【文章內(nèi)容簡介】 光子晶體光纖傳感器檢測原理圖41即是光子晶體光纖傳感器檢測系統(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，光信號調(diào)制器包括光敏探測器、信號轉(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，我們用光敏探測器探測PCF傳感器輸出的光強，再把探測到的信號輸入到計算機系統(tǒng)中，由計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行對比分析，就可以得出外界壓力變化情況。主機光信號調(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系統(tǒng) 光信號調(diào)制 光纖相位傳感器要求有相應的干涉儀來完成相位檢測過程。對于一個相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖盒干涉儀缺一不可。敏感光纖完成相位調(diào)制任務，干涉儀完成相位光強的轉(zhuǎn)換任務。在光波的干涉測量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。例如，設有光振幅分別為和的兩個相干光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。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。如果檢測出干涉光強的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的大小。 下面介紹邁克爾孫（Michlson）光纖干涉儀圖42是普通光學邁克爾遜干涉儀的原理圖。固定反射鏡激光器傳感器光探測器圖42 邁克爾遜干涉儀原理圖激光器輸出的單色光由分束器分成光強相等的兩束光。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。激光器輸出的經(jīng)分束器透射的另外一束光入射到可移動反射鏡上，然后反射回分束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測器上，而另一部分經(jīng)由分束器透射，返回到激光器。當兩反射鏡到分束器間的返程差小于激光器的想干長度時，射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強由式（41）確定。兩相干光的相位差為 （42）式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；2是兩相干光的光程差。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。如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測107 級的位移。為了克服受空氣環(huán)境條件影響所導致的空氣光程的變化，可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。圖42表示邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)。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。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測場的干擾影響，而且免除了每次測量要調(diào)光路準直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場測量，更接近實用化。 PCF壓力傳感器輸出信號解碼方案本文采用基于強度的解碼系統(tǒng)，通過光電轉(zhuǎn)換的方法，將其轉(zhuǎn)化為電信號之后再測量，即將壓力引起的相位變化轉(zhuǎn)化為不同通道的信號強度，從而可以用電流強度（或電平）表示這種關(guān)系。下面先簡單介紹一下強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理。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。強度調(diào)制的方式很多，反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、光模式強度調(diào)制。強度調(diào)制器探測器如射光出射光圖43 強度調(diào)制原理探測系統(tǒng)由四條記錄干涉信號的信道，和一個測量傳感器輸出平均強度的信道組成。干涉現(xiàn)象中以在探測信道中得以觀察，條件是待測傳感器引入的總的光路徑延遲能夠通過石英補償板引入的光路徑延遲得到補償。石英板能夠關(guān)于入射波束進行一定的傾斜，以確保每個解碼信道的干涉信號保持不同的初始相位。第i個探測信道記錄的強度可以用下 （43）在上式中，要求i=1,2,3,4。表示參考檢波器的平均強度，表示信號源頻譜對應的對比函數(shù)，由石英晶體板引入的相位偏移在連續(xù)信道中以45176。角變化，對應著干涉帶的1/8。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)。當干涉信號的強度比平均強度大時，就產(chǎn)生了更高的強度級別，在這種方式下探測通道中記錄的正弦強度變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。如果，則一個低級別就產(chǎn)生了。這就能夠測量傳感器件上的外部參數(shù)引入的快速相移，其分辨力為干涉邊緣的八分之一。這也更易識別出相位變化的方向。在推出的這種解碼方法中，系統(tǒng)的測量范圍受到信號源頻寬的限制。如果信號源頻譜滿足高斯形狀，我們就能以下列式子描述傳感接收之間光程差非平衡對比度： （44）這里δλ為高斯分布最大值的一半范圍內(nèi)的全頻譜寬，λ0是信號源的中心波長。為了讓電子元件產(chǎn)生數(shù)字脈沖，干涉信號的振幅必須比平均強度大10%.要達到這個要求，必須滿足下列條件： （45）由x和y偏振模產(chǎn)生的光路徑延遲可以表示為： （46）在這個式子中，△R0s是x=0時的初始光路徑延遲，△Rxs是由應用的被測量引起的額外的光路徑延遲。依照△Rxs的特征，初始量程差關(guān)系應至少滿足下列條件中的一個: （47）如果系統(tǒng)精度達到了2，則上述條件都能夠滿足。，傳感纖維的長度能容易地控制其精度為3mm。如果上述條件都滿足，系統(tǒng)的量程范圍就只受到信號源的頻寬的限制，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于112個干涉條紋（大約500個采樣點）。這是由于對比度的降低，而它的降低又是因為連續(xù)傳感元件的角程差衰減（177。5176。）和由分光鏡引起的偏振變化。這種方案主要檢測傳感器輸出光信號強度，在外界壓力作用下PCF壓力傳感器敏感元件、PCF橫向和徑向?qū)a(chǎn)生形變，同時PCF折射率分布也發(fā)生變化，并最終對輸出光脈沖信號強度將產(chǎn)生周期性的影響。因此，通過對光脈沖光強信號的檢測可以檢測出外界環(huán)境壓力的變化。在這種解碼方案中，解碼系統(tǒng)構(gòu)成復雜，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。這種方案的優(yōu)點是光電探測器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號后可根據(jù)電信號的變化設置參考電平，對參考電平進行數(shù)值化，可根據(jù)電壓的數(shù)值變化標記外界壓力或溫度的變化，因此可用計算機系統(tǒng)進行自動化處理。 信號放大電路與信號處理系統(tǒng)PCF 壓力傳感器光電探測器轉(zhuǎn)換輸出的電信號較微弱，輸出光電流的大小一般在微安量級，需要通過前置放大電路和主放大電路放大輸出信號。在放大電路系統(tǒng)中需要解決： ①確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號作用下能獲得非線性失真最小的電信號輸出。②檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應，能對復雜的瞬變信號或周期性信號進行無頻率失真變換和傳輸。為了保證PCF 壓力傳感器信號檢測系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)和足夠好的響應特性，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號放大電路有最佳的信號傳輸系數(shù)、最大電流輸出、能夠快速響應和最小可檢測信號功率，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和放大電路具有一致性，PCF 壓力傳感器輸出電信號可以經(jīng)過雙運放差動前置輸入放大電路和中間放大電路二級系統(tǒng)進行放大。雙運放差動前置輸入放大電路如圖44所示。圖44 雙運放差動前置輸入放大電路在圖44中， V＋和V－為放大器差動高阻輸入， 是InGaAs/InP－APD 光電探測器輸出電信號，Vr是基準電壓或偏置輸入，V0為輸出信號。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展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。②輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號中的不穩(wěn)定誤差信號通過差值抵消掉，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。③電路能夠獲得較高的增益，并減少了運放對偏置電流的影響。④運放的輸入失調(diào)電壓導致的誤差也可通過調(diào)節(jié)Vr進行抵消