專利名稱：一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置及方法，屬于分布式光纖傳感領(lǐng)域。
技術(shù)背景
雪崩光電探測器(APD)是分布式光纖傳感器系統(tǒng)中將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的關(guān)鍵部件，雪崩光電探測器的增益穩(wěn)定情況直接影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)及穩(wěn)定性；但是雪崩光電探測器的增益深受工作環(huán)境溫度和施加到雪崩光電探測器的電壓的雙重影響，要想保持雪崩光電探測器增益不變，必須在環(huán)境溫度變化時，精確改變加到其上的電壓值?，F(xiàn)在解決這種問題的方法主要有兩種，一種是將雪崩光電探測器置于一個溫度恒定系統(tǒng)中，但這種方法需要引入一個恒溫系統(tǒng)，控制方式復(fù)雜，增多了系統(tǒng)的風(fēng)險點，同時也大大增大系統(tǒng)整體體積，受到很大限制；另一種方法是使用溫敏電阻在環(huán)境溫度變化時補(bǔ)償雪崩光電探測器電壓，控制雪崩光電探測器增益不變，但雪崩光電探測器增益受溫度和電壓影響是非線性的，此種方法經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)整后，在較小的溫度范圍內(nèi)還可以滿足要求，但在零下5至50°C范圍內(nèi)，雪崩光電探測器增益仍有較大改變。分布式光纖傳感器系統(tǒng)需要一種在較寬溫度范圍內(nèi)能夠精確補(bǔ)償雪崩光電探測器(APD)的響應(yīng)的裝置和方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種精確補(bǔ)償雪崩光電探測器(APD)的非線性響應(yīng)，使雪崩光電探測器(APD)在較寬的溫度范圍內(nèi)(零下5至50°C)增益保持恒定的裝置及方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置及方法，包括數(shù)字溫度傳感器、將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的雪崩光電探測器、對電壓實行閉環(huán)控制的電壓綜合控制模塊、用于數(shù)據(jù)存儲的外部E2PR0M，其特征在于所述數(shù)字溫度傳感器和雪崩光電探測器被夾持在一個鋁質(zhì)熱沉夾具中；所述數(shù)字溫度傳感器將雪崩光電探測器實時溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給電壓綜合控制模塊，所述電壓綜合控制模塊輸出電壓信號給雪崩光電探測器，所述電壓綜合控制模塊與外部E2PR0M之間進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。
本發(fā)明的有益效果是采用高精度數(shù)字溫度傳感器準(zhǔn)確監(jiān)測APD溫度，通過和APD 實際響應(yīng)曲線擬合得到的公式精確計算施加到APD的電壓，并在ADC反饋的基礎(chǔ)上通過DAC 精確調(diào)整施加到APD的電壓值，很精確的控制APD增益在零下5至50°C溫度范圍內(nèi)保持恒定。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
進(jìn)一步，所述電壓綜合控制模塊包括微控制器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，雪崩管電源，所述雪崩管電源與雪崩光電探測器相連接，為雪崩光電探測器提供工作電壓，所述微控制器與外部E2PR0M相連接，用于數(shù)據(jù)的存取，所述微控制器還與數(shù)字溫度傳感器相連接，用于獲取溫度信息，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與雪崩管電源相連接，用于檢測雪崩管電源的電壓3信號，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微控制器相連接，用于將電壓信號傳送給微控制器，所述微控制器還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連接，用于傳送調(diào)整信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器與雪崩管電源電壓調(diào)整端相連接，用于傳送模擬電壓信號，從而調(diào)整雪崩管電源的輸出電壓。
進(jìn)一步，所述雪崩管電源的電壓調(diào)整端輸入0至2. 5V的電壓時，其輸出端可對應(yīng)輸出0至300V范圍內(nèi)的電壓值。
