實驗名稱：傳感系統的性能測試

　　測試設備：高壓放大器、函(han)數發生器(qi)(qi)、低(di)通濾波器(qi)(qi)、鎖相放大(da)器(qi)(qi)、光電(dian)探測器(qi)(qi)、電(dian)腦等。

　　圖1：腔(qiang)增(zeng)強光(guang)聲傳感系統。f-EOM，光(guang)纖耦合(he)電(dian)(dian)光(guang)調制(zhi)器(qi)(qi)；f-AM，光(guang)纖耦合(he)LiNbO3強度調制(zhi)器(qi)(qi)；L1，模式匹配透鏡；λ/2，半波片(pian)；PBS，偏振(zhen)分(fen)束(shu)棱鏡；λ/4，四分(fen)之一波片(pian)；L2和(he)L3，聚焦透鏡；PD，光(guang)電(dian)(dian)探測器(qi)(qi)；SG，函數發生(sheng)器(qi)(qi)；LPF，低通濾波器(qi)(qi)；PID，比例積(ji)分(fen)微分(fen)控制(zhi)器(qi)(qi)；HV，高壓(ya)放(fang)大(da)器(qi)(qi)；LIA，鎖相(xiang)放(fang)大(da)器(qi)(qi)；PC，電(dian)(dian)腦

　　實驗過程：

　　為(wei)(wei)(wei)(wei)了驗(yan)證(zheng)所(suo)搭建的(de)(de)(de)(de)腔增強(qiang)(qiang)(qiang)光(guang)(guang)(guang)(guang)聲(sheng)傳感系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)，我們(men)選擇乙(yi)炔（C2H2）氣(qi)(qi)體(ti)(ti)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)(wei)待測(ce)(ce)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)，并選取C2H2分子位于1530.98nm處的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收線(xian)(xian)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)(wei)目標探測(ce)(ce)線(xian)(xian)，C2H2分子在(zai)此(ci)處的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)收線(xian)(xian)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)4.00×10-21cm?molecule-1。對(dui)(dui)乙(yi)炔氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)時(shi)監(jian)測(ce)(ce)在(zai)化工生(sheng)(sheng)產(chan)、電力系(xi)統(tong)、工業過(guo)程(cheng)控制(zhi)(zhi)等多個領域都有(you)著(zhu)十分重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)意義(yi)。實(shi)(shi)驗(yan)中(zhong)(zhong)首先(xian)通(tong)過(guo)波(bo)(bo)長計測(ce)(ce)量(liang)回音壁(bi)模式激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)出(chu)射(she)(she)波(bo)(bo)長，并通(tong)過(guo)調(diao)(diao)(diao)節激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)控制(zhi)(zhi)軟(ruan)件和掃描(miao)電流使(shi)出(chu)射(she)(she)波(bo)(bo)長能(neng)(neng)掃描(miao)過(guo)所(suo)選擇的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)吸(xi)(xi)收線(xian)(xian)。然后使(shi)用(yong)PDH鎖(suo)頻技術將激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)出(chu)射(she)(she)波(bo)(bo)長鎖(suo)定(ding)在(zai)腔模的(de)(de)(de)(de)正中(zhong)(zhong)心，由于此(ci)實(shi)(shi)驗(yan)中(zhong)(zhong)我們(men)主要關注的(de)(de)(de)(de)是光(guang)(guang)(guang)(guang)學腔的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)對(dui)(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)聲(sheng)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)放(fang)(fang)大(da)(da)倍(bei)數，所(suo)以無需(xu)保證(zheng)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)出(chu)射(she)(she)波(bo)(bo)長在(zai)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)吸(xi)(xi)收譜(pu)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)正中(zhong)(zhong)心，只需(xu)使(shi)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)出(chu)射(she)(she)波(bo)(bo)長在(zai)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)吸(xi)(xi)收譜(pu)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)展寬(kuan)范圍內即(ji)可。為(wei)(wei)(wei)(wei)了產(chan)生(sheng)(sheng)光(guang)(guang)(guang)(guang)聲(sheng)信(xin)號(hao)，一(yi)個光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)耦合(he)LiNbO3強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)強(qiang)(qiang)(qiang)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)被(bei)用(yong)來(lai)(lai)對(dui)(dui)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)進(jin)行調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)，高(gao)壓放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)個直流偏置(zhi)和信(xin)號(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)(qi)(qi)（SG3）產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)個占空比為(wei)(wei)(wei)(wei)50%的(de)(de)(de)(de)方波(bo)(bo)來(lai)(lai)驅動強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)工作(zuo)(zuo)。該(gai)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)能(neng)(neng)提(ti)供20dB的(de)(de)(de)(de)直流消光(guang)(guang)(guang)(guang)比，滿(man)足本實(shi)(shi)驗(yan)中(zhong)(zhong)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)需(xu)求。SG3產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)方波(bo)(bo)頻率(lv)(lv)設(she)為(wei)(wei)(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)聲(sheng)池的(de)(de)(de)(de)共(gong)振頻率(lv)(lv)1781.0Hz。由于強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)和光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)耦合(he)器(qi)(qi)(qi)(qi)件對(dui)(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)損(sun)耗(hao)，導致入(ru)(ru)射(she)(she)到(dao)光(guang)(guang)(guang)(guang)學腔前的(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)為(wei)(wei)(wei)(wei)0.7mW。麥克(ke)風探測(ce)(ce)到(dao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)自(zi)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)差分放(fang)(fang)大(da)(da)電路后進(jin)入(ru)(ru)到(dao)鎖(suo)相(xiang)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)，SG3輸出(chu)的(de)(de)(de)(de)TTL信(xin)號(hao)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)(wei)參考信(xin)號(hao)，鎖(suo)相(xiang)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)工作(zuo)(zuo)在(zai)1-f解(jie)調(diao)(diao)(diao)模式，時(shi)間常數設(she)置(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)1s，濾波(bo)(bo)斜(xie)率(lv)(lv)設(she)置(zhi)為(wei)(wei)(wei)(wei)12dB/oct，相(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)探測(ce)(ce)帶(dai)寬(kuan)為(wei)(wei)(wei)(wei)0.25Hz。鎖(suo)相(xiang)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)解(jie)調(diao)(diao)(diao)后的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)被(bei)電腦上自(zi)編的(de)(de)(de)(de)LabVIEW程(cheng)序實(shi)(shi)時(shi)采集和處理。一(yi)瓶500ppm標準(zhun)濃度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)C2H2氣(qi)(qi)體(ti)(ti)和一(yi)瓶純氮(dan)氣(qi)(qi)（N2）通(tong)過(guo)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)稀釋系(xi)統(tong)來(lai)(lai)產(chan)生(sheng)(sheng)不同濃度(du)(du)配比的(de)(de)(de)(de)C2H2/N2混合(he)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)。

