。微弱电流信号转化而来的电压信号一般也是微弱信号，而且传输线耦合进去的交流噪声有可能会淹没目标信号，故为了提高信噪比，需要在采集之前对信号进行前置放大。 由于被测信号也是可见光信号，在进行光电探测时很容易受到杂散光和PIN 自身暗电流的影响，导致噪声信号和目标信号一同被放大，在后续电路中不易消除，为了减少杂散光和PIN暗电流带来的噪声、背景噪声和元器件噪声，本光电信号处理电路设计了一个参考PIN光电转换电路，用来接收杂散光和背景噪声，参考PIN光电转换电路与探测信号PIN光电转换电路及的参数一致，前置放大电路的参数也一样，但是在实验过程中由于与目标光信号之间的光路被人为完全遮挡，故只能接收到杂散光信号和背景噪声信号。在后续的差分放大电路中通过信号同向相减，把系统噪声和背景噪声去除，保证了最终采集信号具有较高的信噪比。 在最后的滤波电路设计过程中，考虑到被测目标光信号的调制频率不会超过200KHz，而空气和电路中存在着大量的高频噪声，为了保证即将进入数据采集
模块的信号有较高的信噪比，需要滤除掉高频噪声，于是需要根据被测信号频率的不同设计一款低通滤波器或者带通滤波器。 综上所述，本光电转换和信号处理模块由光电转换电路、前置放大电路、差分放大电路和滤波电路四个部分组成，模块整体示意图如图4-1所示。 1 光电转换电路设计 光电二极管的光探测方式有两种结构：一是光电导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流I d，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合；二是光电压模式，在这种模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在暗电流I d，有较低的噪声，线性好，噪声低（主要是热噪声），适合于比较精确的测量[31]。在微弱信号检测中比较常用的是光电压模式，具体光电检测电路图如图2所示。 图2 光电压模式PIN光电转换电路 光电二极管工作于短路状态，极大地降低了暗电流的影响，从而使光电二极管得到最大SNR，进而使后续放大电路仅放大与光强成正比的电流。 考虑到对目标光信号的探测频率不同，本文采用了两款响应率不同PIN光电二极管，用于探测低频光信号的PIN选择的是西门子（SIEMENS）公司的BPX65硅光敏二极管，用于探测高频光信号的高速PIN选择的是日本滨松的S5973硅光敏二极管。 BPX65具有频率响应范围广，暗电流小，高灵敏度等特点，最高工作温度可达125°，其主要特性参数如下所示： （1）光谱响应范围为350nm~1100nm，峰值波长850nm，适合白光测量； （2）暗电流I R≤5nA； （3）光谱灵敏度（Sλ）：0.55 A/W； （4）光敏面接收半角（Half angle）：±45°； （5）受光面积为1mm2，远小于传感器与探测目标的距离；
光电检测实验报告
光电检测技术课程设计 光电脉搏检测电路题目: 小组人员姓名: 专业: 班级: 小组人员学号: 指导教师: 年月日
光电脉搏检测电路 摘要：本电路由光电池、放大器等构成，实现对光电脉搏信号的提取和放大。采用目前效果较好光电池的电流转电压电路实现对脉搏的测量。整个电路的简化能够有效减小器件间匹配和级联引起的干扰，提高脉搏测量精度。在实验测试过程中，采用该光电式脉搏传感器对人体的脉搏进行实时测量，得到比较理想的脉搏波形，为实现脉搏信息的提取和分析提供了参考方案。 一、系统设计 1．系统目标设计及意义 设计制作一个光电脉搏测试仪，通过光电式脉搏传感器对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号，并在显示器上显示所测的脉搏跳动波形，要求测量稳定、准确、性能良好。 2．设计思想 （1）传感器：利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池,由于心脏的跳动,引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化（当心脏收缩时，微血管容积增大；当心脏舒张时,微血管容积减少），当光通过手指尖射到硅光电池时,产生光电效应,两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化,因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化, 而非血液组织(皮肤、肌肉、骨格等)的光吸收量是恒定不变的, 这样就把人体的脉搏(非电学量) 转换为相应于脉博的电信号, 方便检测。（2）按正常人脉搏数为60~80次/min，老人为100~150次/min，在运动后最高跳动次数为240次/ min设计低通放大器。5Hz以上是病人与正常人脉搏波体现差异的地方，应注意保留。 （3）测量中考虑到并要消除的干扰有：环境光对脉搏传感器测量的影响、电磁干扰对脉搏传感器的影响、测量过程中运动的噪声还有50Hz干扰。 （4）由于透过指尖射到硅光电池的光强很小，输出短路电流约为0.1uA～3 uA，所以总共放大106倍以便于观察。传感器得到的脉搏信号极为微弱，很容易淹没在噪声及干扰信号之中，所以对取得的微弱信号先进行放大后再滤波。设计两极放大，因为三级放大个别电路板的零点漂移大得足以达到满幅，测量不准确。每个单级放大器的放大倍数不大于30，以免自激振荡。
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计
光电检测技术中的微弱光信号前置放大电路设计 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比 1光电检测电路的基本构 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图 1 所示 2光电二极管的工作模式与等效模 2．1 光电二极管的工作模 光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图 2 所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏
置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流 1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］ 一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式 2．2 光电二极管的等效电路模 工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图 3 所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL 为二极管的漏电流 ；ISC 为二极管的电流；RPD 为寄生电阻；CPD 为光电二极管的寄生电容；ePD 为噪声源；Rs 为串联电阻 由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为 CPD 和 RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD 是由光电二极管的 P 型和 N 型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如 PIN 光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在 20 或 25pF 到几千 pF 以上。而光电二极管的寄生电阻 RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关 与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容 CPD 的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流 IL 和线性误差