【正文】 在大學(xué)四年里，您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。本文分析了智能PCF壓力傳感器中的各個(gè)部分的工作原理。1位DAC由串行輸出數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng), 其輸出以負(fù)反饋形式與輸入信號(hào)求和, 積分器對(duì)兩信號(hào)的差值進(jìn)行積分, 如此往復(fù)循環(huán), 即可完成各調(diào)制, 積分器的輸出就是上述差值的累計(jì)值。值越大, 其轉(zhuǎn)換分辨率和精度越高, 但其A/D轉(zhuǎn)換速度卻降低了。但值不能取得過大, 值越大, 要求A點(diǎn)（見圖54(b)）的電壓擺幅越大, 積分電路輸出線性越差, 反而降低了A/D轉(zhuǎn)換精度。去碼/留碼邏輯 環(huán)形計(jì)算器數(shù)據(jù)寄存器逐次逼近邏輯寄存器SAR電壓比較器模擬輸入A D/A轉(zhuǎn)換器至輸出數(shù)據(jù)鎖存器時(shí)鐘V1VfVR圖53逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖 積分式A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)經(jīng)典的雙重積分式A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、模擬開關(guān)和控制器組成(圖54)。 A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法由A/D轉(zhuǎn)換器的原理可以看出，A/D轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)就是用一個(gè)數(shù)字信號(hào)所能表示的當(dāng)轉(zhuǎn)換某一個(gè)取樣值時(shí)，只需去尋找最接近這個(gè)取樣值的那個(gè)數(shù)字值，, A/, 數(shù)字信號(hào)所能分辨的模擬信號(hào)的幅度變化就越細(xì), 表示該A/D , 數(shù)字信號(hào)的字長為N , 即每個(gè)取樣值用N個(gè)碼元(N 個(gè)比特)表示, 則該數(shù)字信號(hào)可以表示個(gè)離散值, 它能夠準(zhǔn)確表示的數(shù)值之間的間隔是:這個(gè)間隔也稱為分層電平, 由于量化所產(chǎn)生的最大的量化誤差是:分析表明, 如果輸人模擬信號(hào)是隨機(jī)信號(hào), 且其幅度大于分層電平, 則由于對(duì)取樣序列進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量化誤差的統(tǒng)計(jì)特性具有白噪聲的性質(zhì), 即在等于取樣頻率一半的頻帶內(nèi), 其功率譜密度是均勻分布的, 如圖52 , , 可以利用它提高A/D 轉(zhuǎn)換器信噪比 0 圖52 逐次逼進(jìn)式, 新轉(zhuǎn)換技術(shù)圖53為逐次逼近式,新轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)圖。②輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號(hào)中的不穩(wěn)定誤差信號(hào)通過差值抵消掉，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是光電探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后可根據(jù)電信號(hào)的變化設(shè)置參考電平，對(duì)參考電平進(jìn)行數(shù)值化，可根據(jù)電壓的數(shù)值變化標(biāo)記外界壓力或溫度的變化，因此可用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化處理。傳感纖維的長度能容易地控制其精度為3mm。當(dāng)干涉信號(hào)的強(qiáng)度比平均強(qiáng)度大時(shí)，就產(chǎn)生了更高的強(qiáng)度級(jí)別，在這種方式下探測(cè)通道中記錄的正弦強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制的方式很多，反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式強(qiáng)度調(diào)制。如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測(cè)107 級(jí)的位移。如果檢測(cè)出干涉光強(qiáng)的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測(cè)物理量的大小。 光子晶體光纖傳感器檢測(cè)原理圖41即是光子晶體光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由本文所研制的PCF壓力傳感器構(gòu)成，光信號(hào)調(diào)制器包括光敏探測(cè)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和積分電路，我們通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PCF傳感器受到的壓力，這個(gè)壓力引起PCF傳感器中傳播光性質(zhì)的改變，我們用光敏探測(cè)器探測(cè)PCF傳感器輸出的光強(qiáng)，再把探測(cè)到的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，就可以得出外界壓力變化情況。圖34 數(shù)值模擬了和光子晶體光纖色散之間的關(guān)系。 ——空氣折射率。 K ——波矢。應(yīng)用平面波展開法數(shù)值模擬了光子晶體光纖的傳輸特性, 為光子晶體光纖的制作提供了理論依據(jù)。 （28） 式（28） 表明， 對(duì)傳感器傳播光脈沖相位產(chǎn)生影響的主要因素有激光光源波長的波動(dòng)、敏感元件PCF 折射率和長度的波動(dòng)。　　