白光干涉仪发射-接收机设计

　　1　引　言

　　白光干涉系统可以用来测量压力、厚度、温度、位置等,具有分辨率高、抗干扰能力强、精度高、操作方便等优点,近年来得到了广泛的研究和应用[1,2]。白光干涉测量最常用的低相干宽谱光源有半导体发光二极管(LED)和超高亮度发光二极管(SLED),其中SLED输出功率大,对温度和驱动电流非常敏感,需加恒温恒流控制。而LED的输出功率小,对温度没有严格的要求。

　　以LED为光源的白光干涉仪发射-接收机的关键设计由LED驱动电路的稳定性和光电探测器的高频响应决定。LED的驱动方式有静态驱动(直流驱动)和动态驱动,应根据实际需要合理选择。本设计采用直流驱动,避免LED正向电压的改变而引起电流变动,使LED的输出稳定。直流驱动的关键在于保持驱动电流的稳定。光电探测器是整个设计中重要的一部分,他既是后续电子检测系统的前端设备,又是前级光学系统的光信息输出和转换设备,直接涉及到整个系统的光信息检测的性能[3]。目前,光电探测器的种类很多,有雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管,普通的光敏二极管,PIN光电二极管等,其性能各不相同,需根据要求合理选择。白光干涉接收机要求所选光电探测器具有良好的频率特性以及线性特性,频率响应不仅与探测器本身有关,还与负载电阻有关,因此探测器和负载电阻的合理选择是实现高频响应的关键。

　　本文详细阐明了白光干涉仪发射和接收机设计过程,特别是以上两个关键设计。选择中心波长为1 310 nm的发光二极管作为光源,LED发射电路采用直流驱动。选择PIN光电二极管作为光电探测器, ICL7650斩波自稳零集成运算放大器用作阻抗变换器,不仅使PIN光电二极管工作在短路状态,而且实现了I V转换。该白光干涉仪具有稳定性好、噪声低、光电流可调、寿命长等特点。

　　2　电路设计

　　2.1　发射部分

　　2.1.1　发射电路的设计

　　发射电路即LED驱动电路,稳压电源提供+5 V电压,其电路图如1所示,主要由三端可调集成稳压器LM317、限流电阻R、电位器、LED、串连电阻R1和R2组成。

　　2.1.2　LED的选择

　　选用中心波长为1 310 nm的发光二极管作为白光干涉仪的光源,谱宽约40 nm,相干长度约43μm。他的工作电流为100 mA,出纤光功率100μW以上,寿命大于10 000 h,带有标准活动光纤连接器。

　　2.1.3　限流电阻和串联电阻

　　LED的驱动选用直流驱动方式,而且在实际使用中,LED的工作时间较长,保持电路的稳定性是关键,考虑以上因素,选择了常见的可调集成稳压器LM317。他无固定的输出电压值,只控制Vout和ADJ接脚间的电压差为1.25 V,LED的最大工作电流为100 mA,驱动电流超过此值时光信号会产生过冲现象[4],而且对光源的寿命也会有影响。本设计中,限流电阻的使用避免了驱动电流超过LED的最大工作电流,限流电阻的阻值为: