【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(jì)邱銀平（重慶三峽學(xué)院電子與信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)2008級(jí)重慶萬州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，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(shí)驗(yàn)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(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。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(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。, 無論什么波長(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)多模化的特性比。就光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特征來說，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.。 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(huì)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(gè)改變量可表示如下： （26） 式中， n0 為纖芯未受壓力時(shí)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力， 由于應(yīng)力作用， PCF 的長(zhǎng)度、橫截面結(jié)構(gòu)及折射率分布將出現(xiàn)波動(dòng)， 并引起相位延遲的波動(dòng)， 可以在PCF 傳感器輸出端采用特殊的裝置檢測(cè)出這種改變， 并進(jìn)一步檢測(cè)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(hào)處理單元 放大器濾波器計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器圖24 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)模型 對(duì)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(dòng)可表示為： 。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。這些特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)許多傳統(tǒng)光纖所沒有的性質(zhì)。 H ——磁場(chǎng)。 k ——波矢量。我們只需要解其中一個(gè)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(chǎng)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(gè)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(hào)檢測(cè)、解碼及放大系統(tǒng) 信號(hào)檢測(cè) 光纖傳感器按照被測(cè)對(duì)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(hào)檢測(cè)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(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。干涉場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)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(cè)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(dòng)反射鏡每移動(dòng)=長(zhǎng)度，光探測(cè)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(gè)周期。激光器光探測(cè)器3dB反射光纖端面可動(dòng)斷S（1）圖 42 光纖邁克爾遜干涉儀圖中以一個(gè)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(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是待測(cè)物理量引起光纖中的傳輸光光強(qiáng)變化，通過檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的沒量，一恒定光源發(fā)出的強(qiáng)度為的光注入傳感頭，在傳感器頭內(nèi)，光在被測(cè)信號(hào)的作用下其強(qiáng)度發(fā)生變化，即受到了外場(chǎng)的調(diào)制，使得輸出光強(qiáng)的包絡(luò)線與被測(cè)信號(hào)的形狀一樣，光電探測(cè)器測(cè)出的輸出電流也作同樣的調(diào)制，信號(hào)處理電路再檢測(cè)出調(diào)制信號(hào)，就得到了被測(cè)信號(hào)。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(gè)解碼信道的干涉信號(hào)保持不同的初始相位。同時(shí)，所有干涉信號(hào)的對(duì)比度實(shí)際上都保持一致，這是因?yàn)榕c干涉帶的快速變化的強(qiáng)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(shí)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(gè): （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(bǔ)償傳感器系統(tǒng)所引入的光程差，探測(cè)信道輸出的光強(qiáng)改變不明顯，解碼系統(tǒng)不能探測(cè)出光強(qiáng)變化，系統(tǒng)也就不能探測(cè)外界壓力或溫度的改變值。②檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，能對(duì)復(fù)雜的瞬變信號(hào)或周期性信號(hào)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(hào)與探測(cè)器探測(cè)到的電信號(hào)之間關(guān)系為： （49）分析圖54電路工作原理，主要優(yōu)點(diǎn)是：①雙運(yùn)放差動(dòng)輸入前置放大電路通過對(duì)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(gè)運(yùn)放單元，電路十分簡(jiǎn)單，卻可以實(shí)現(xiàn)V＋和V－高阻差動(dòng)輸入和可調(diào)放大倍數(shù)。5 A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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(hào)，圖（b）表示A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸人模擬信號(hào)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(duì)這個(gè)序列中的每個(gè)取樣值進(jìn)行量化, 因?yàn)閿?shù)字信號(hào)只能表示有