光電流檢測是對光電效應(yīng)產(chǎn)生的微弱電流進(jìn)行檢測的技術(shù),是一種重要的檢測方法,其應(yīng)用廣泛,在電化學(xué)、天文學(xué)、空間科學(xué)等科研領(lǐng)域,及水質(zhì)檢測、大氣檢測等工業(yè)檢測場景均有應(yīng)用。在光電流檢測中,微弱電流通常指10~(-6)A量級及其以下的電流,而pA級電流屬于極微弱電流。由于極微弱光電流信號具有信噪比低,信號微弱的特點(diǎn),因此微弱信號檢測技術(shù)在光電流檢測中被廣泛應(yīng)用。隨著檢測器件的發(fā)展和檢測需求的增加,被檢測的光電流信號越來越微弱,應(yīng)用場景越來越多。但在應(yīng)用中還有很多需求和問題需要滿足和解決。第一,一般微弱光電流檢測儀器價格昂貴,體積較大,不適用于工業(yè)現(xiàn)場檢測環(huán)境,且無法批量生產(chǎn)和嵌入到工業(yè)檢測系統(tǒng);第二,對于基于鎖定放大器的極微弱光電流檢測系統(tǒng),在一些檢測場景中電流信號的調(diào)制頻率會產(chǎn)生漂移,使鎖定放大器產(chǎn)生頻率鎖定誤差,對檢測結(jié)果造成影響,限制了檢測系統(tǒng)的應(yīng)用。針對上述問題,本文對極微弱光電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā),使其可應(yīng)用于室外或工業(yè)檢測環(huán)境中;對于頻率鎖定誤差問題,本文基于鎖定放大器的工作原理,提出校正方法。本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)包括:1.針對極微弱光電流檢測系統(tǒng)小型化、工業(yè)應(yīng)用化的問題。在極微弱光電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,將系統(tǒng)分為前端模擬部分和數(shù)字處理部分,在前端模擬部分中對光電流檢測和調(diào)制驅(qū)動光源進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),在檢測部分中根據(jù)檢測頻率加入BPF提高信噪比,并利用電源隔離措施避免額外供電。在數(shù)字處理部分利用MCU實(shí)現(xiàn)鎖定放大算法,減少系統(tǒng)復(fù)雜度。在實(shí)際測試中,該系統(tǒng)的檢測靈敏度可達(dá)5fA,完全滿足一般光電流檢測的需要。2.針對頻率鎖定誤差降低檢測精度的問題,提出鎖定放大器的改進(jìn)方法。本文提出鎖定頻率跟蹤法和平頂LPF法。鎖定頻率跟蹤法是將鎖定放大器的內(nèi)部參考頻率進(jìn)行實(shí)時修正,使其與調(diào)制頻率相等,從而對頻率鎖定誤差進(jìn)行校正,提高檢測精度。平頂LPF法是將鎖定放大器內(nèi)部的LPF通帶特性進(jìn)行平頂化,來增加鎖定放大器的檢測帶寬,使可接受的鎖定頻率誤差范圍增大。3.針對一般商用鎖定放大儀器無法進(jìn)行頻率鎖定誤差校正的問題,本文基于鎖定頻率跟蹤方法設(shè)計(jì)通用附件,使儀器增加頻率鎖定誤差校正功能。該附件利用鎖定放大儀器的RS-232通信接口,讀取在檢測過程中的測量參數(shù),計(jì)算后對儀器的測量參數(shù)進(jìn)行修正,可校正頻率鎖定誤差,將檢測精度提高到儀器的最大限度。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM933.1
【部分圖文】：

TIA），以 TI 公司的 OPA657 型直接實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性中的恒電流恒電位儀，集成光路的微弱CT 中的微弱電流檢測量級一般在 μA 或應(yīng)用較為少見，但檢測需求一直存在。器件介紹電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，其探測器對不同波長的光譜響應(yīng)不同，不器。例如在檢測人體的存在或移動時，段的光需要有較高響應(yīng)。Thorlabs 公司產(chǎn)的 FGAP71 型磷化鎵光電二極管為例

圖1.3 5402 型電流前置放大器大器，在最高增益 1G V/A 時，帶寬最大限度的降低噪聲，采用鋰離子電福研究系統(tǒng)公司（Standford Resea京鴻賓微弱信號檢測有限公司，均比如表 1.3 所示。.3 不同廠家前置電流放大器參數(shù)對比廠家 增益阻值 帶寬al Recovery 1G V/A 100kHford Researchems1G V/A 200 Hzorporation 1G V/A 100kH

J較大，不適用于高速應(yīng)用。光伏模式如圖 2.3 所示。圖2.3 光電二極管光伏工作模式示意圖光電二極管工作在光伏模式時，后續(xù)負(fù)載電阻不能過大，且在光電流產(chǎn)生過程中偏置電壓需要保持為零，否則會降低整體電路的響應(yīng)速率，對后續(xù)負(fù)載電阻和電容產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。因此，具有低輸入阻抗、高增益的跨阻型電流-電壓轉(zhuǎn)換電路在對光電二極管電流信號的處理上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。2.2.2 微弱電流信號電流-電壓轉(zhuǎn)換電路電流-電壓轉(zhuǎn)換（IV 變換）電路可以將微弱的電流信號放大為幅值可以進(jìn)行檢測的電壓信號。IV 變換電路采樣基于負(fù)反饋的電流輸入放大器，其基本電路如圖 2.4 所

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本文編號：2822434