采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是利用微控制器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出調(diào)整雪崩管電源的輸出，使雪崩管電源的輸出可以精確補(bǔ)償雪崩光電探測器 (APD)的非線性響應(yīng)，使雪崩光電探測器(APD)在較寬的溫度范圍內(nèi)(零下5至50°C)的增益保持恒定。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明雪崩光電探測器(APD)在零下5至50°C范圍內(nèi)保持100倍增益以5°C為間隔分段測定的電壓值列表；圖3為本發(fā)明分段電壓測定值曲線(系列1)及擬合曲線(系列2)圖； 附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下1、外部E2PR0M，2、電壓綜合控制模塊，3、微控制器，4、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，6、雪崩管電源，7、雪崩管光電探測器(APD)，8、數(shù)字溫度傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
實施例1參見附圖1至3，本發(fā)明包括數(shù)字溫度傳感器8、將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的雪崩光電探測器(APD) 7、對電壓實行閉環(huán)控制的電壓綜合控制模塊2、用于數(shù)據(jù)存儲的外部E2PR0M 1，其特征在于所述數(shù)字溫度傳感器8和雪崩光電探測器(APD) 7被夾持在一個鋁質(zhì)熱沉夾具中；所述數(shù)字溫度傳感器8將雪崩光電探測器(APD) 7實時溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給電壓綜合控制模塊2，所述電壓綜合控制模塊2輸出電壓信號給雪崩光電探測器 (APD) 7，所述電壓綜合控制模塊2與外部E2PR0M 1之間進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。
所述電壓綜合控制模塊2包括微控制器3，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 5，數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 4，雪崩管電源6，所述雪崩管電源6與雪崩光電探測器(APD) 7相連接，為雪崩光電探測器(APD) 7提供工作電壓，所述微控制器3與外部E2PR0M 1相連接，用于數(shù)據(jù)的存取，所述微控制器3還與數(shù)字溫度傳感器8相連接，用于獲取溫度信息，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與雪崩管電源6相連接，用于檢測雪崩管電源6的電壓信號，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 5與微控制器3相連接，用于將電壓信號傳送給微控制器3，所述微控制器3還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 4相連接，用于傳送調(diào)整信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 4，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 4與雪崩管電源6電壓調(diào)整端相連接，用于傳送模擬電壓信號，從而調(diào)整雪崩管電源6的輸出電壓。
與雪崩光電探測器(APD) 7緊密固定在一起的數(shù)字溫度傳感器8實時監(jiān)測到雪 v崩光電探測器(APD)的溫度T，微控制器3經(jīng)過計算得到此時應(yīng)該施加到APD 7的電壓值 Vt，同時模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 5檢測到雪崩管電源6的當(dāng)前電壓Vo，雪崩管電源6電壓偏差 V (V =Vt-Vo),然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 4將雪崩管電源6電壓調(diào)整V，使APD 7的溫度變化時雪崩管電源6的電壓一直趨于Vt，以保持雪崩光電探測器(APD) 7增益不變。在此裝置中ADC 5起到了電壓反饋的作用，還可以用于判斷雪崩管電源6工作是否正常。
附圖2是保持雪崩光電探測器(APD) 7增益為100倍時在零下5至50°C范圍內(nèi)測得的應(yīng)施加到雪崩光電探測器(APD) 7的電壓列表，繪制曲線附圖3中系列1所示，可以看出雪崩光電探測器(APD) 7響應(yīng)的是非線性的。為了準(zhǔn)確得到針對某個溫度的雪崩光電探測器(APD) 7電壓值，就需要首先對此曲線進(jìn)行擬合，曲線擬合工具有很多種，在本實施例中采用excel作為擬合工具對分段電壓測定值曲線進(jìn)行擬合，擬合后得到擬合系數(shù)并將其存入外部E2PR0M 1中，在系統(tǒng)初始化時微控制器3從外部E2PR0M 1中讀取出擬合系數(shù)，微控制器3通過數(shù)字溫度傳感器8得到雪崩光電探測器(APD) 7的實時溫度T，依據(jù)擬合公式計算得到響應(yīng)電壓Vt。經(jīng)計算，此曲線(圖3中系列1曲線)的擬合公式為Vt 9 m.OlIT2 S-544F =185.0 (_5°C彡 T ( 500C)其響應(yīng)曲線為附圖3中系列2，可以看出系列2和系列1曲線基本重合，擬合準(zhǔn)確度達(dá)到 99. 9%ο
