【正文】 目 錄摘要 1關(guān)鍵詞 11 引言 12 基本概念 2 2 2 3 3 PCF 壓力傳感基本原理 4 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)組成 63 光信號(hào)在光子晶體光纖的傳輸特性 7 理論和計(jì)算方法 8 數(shù)值模擬與結(jié)果分析 9　PCF 模型及其纖芯傳播模式 9　PCF 參數(shù)對(duì)其傳輸特性的影響 94 信號(hào)檢測(cè)、解碼及放大系統(tǒng) 10 信號(hào)檢測(cè) 10 光子晶體光纖傳感器檢測(cè)原理 10 光信號(hào)調(diào)制 10 PCF壓力傳感器輸出信號(hào)解碼方案 12 信號(hào)放大電路與信號(hào)處理系統(tǒng) 145 A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法 15 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 15 A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法 17 逐次逼進(jìn)式, 新轉(zhuǎn)換技術(shù) 17 積分式A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) 18 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 20 各種智能A/D轉(zhuǎn)換器的比較 21結(jié)論 22致謝 23參考文獻(xiàn) 24Abstract： 25Keywords： 25智能PCF壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)邱銀平（重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)2008級(jí)重慶萬(wàn)州404000）摘要：壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境。近年來(lái)，隨著光子晶體光纖的快速發(fā)展，智能PCF壓力傳感器已廣泛的用于各種壓力環(huán)境監(jiān)控中。文章分析了智能PCF壓力傳感器的基本工作原理，介紹了智能PCF壓力傳感器的系統(tǒng)組成，從理論上應(yīng)用平面波展開(kāi)法數(shù)值模擬了光子晶體光纖的傳輸特性, 對(duì)PCF傳感器解碼系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分析比較了各種A/D轉(zhuǎn)換方案，提出了實(shí)用于PCF傳感器的最佳A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：智能PCF壓力傳感器 光子晶體光纖 PCF傳感器解碼系統(tǒng) A/D轉(zhuǎn)換 1 引言 光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類(lèi)在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類(lèi)似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的。光子晶體(又稱(chēng)光子禁帶材料)的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能。 光子晶體光纖又被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注，其中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域是光子晶體在光纖技術(shù)中的應(yīng)用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結(jié)構(gòu)（它們通常由以二氧化硅為背景材料的空氣孔組成）。這種被談?wù)撝墓饫w通常稱(chēng)之為光子晶體光纖（PCF），這種新型光波導(dǎo)可方便地分為兩個(gè)截然不同的群體。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體硅），并被二維光子晶體包層所包圍的結(jié)構(gòu)。這些光纖有類(lèi)似于常規(guī)光纖的性質(zhì)，其工作原理是由內(nèi)部全反射（TIR）形成波導(dǎo)；相比于傳統(tǒng)的折射率傳導(dǎo)，光子晶體包層的有效折射率允許芯層有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIRPCF） ，實(shí)際上完全不依賴(lài)于光子帶隙（ PBG ）效應(yīng)。與TIRPCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應(yīng)，它利用這種效應(yīng)把光束控制在芯層內(nèi)。這些光纖（PBGPCF）表現(xiàn)出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導(dǎo)光束在具有比包層折射率低的芯層內(nèi)傳播。相比而言，內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIRPCF）首先是被制造出來(lái)的，而真正的光子帶隙傳導(dǎo)光纖（PBGPCF）只是在近期才得到實(shí)驗(yàn)證明。近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過(guò)程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 2 基本概念光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，電場(chǎng)滿(mǎn)足麥克斯韋波動(dòng)方程： (21)式中，為常數(shù)，可以認(rèn)為是介質(zhì)的平均介電常，是擾動(dòng)介電常數(shù)，c為真空中的光速。在周期性勢(shì)場(chǎng)中，電子的波函數(shù)滿(mǎn)足薛定愕方程： (22)式中，為普朗克常數(shù)，為電子的能量，在周期性勢(shì)場(chǎng)中只能取本征值.可以看出，方程(21)與(22)的形式完全相似. 在周期性勢(shì)場(chǎng)中只能取本征值，因此，在周期性介電晶體中，也只能取某些特征值，光波的頻率也因此只能取某些本征頻率，從而出現(xiàn)了頻率禁帶，這種禁帶叫做光子禁帶或者光子帶隙[3]。頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴(yán)格禁止傳播的。因此，光子晶體就是折射率呈周期分布的光學(xué)介質(zhì)。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類(lèi)似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的。光子晶體光纖又名微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纖 (Holeyfiber，HF)，它通過(guò)包層中沿軸向排列的微小空氣孔對(duì)光進(jìn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)光的軸向傳輸。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無(wú)可比擬的傳輸特性。根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同 , PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類(lèi):全內(nèi)反射型和光子帶隙型。a． 全內(nèi)反射型 PCF導(dǎo)光原理周期性缺陷的纖芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包層折射率 (空氣 ) ,從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的 PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射 , ,由于包層包含空氣 ,所以這種機(jī)理稱(chēng)為改進(jìn)的全內(nèi)反射 ,如圖 21所示。這是因?yàn)榭招?PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。圖21b． 光子帶隙型 PCF導(dǎo)光機(jī)理[5]理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯 PCF的傳導(dǎo)條件 ,即光子帶隙導(dǎo)光理論。在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低 ,但仍能保證光不折射出去 ,這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿(mǎn)足一定條件時(shí) ,其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播 ,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。如圖 22所示 ,這種 PCF可傳輸 99%以上的光能 ,而空間光衰減極低 ,光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的 1 /2～1 /4。圖22 PCF 靈活設(shè)計(jì)的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其具有許多奇異的特性,這樣有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。, 無(wú)論什么波長(zhǎng)都能單模傳輸, 與傳統(tǒng)光纖隨著纖芯尺寸的增加會(huì)出現(xiàn)多?；奶匦员取?似乎不存在截止波長(zhǎng),這就是無(wú)截止單模傳輸特性. PCF 可在從藍(lán)光到2的光波下單模傳輸, 且與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān), 所以通過(guò)改變空氣孔間距來(lái)調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積. 小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生，大模場(chǎng)可防止發(fā)生非線性。這有利于提高或降低光學(xué)非線性, 可用在低非線性通信用光纖, 高光功率傳輸?shù)确矫?。就光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特征來(lái)說(shuō)，它對(duì)波導(dǎo)色散有較高的控制性. 只要改變孔徑與孔間距之比, 即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散，還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài), 例如零色散波長(zhǎng)可以向短波大大推進(jìn), 具有優(yōu)性質(zhì)的色散平坦等等.。在光子能隙導(dǎo)光PCF中, 可以通過(guò)減小光纖的模場(chǎng)面積 (或者減小PCF纖芯空氣孔直徑)來(lái)增強(qiáng)單位有效面積上的光強(qiáng),從而增強(qiáng)非線性效應(yīng), , PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ).。在PCF 中,通過(guò)改變其包層結(jié)構(gòu)可制出高雙折射效應(yīng)的PCF, 只要破壞光子晶體光纖剖面的圓對(duì)稱(chēng)性, 使其成為二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射. 實(shí)際中可通過(guò)減少一些空氣孔,或者改變一些空氣孔的尺寸來(lái)獲得高的雙折射特性。 PCF 壓力傳感基本原理　　在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中，作為敏感元件，采用的是折射率引導(dǎo)型PCF, 其傳播的光脈沖限制在纖芯內(nèi)。當(dāng)有外部壓力作用時(shí)， PCF 內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生面應(yīng)力， 在面應(yīng)力作用下各點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變， 忽略剪應(yīng)力和角應(yīng)變， 在直角坐標(biāo)系中， 正應(yīng)力可表示為[δxδyδz ]， 其中δx 、δy 分別表示x