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FTIR光谱仪的微弱信号检测技术

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：王玮

[导读] 摘要：微弱信号检测技术是一种新型的科技技术，其在分析和设计FTIR光谱仪中信号检测模块电路时，主要是选用适宜的信号处理方法和电子学知识，从背景噪声中对有用信号进行提取和放大，以便更深入了解电路噪声来源及传播途径，进而采取相应的抑制技术和信号检测方法从根本上规避电路噪声的产生，进一步实现FTIR光谱仪的优质利用。

        广东美塑塑料科技有限公司广东东莞 523000
        摘要：微弱信号检测技术是一种新型的科技技术，其在分析和设计FTIR光谱仪中信号检测模块电路时，主要是选用适宜的信号处理方法和电子学知识，从背景噪声中对有用信号进行提取和放大，以便更深入了解电路噪声来源及传播途径，进而采取相应的抑制技术和信号检测方法从根本上规避电路噪声的产生，进一步实现FTIR光谱仪的优质利用。本文也会对FTIR光谱仪微弱信号检测电路设计及电路噪声分析中的微弱信号检测技术有效应用进行着重的分析，以便为相关人士提供可靠参考。
        关键词：FTIR光谱仪；微弱信号检测技术；应用分析
        现如今，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR光谱仪）在我国军事、医疗及工农业生产领域中都有着十分突出的应用成效，因为该仪器具有较精准的检测精度和较高的信噪比和光通量，可以实现多通道同时测量目标，因此，在物质结构分析及成分鉴定等方面，光谱仪的有效运用已成为必不可少的重要组成部分。而信号检测电路又是FTIR光谱仪的关键组成要素，其对仪器的最小可测信号、仪器信噪比等参数的准确确定有着很大的影响，因此，要想进一步扩大FTIR光谱仪的应用范围，首要任务就是要利用先进的微弱信号检测技术对FTIR光谱仪中信号检测模块电路进行深入的分析和设计。
        1.FTIR光谱仪的微弱信号检测电路设计
        1.1低噪声偏置电路设计

        图一
        图一为FTIR光谱仪低噪声偏置电路设计方案，在设计过程中，一般要根据FTIR光谱仪使用场合合理确定偏置电路的形式，使其能够实现光谱仪的最佳运行状态。通常，可以将其设计成为恒流偏置电路、恒压偏置电路以及恒功率偏置电路三种形式。另外，在电源降噪控制方面，可以采用信号平均或压缩带宽技术来对有用信号进行提取。但由于前者技术操作较为复杂，因此，为了确保信号提取效果，应尽量采用后者。在提取过程中，若是直流供电电源，则要通过有源滤波或者无源滤波的形式来体现压缩带宽技术的应用优势，但由于无源滤波形式会对电源信号造成衰减影响，且无法对通带进行调整，因此，在采用有源滤波形式时，必须通过基于三极管电路来实现。即采用功耗小、电流特性好、增益高的NPN型晶体管来搭建射级跟随电路，因为该电路具有较高的输入阻抗，可以促进FTIR光谱仪在运行过程中不会出现较大的电源消耗及输入信号损失现象，且可以很好的实现电压跟随。另外，为了降低工频干扰，还要在基级以及发射级中添加适量的电容。并将元件R7、C12、C13与基级进行有效连接，以便可以彻底将电路中的脉动成分进行滤除。此外，要想获得理想的信噪比，应将偏置电流设置在10-15mA之间，并以三极管电路的发射级输出电压作为偏置电压。
        1.2跨阻电路的设计
        FTIR光谱仪所输出的微变交流信号十分微弱，且容易受到背景噪声所干扰，因此，为了避免这种情况的发生，获得良好的微弱信号检测检测效果，就要合理设计低噪声、高增益的前置放大电路。在实际设计过程中，相关工作人员应掌握以下三方面设计要点：首先，要采用低噪声、高精密的优质元器件，在这一过程中，除了要考虑噪声因素，还要对阻抗匹配以及低噪声需求进行全面了解；其次，要对原有的前置电路设计方式进行全面的优化；最后，要对部分电路布线方式进行相应的优化，以便可以很好的规避板子布局布线的干扰。
        2.FTIR光谱仪的电路噪声分析
        2.1噪声类型
        FTIR光谱仪电路系统主要是由有源器件和无源器件所组成。这些部件在不同频段下会产生不同程度的噪声，常见的噪声种类有：电阻热噪声、PN结的散弹噪声以及1 /f噪声和爆裂噪声几种形式。其中，
        电阻热噪声是指导体在未通电的情况下，由于导电材料中电子的随机运动在导体两端形成积累，进而产生了电压的波动；P/N结中的散弹噪声则是由于晶体管内的电子空穴发射顺序不规范，从而在单位时间内通过PN结的带电粒子数量所产生的波动所致；I /f噪声则是因为导体接触时接触点的电导随意变化所致，一般接触不良的部件都会产生该噪声；爆裂噪声是因为经由PN结电流发生突变所致，从信号组成来看，该噪声主要是由一些幅值相同宽度不同的信号所组成。通常半导体材料的爆裂噪声是一定的，而材料自身的杂质掺杂以及制作工艺都会影响到爆裂噪声的出现频率。
        2.2检测电路的噪声分析方法
        2.2.1电阻噪声分析方法
        电阻噪声分析主要是对热噪声的分析。最常见的噪声分析法如图二所示，即建立在等效电压噪声模型基础上的分析方法。通过该分析法可以得知，对电阻噪声的分析，应将理想无噪声的电阻与噪声电压源进行串联，或将其与噪声电流源进行并联。而对该等效电路进行分析，则要按照公式来对噪声电压值进行计算。

