【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(guò)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。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(lái)完成相位檢測(cè)過(guò)程。對(duì)于一個(gè)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(wù)，干涉儀完成相位光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。在光波的干涉測(cè)量中，傳播的光波可能是兩束或多束相干光。例如，設(shè)有光振幅分別為和的兩個(gè)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(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。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。 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。固定反射鏡激光器傳感器光探測(cè)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(qiáng)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(cè)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(dòng)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(cè)器上，而另一部分經(jīng)由分束器透射，返回到激光器。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的返程差小于激光器的想干長(zhǎng)度時(shí)，射到光探測(cè)器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)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(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。如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測(cè)107 級(jí)的位移。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)。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(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。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，更接近實(shí)用化。 PCF壓力傳感器輸出信號(hào)解碼方案本文采用基于強(qiáng)度的解碼系統(tǒng)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換的方法，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)之后再測(cè)量，即將壓力引起的相位變化轉(zhuǎn)化為不同通道的信號(hào)強(qiáng)度，從而可以用電流強(qiáng)度（或電平）表示這種關(guān)系。下面先簡(jiǎn)單介紹一下強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理。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(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的沒(méi)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(xiàn)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)。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。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。干涉現(xiàn)象中以在探測(cè)信道中得以觀察，條件是待測(cè)傳感器引入的總的光路徑延遲能夠通過(guò)石英補(bǔ)償板引入的光路徑延遲得到補(bǔ)償。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。第i個(gè)探測(cè)信道記錄的強(qiáng)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(qiáng)度，表示信號(hào)源頻譜對(duì)應(yīng)的對(duì)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(duì)應(yīng)著干涉帶的1/8。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)。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)。如果，則一個(gè)低級(jí)別就產(chǎn)生了。這就能夠測(cè)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(shí)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(cè)量范圍受到信號(hào)源頻寬的限制。如果信號(hào)源頻譜滿(mǎn)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(duì)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(hào)源的中心波長(zhǎng)。為了讓電子元件產(chǎn)生數(shù)字脈沖，干涉信號(hào)的振幅必須比平均強(qiáng)度大10%.要達(dá)到這個(gè)要求，必須滿(mǎn)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(gè)式子中，△R0s是x=0時(shí)的初始光路徑延遲，△Rxs是由應(yīng)用的被測(cè)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(yīng)至少滿(mǎn)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(mǎn)足。，傳感纖維的長(zhǎng)度能容易地控制其精度為3mm。如果上述條件都滿(mǎn)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)）。這是由于對(duì)比度的降低，而它的降低又是因?yàn)檫B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(cè)傳感器輸出光信號(hào)強(qiáng)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(shí)PCF折射率分布也發(fā)生變化，并最終對(duì)輸出光脈沖信號(hào)強(qiáng)度將產(chǎn)生周期性的影響。因此，通過(guò)對(duì)光脈沖光強(qiáng)信號(hào)的檢測(cè)可以檢測(cè)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(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。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。 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(guò)前置放大電路和主放大電路放大輸出信號(hào)。在放大電路系統(tǒng)中需要解決： ①確定檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下能獲得非線(xiàn)性失真最小的電信號(hào)輸出。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(wú)頻率失真變換和傳輸。為了保證PCF 壓力傳感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)和足夠好的響應(yīng)特性，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號(hào)放大電路有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)、最大電流輸出、能夠快速響應(yīng)和最小可檢測(cè)信號(hào)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(hào)可以經(jīng)過(guò)雙運(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路和中間放大電路二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行放大。雙運(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路如圖44所示。圖44 雙運(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路在圖44中， V＋和V－為放大器差動(dòng)高阻輸入， 是InGaAs/InP－APD 光電探測(cè)器輸出電信號(hào)，Vr是基準(zhǔn)電壓或偏置輸入，V0為輸出信號(hào)。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(guò)對(duì)反饋電阻的擴(kuò)展，減小了電阻所帶來(lái)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(hào)中的不穩(wěn)定誤差信號(hào)通過(guò)差值抵消掉，增強(qiáng)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(yùn)放對(duì)偏置電流的影響。④運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致的誤差也可通過(guò)調(diào)節(jié)Vr進(jìn)行抵消