PCF 的物理參數(shù)取值如下： n0 = 1. 47, = 0. 17,E = 7. 3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[δx 似乎不存在截止波長,這就是無截止單模傳輸特性. 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)尺寸無關(guān), 所以通過改變空氣孔間距來調(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。這是因?yàn)榭招?PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波當(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)。近年來，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。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）。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。這種被談?wù)撝墓饫w通常稱之為光子晶體光纖（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。在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。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。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?。δy 1010 Pa, p 11 = 0. 113, p 12 = 0. 252, 則可根據(jù)式（23） 和式（26） 計(jì)算特定壓力作用下PCF 纖芯有效折射率的改變量。如果在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中存在壓力以外的其他因素引起傳播脈沖相位波動(dòng)， 則這些因素會(huì)對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。 理論和計(jì)算方法平面波展開法主要通過將電磁場(chǎng)在倒格矢空間以平面波疊加的形式展開, 并將麥克斯韋方程組化為一個(gè)本征方程, 求解本征值即可得到傳播光子的本征頻率和本征模態(tài), 從而獲得光子晶體光纖的傳播特性和色散特性。 G , G′——倒格矢。 ——色散。模擬過程中, 通過改變d 值的大小得到圖4, 當(dāng)= 0. 1,= 0. 2, = 0. 3, = 0. 4, = 0. 5, 可以看到隨著空氣孔的增大, 色散依次增大, 即損耗增大不利于PCF 的傳輸。主機(jī)光信號(hào)調(diào)制光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖41 光子晶體光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng) 光信號(hào)調(diào)制 光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來完成相位檢測(cè)過程。 下面介紹邁克爾孫（Michlson）光纖干涉儀圖42是普通光學(xué)邁克爾遜干涉儀的原理圖。為了克服受空氣環(huán)境條件影響所導(dǎo)致的空氣光程的變化，可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度調(diào)制器探測(cè)器如射光出射光圖43 強(qiáng)度調(diào)制原理探測(cè)系統(tǒng)由四條記錄干涉信號(hào)的信道，和一個(gè)測(cè)量傳感器輸出平均強(qiáng)度的信道組成。如果，則一個(gè)低級(jí)別就產(chǎn)生了。如果上述條件都滿足，系統(tǒng)的量程范圍就只受到信號(hào)源的頻寬的限制，且該量程范圍可表示為： （48）我們目前使用的這種光電二極管，其根據(jù)上述方程，該光電二極管的理論工作范圍相當(dāng)于112個(gè)干涉條紋（大約500個(gè)采樣點(diǎn)）。 信號(hào)放大電路與信號(hào)處理系統(tǒng)PCF 壓力傳感器光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)較微弱，輸出光電流的大小一般在微安量級(jí)，需要通過前置放大電路和主放大電路放大輸出信號(hào)。③電路能夠獲得較高的增益，并減少了運(yùn)放對(duì)偏置電流的影響。逐次逼近式A/D心轉(zhuǎn)換器由比較器、逐次逼近邏輯寄存器(SAR)和D/A轉(zhuǎn)換器組成。雙重積分式A/D轉(zhuǎn)換器利用兩優(yōu)積分, 把輸入信號(hào)的大小變換為時(shí)間間隔, 通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間間隔, 得到輸出數(shù)字量。另外雙重積分式A/D轉(zhuǎn)換器的精度還與比較器和計(jì)數(shù)周期的分辨率有關(guān), 想進(jìn)一步提高雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和精度在電路上已很難實(shí)現(xiàn)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)傳統(tǒng)的積分型A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)雖有較高的分辨率和轉(zhuǎn)換精度, 但其轉(zhuǎn)換速度卻很慢, 一般雙積分和多次雙積分A/D轉(zhuǎn)換速度均在每秒45次左右,使其應(yīng)用受到限制。由于系統(tǒng)的負(fù)反饋,這一累計(jì)值將在一定值附近波動(dòng), 因而, 每次采樣,比較值將出現(xiàn)波動(dòng)。采用平面波展開法數(shù)值模擬了光子晶體光纖的傳輸