        图二（a：电阻b：电压型噪声等效电路c：电流型噪声等效电路）
        2.2.2运放电路噪声分析
        运放电路是由运放以及电阻电容等器件所组成，对于运放的电路噪声进行分析，是指对电阻产生的热噪声以及运放的噪声电压和噪声电流进行计算。在计算过程中一般都要根据数据手册中的参数以及等效噪声模型来进行。而运放建立的等效噪声模型，如图三所示，主要是由一个理想无噪声运放在同相端串入电压与电流噪声源，在反相输入端串联电流噪声源所组成。而等效电压源噪声应按照公式 4KTRdf来获得；等效电流源噪声则要按照公式 4KT/RDf来获得。运放输出端总噪声则是要先对运放电路输入端进行叠加后，再乘以增益来获得。

        图三（运放等效噪声模型）
        3.光谱实验对比分析
        为分析本论文中设计的信号检测电路在实际光谱仪中的效果，通过光谱实验来验证其电路改变前后对同一样品的信号影响的结果。在实验过程中，首先要对仪器的信噪比进行计算，通常选用大气中H2O和CO2干扰较小的2100-2200cm-1或2500-2600cm-1光谱区间进行测量，而光谱仪的噪声则用透过率法或吸光度法来测定，信噪比则按照公式SNR= 进行计算，其中，N代表透过率法所测得的光谱噪声峰值、SNR代表光谱仪的信噪比。这其中，透过率谱分别为单次采集的光谱数据透过率谱的比值。当仪器处于理想运行状态下时，两次所得的谱线均无噪声，所以比值为1。实际实验过程中，由于仪器噪声的存在，因此通过计算100%z线的峰峰值即可得到仪器的信噪比。光谱测试实验开展阶段，光源采用空气制冷的碳硅棒红外光源，探测器密封在杜瓦罐内，测试时加入液氮进行制冷降低探测器噪声。并将信号检测电路与测试系统进行连接，以便可以同时与A/D转换信号采集电路进行工作。另外，还要采用实验室开发的在线采集软件得到双边采样的干涉数据。利用MATLAB对干涉数据进行FFT处理，处理结果如表一所示：

        表一
        从表一数据对比结果来看，本论文设计的微弱信号检测模块在电路改造后的光谱仪信噪比要高于改造前的信噪比。这说明FTIR光谱仪对同一电路的影响程度也是不尽相同，因此，要想进一步提高检测电路的动态范围兼顾电路噪声，应在以后的研究中可以向通用型即可装载在不同光谱仪的检测模块方向去研究。
        结束语
        FTIR光谱仪可以应用于对气体、液体以及固体样品进行分析。随着拉曼光谱技术等新技术的出现，通过与相关技术相结合，FTTR红外光谱仪在检测物质的成分及化学结构方面发挥了重要作用。因此，要想促使其应用范围得到进一步的扩大，就要对其微弱信号检测模块电路设计以及电路噪声进行深入的分析。
        参考文献：
        [1]张洋.被动红外光谱仪中微弱信号检测技术的研究[J].中北大学.2018（03）15-16.
        [2]占细雄，林君，周志恒.近红外光谱仪中的微弱信号检测技术[J].仪器仪表学报，2018，（01）：29-31.