【正文】 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)院電子信息工程專業(yè)2008級重慶萬州404000）摘要：壓力傳感器是工業(yè)實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，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。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。 光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來引起廣泛關(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。這些光纖有類似于常規(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。相比而言，內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIRPCF）首先是被制造出來的，而真正的光子帶隙傳導(dǎo)光纖（PBGPCF）只是在近期才得到實驗證明。 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)。因此，光子晶體就是折射率呈周期分布的光學(xué)介質(zhì)。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設(shè)計和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運動的目的。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)光機理依然是全內(nèi)反射 , ,由于包層包含空氣 ,所以這種機理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射 ,如圖 21所示。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時 ,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。, 無論什么波長都能單模傳輸, 與傳統(tǒng)光纖隨著纖芯尺寸的增加會出現(xiàn)多模化的特性比。就光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特征來說，它對波導(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), 例如零色散波長可以向短波大大推進(jìn), 具有優(yōu)性質(zhì)的色散平坦等等.。 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)。 其中δx 、δy 分別表示x 和y 軸所受的橫向應(yīng)力，δz 表示PCF 軸向即z 方向受到的應(yīng)力； 正應(yīng)變量可表示為[ εx根據(jù)彈性力學(xué)理論可以證明C11 = C22 = C33 , C12 = C13 = C21 = C23 = C31= C32 , 則在外界壓力作用下PCF 中產(chǎn)生的應(yīng)變與靜壓力在PCF 中形成的應(yīng)力之間的關(guān)系如下： (25) 應(yīng)力作用下PCF 的光學(xué)特性會發(fā)生改變， 并導(dǎo)致PCF 纖芯有效折射率發(fā)生改變， 根據(jù)彈光理論， 這個改變量可表示如下： （26） 式中， n0 為纖芯未受壓力時的折射率； E 為楊氏模量； 為硅光纖泊松比； p 1p 12 均為PCF 彈光系數(shù)。在外界壓力作用下， PCF中會產(chǎn)生應(yīng)力， 由于應(yīng)力作用， PCF 的長度、橫截面結(jié)構(gòu)及折射率分布將出現(xiàn)波動， 并引起相位延遲的波動， 可以在PCF 傳感器輸出端采用特殊的裝置檢測出這種改變， 并進(jìn)一步檢測出外界環(huán)境壓力的改變， 這就是PCF 壓力傳感器的基本原理。光源函數(shù)發(fā)生器調(diào)制器解碼單 元輸出系 統(tǒng)耦合器導(dǎo)入光纖傳感器導(dǎo)入光纖傳感器系統(tǒng)L1 L2 L3傳感器S3 S2 S1D3D2D1 CR3R2R1A3A2A1信號處理單元 放大器濾波器計算機A/D轉(zhuǎn)換器圖24 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)模型 對式（27） 進(jìn)行微分， PCF 壓力傳感器激光光源發(fā)出的光脈沖經(jīng)過敏感元件后其相位波動可表示為： 。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。這些特點也使得光子晶體光纖成為好的傳輸材料, 通過改變PCF空芯的大小、排列、形狀和間距等參數(shù), 實現(xiàn)許多傳統(tǒng)光纖所沒有的性質(zhì)。 