理論上，對雪崩光電探測器(APD) 7響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，雪崩光電探測器(APD) 7 取的測試點越多擬合效果越好，在響應(yīng)溫度段內(nèi)雪崩光電探測器(APD) 7任意溫度下的電壓越準(zhǔn)確，這樣就保證雪崩光電探測器(APD) 7在此溫度段內(nèi)的增益更穩(wěn)定，測試點間隔 5°C已經(jīng)可以保證雪崩光電探測器(APD) 7在零下5至50°C范圍內(nèi)增益誤差在士0. 之內(nèi)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置，包括數(shù)字溫度傳感器、將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的雪崩光電探測器、對電壓實行閉環(huán)控制的電壓綜合控制模塊、用于數(shù)據(jù)存儲的外部 E2PR0M，其特征在于所述數(shù)字溫度傳感器和雪崩光電探測器共同被夾持在一個鋁質(zhì)熱沉夾具中；所述數(shù)字溫度傳感器探測雪崩光電探測器的實時溫度信息并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給電壓綜合控制模塊，所述電壓綜合控制模塊輸出電壓信號給雪崩光電探測器，所述電壓綜合控制模塊與外部E2PR0M之間進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置，其特征在于所述電壓綜合控制模塊包括微控制器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，雪崩管電源，所述雪崩管電源與雪崩光電探測器相連接，為雪崩光電探測器提供工作電壓，所述微控制器與外部E2PR0M相連接，用于數(shù)據(jù)的存取，所述微控制器還與數(shù)字溫度傳感器相連接，用于獲取溫度信息，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與雪崩管電源相連接，用于檢測雪崩管電源的電壓信號，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微控制器相連接，用于將電壓信號傳送給微控制器，所述微控制器還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連接，用于傳送調(diào)整信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器與雪崩管電源電壓調(diào)整端相連接，用于傳送模擬電壓信號，從而調(diào)整雪崩管電源的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置，其特征在于所述雪崩管電源的電壓調(diào)整端輸入0至2. 5V的電壓時，其輸出端可對應(yīng)輸出0至300V范圍內(nèi)的電壓值。
4.一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償方法，該補(bǔ)償方法包含以下步驟X首先要在保持雪崩光電探測器輸出增益不變，且溫度在零下5至50°C范圍內(nèi)的條件下，以大于或等于1°C并小于55°C為溫度間隔記錄對應(yīng)實驗測得的電壓值，并以溫度與電壓點對點的關(guān)系為數(shù)據(jù)信息繪制分段電壓測定值曲線；S擬合處理對所繪制的分段電壓測定值曲線利用曲線擬合工具進(jìn)行擬合，得到擬合公式為其中，a、b、c是在零下5至50°C范圍內(nèi)擬合曲線的擬合系數(shù)值； S、根據(jù)擬合公式中的擬合系數(shù)，形成目標(biāo)電壓計算公式其中，溫度T通過數(shù)字溫度傳感器探測測得；1:檢測被控裝置的電壓，若檢測電壓值大于目標(biāo)電壓值，則減小數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，若檢測值小于目標(biāo)電壓，則增大數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而調(diào)整被控裝置電壓值到目標(biāo)電壓值Vt。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雪崩光電探測器信號補(bǔ)償裝置及方法，屬于分布式光纖傳感領(lǐng)域，本發(fā)明通過一種基于負(fù)反饋的硬件檢測控制裝置，包括數(shù)字溫度傳感器、電壓綜合控制模塊、外部E2PROM、雪崩光電探測器(APD)，使用非線性的曲線擬合數(shù)據(jù)計算方法，精確補(bǔ)償雪崩光電探測器(APD)的響應(yīng)非線性，使雪崩光電探測器(APD)在較寬的溫度范圍內(nèi)(零下5至50℃)增益保持恒定，很大程度的提高分布式光纖傳感器在較寬溫度范圍的測量精度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01F1/50GK102519522SQ20111043464
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者張勇, 張永慶, 霍佃恒, 靳占軍, 馬宏 申請人:煙臺睿創(chuàng)微納技術(shù)有限公司