　　實驗結果：

　　圖2：(a)激光(guang)(guang)器的(de)掃描電壓信號(hao)(hao)；(b)光(guang)(guang)學腔的(de)透射光(guang)(guang)信號(hao)(hao)；(c)誤差信號(hao)(hao)

　　腔模(mo)(mo)信(xin)號(hao)與(yu)誤差信(xin)號(hao)測試中，為了觀察光(guang)學(xue)(xue)腔的(de)(de)(de)模(mo)(mo)式，實(shi)驗中用(yong)(yong)信(xin)號(hao)發生器(qi)（SG1）產生一(yi)(yi)個頻(pin)率為10Hz的(de)(de)(de)三角(jiao)波(bo)來掃描(miao)激光(guang)器(qi)的(de)(de)(de)出射(she)波(bo)長，并且為了使(shi)(shi)波(bo)長掃描(miao)范圍(wei)能覆蓋到一(yi)(yi)個完整的(de)(de)(de)自(zi)由(you)光(guang)譜(pu)區（FSR）（~0.9GHz），三角(jiao)波(bo)的(de)(de)(de)正負(fu)峰(feng)值通(tong)過(guo)一(yi)(yi)個高(gao)壓放大器(qi)放大到±40V。激光(guang)器(qi)的(de)(de)(de)掃描(miao)電壓信(xin)號(hao)、光(guang)學(xue)(xue)腔的(de)(de)(de)透射(she)光(guang)信(xin)號(hao)和誤差信(xin)號(hao)分(fen)別展示(shi)在圖2(a)、(b)和(c)中。通(tong)過(guo)圖2(b)可以獲得FSR與(yu)腔模(mo)(mo)線寬(kuan)的(de)(de)(de)比(bi)值，通(tong)過(guo)可以計算出腔內的(de)(de)(de)功率增強因子為175，也就意味著(zhu)，在未達到吸(xi)收飽和效應的(de)(de)(de)情況下(xia)，使(shi)(shi)用(yong)(yong)光(guang)學(xue)(xue)腔比(bi)未使(shi)(shi)用(yong)(yong)光(guang)學(xue)(xue)腔時所獲得的(de)(de)(de)光(guang)聲信(xin)號(hao)在理(li)論上(shang)應該強175倍。

　　圖3：有無光學腔(qiang)的光聲信號對比圖

　　有無光(guang)學(xue)腔(qiang)的光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)對比測試(shi)中，為(wei)了(le)(le)對比光(guang)學(xue)腔(qiang)對光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)的增(zeng)(zeng)(zeng)強效果，實驗(yan)中將標準濃(nong)度500ppm的乙炔(gui)氣(qi)體充(chong)入到(dao)氣(qi)室(shi)內，實驗(yan)均在(zai)大(da)氣(qi)壓和室(shi)溫下進行，獲得(de)了(le)(le)使(shi)用光(guang)學(xue)腔(qiang)（腔(qiang)增(zeng)(zeng)(zeng)強光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)傳感(gan)器(qi)）和不使(shi)用光(guang)學(xue)腔(qiang)（傳統光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)傳感(gan)器(qi)）兩種情(qing)況(kuang)下的光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)，如圖3所示，從實驗(yan)結果可以得(de)出光(guang)學(xue)腔(qiang)的使(shi)用使(shi)光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)從44.3μV增(zeng)(zeng)(zeng)強到(dao)7366.8μV，即(ji)光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)增(zeng)(zeng)(zeng)強了(le)(le)166倍。考(kao)慮激光(guang)到(dao)光(guang)學(xue)腔(qiang)的耦合效率為(wei)~95%，而理論上的信(xin)號(hao)增(zeng)(zeng)(zeng)強倍數為(wei)175，因此，實驗(yan)上獲得(de)的光(guang)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)增(zeng)(zeng)(zeng)強倍數與理論計算(suan)值一致。

　　高壓放(fang)大器(qi)推(tui)薦：ATA-2022B

　　圖：ATA-2022B高壓放大器指標參數

　　本資料由(you)Aigtek安(an)泰(tai)電子(zi)整理發(fa)布，更多案例及(ji)產品詳(xiang)情請持續關注我們。西(xi)安(an)安(an)泰(tai)電子(zi)Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相(xiang)當規模的儀(yi)器設備供應商，樣機都支持免費試用。如想(xiang)了解(jie)更多功率放(fang)大器等(deng)產品，請持續關注安(an)泰(tai)電子(zi)官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。