H ——磁場。 k ——波矢量。我們只需要解其中一個方程, 求出本征值, 就可以算出色散系數(shù)，改變的方向, 重復(fù)上述步驟, 就可以得到光子晶體光纖傳播模式圖。 ——導(dǎo)模的模式折射率。 數(shù)值模擬與結(jié)果分析　PCF 模型及其纖芯傳播模式光子晶體光纖的模型如圖31 所示, 其基質(zhì)為二氧化硅, 材料折射率n= 1. 45, 空氣孔直徑d =0. 3, 相鄰兩空氣孔中心的間距為= 2. 3,= 0. 13決定單模輸出, 圖32 所示光子晶體光纖纖芯的傳播模式圖, 纖芯保持單模傳播, 通過傅里葉變換得到遠(yuǎn)場模式。通過改變包層空氣孔的大小也可以改變其傳輸特性, 這個主要通過PCF 的色散特性表現(xiàn)出第2 期梁蘭菊等: 光子晶體光纖傳輸特性的研究551來。 圖33光子晶體光纖k波矢量和頻率的關(guān)系 圖34 光子晶體光纖的色散關(guān)系4 信號檢測、解碼及放大系統(tǒng) 信號檢測 光纖傳感器按照被測對象的不同，又可以分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。為此，我們以相位調(diào)制為例，介紹PCF智能傳感器的信號檢測系統(tǒng)。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位光強的轉(zhuǎn)換任務(wù)。干涉場中各點的光強可表示為 （41）式中，是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。其中一束射向固定反射鏡，然后反射回到分束器，被分束器透射的那一部分光由光探測器接收，被分束器反射的那部分光返回到激光器。由式（41）和(42)可知，可動反射鏡每移動=長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，即變化一個周期。激光器光探測器3dB反射光纖端面可動斷S（1）圖 42 光纖邁克爾遜干涉儀圖中以一個3dB耦合器取代了分束器，光纖光程取代了空氣光程，而且以敏感光纖作為相位調(diào)制元件。如圖43所示，強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測物理量引起光纖中的傳輸光光強變化，通過檢測光強的變化實現(xiàn)對待測物的沒量，一恒定光源發(fā)出的強度為的光注入傳感頭，在傳感器頭內(nèi)，光在被測信號的作用下其強度發(fā)生變化，即受到了外場的調(diào)制，使得輸出光強的包絡(luò)線與被測信號的形狀一樣，光電探測器測出的輸出電流也作同樣的調(diào)制，信號處理電路再檢測出調(diào)制信號，就得到了被測信號。石英板能夠關(guān)于入射波束進(jìn)行一定的傾斜，以確保每個解碼信道的干涉信號保持不同的初始相位。同時，所有干涉信號的對比度實際上都保持一致，這是因為與干涉帶的快速變化的強度相比，是隨著光路徑延遲的不均衡度（）的緩慢變化的函數(shù)。這也更易識別出相位變化的方向。依照△Rxs的特征，初始量程差關(guān)系應(yīng)至少滿足下列條件中的一個: （47）如果系統(tǒng)精度達(dá)到了2，則上述條件都能夠滿足。5176。在這種解碼方案中，解碼系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，延遲板厚度必須要理想選擇，否則其引入的光程差不能補償傳感器系統(tǒng)所引入的光程差，探測信道輸出的光強改變不明顯，解碼系統(tǒng)不能探測出光強變化，系統(tǒng)也就不能探測外界壓力或溫度的改變值。②檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，能對復(fù)雜的瞬變信號或周期性信號進(jìn)行無頻率失真變換和傳輸。根據(jù)數(shù)字電路原理可得前置放大電路輸出電信號與探測器探測到的電信號之間關(guān)系為： （49）分析圖54電路工作原理，主要優(yōu)點是：①雙運放差動輸入前置放大電路通過對反饋電阻的擴(kuò)展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。⑤電路只使用兩個運放單元，電路十分簡單，卻可以實現(xiàn)V＋和V－高阻差動輸入和可調(diào)放大倍數(shù)。5 A/D轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理A/D轉(zhuǎn)換器是一個把模擬信號變成數(shù)字信號的電路，轉(zhuǎn)換過程的示意如圖51所示.300 1 2 3 4 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 圖51圖（a）表示輸入模擬信號，圖（b）表示A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸人模擬信號的取樣，為保證不產(chǎn)生取樣過程的失真, 取樣頻率必須滿足取樣定理的要求, , 對這個序列中的每個取樣值進(jìn)行量化, 因為數(shù)字信號只能表示有