【正文】 和(32) , 經(jīng)過一系列的變化得到本征方程(33) 和(34) , （33） （34）公式(41) —(44) 中: E —— 電場。 —— 頻率。 —— 介電常數(shù)。 K ——波矢。 A 和B —— 系數(shù)。光子晶體光纖的色散主要是由于光纖所傳輸?shù)男盘柺怯刹煌哪Ｊ匠煞趾筒煌l率成分來攜帶的, 這些不同的模式成分和頻率成分傳輸?shù)乃俣炔幌嗤? 在傳輸?shù)倪^程中互相散開, 致使脈沖波形通過光纖后發(fā)生展寬而產(chǎn)生的現(xiàn)象。 （35） 式中: ——晶格周期。 ——空氣折射率。數(shù)值模擬上述方程即可得到光子晶體光纖的色散特性。 圖31 光子晶體光纖模型 圖32 光子晶體光纖的傳播模式　PCF 參數(shù)對其傳輸特性的影響輸入頻率對PCF 傳輸特性的影響, 也可以說是輸入波長對傳輸特性的影響。從圖中可以看到光子晶體光纖k 波矢量與頻率的變化關(guān)系呈線性變化。圖34 數(shù)值模擬了和光子晶體光纖色散之間的關(guān)系。但是由圖發(fā)現(xiàn)當(dāng)= 2. 4 時(shí)出現(xiàn)單一模式, 損耗較小,利于PCF 的傳輸。 光纖傳感器可以探測的物理量很多，已實(shí)現(xiàn)的光纖傳感物理量測量達(dá)70余種。因此，光調(diào)制技術(shù)是光纖傳感器的核心技術(shù)。 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(gè)壓力引起PCF傳感器中傳播光性質(zhì)的改變，我們用光敏探測器探測PCF傳感器輸出的光強(qiáng)，再把探測到的信號輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，就可以得出外界壓力變化情況。對于一個(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。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。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。如果檢測出干涉光強(qiáng)的變化，則可確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的大小。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(qiáng)相等的兩束光。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器上，而另一部分經(jīng)由分束器透射，返回到激光器。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。如果使用HeNe激光器，這種技術(shù)能檢測107 級的位移。圖42表示邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)。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(zhǔn)直等繁瑣的工作，使其更適于現(xiàn)場測量，更接近實(shí)用化。下面先簡單介紹一下強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理。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。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(bǔ)償板引入的光路徑延遲得到補(bǔ)償。第i個(gè)探測信道記錄的強(qiáng)度可以用下 （43）在上式中，要求i=1,2,3,4。角變化，對應(yīng)著干涉帶的1/8。當(dāng)干涉信號的強(qiáng)度比平均強(qiáng)度大時(shí)，就產(chǎn)生了更高的強(qiáng)度級別，在這種方式下探測通道中記錄的正弦強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。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。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。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(qiáng)度大10%.要達(dá)到這個(gè)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(gè)式子中，△R0s是x=0時(shí)的初始光路徑延遲，△Rxs是由應(yīng)用的被測量引起的額外的光路徑延遲。傳感纖維的長度能容易地控制其精度為3mm。這是由于對比度的降低，而它的降低又是因?yàn)檫B續(xù)傳感元件的角程差衰減（177。）和由分光鏡引起的偏振變化。因此，通過對光脈沖光強(qiáng)信號的檢測可以檢測出外界環(huán)境壓力的變化。這種方案的優(yōu)點(diǎn)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(shè)置參考電平，對參考電平進(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。在放大電路系統(tǒng)中需要解決： ①確定檢測電路的動(dòng)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。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(yīng)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(yīng)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(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路和中間放大電路二級系統(tǒng)進(jìn)行放大。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 光電探測器輸出電信號，Vr是基準(zhǔn)電壓或偏置輸入，V0為輸出信號。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(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。④運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致的誤差也可通過調(diào)節(jié)Vr進(jìn)行抵消。⑥基準(zhǔn)電壓或偏置輸入Vr為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)瓤商峁O大的方便。根據(jù)數(shù)字電路原理，其放大關(guān)系可表示為：圖45 輸出信號中間放大電路 （410）在PCF 壓力傳感器檢測系統(tǒng)中，光電探測器輸出電信號通過雙運(yùn)放差動(dòng)前置輸入放大電路和中間放大電路放大后，輸出電流就可以從微安量級達(dá)到毫安量級以上，并且輸出信號盡可能與原始信號保持一致性。 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)字信號所能分辨的模擬信號的幅度變化就越細(xì), 表示該A/D , 數(shù)字信號的字長為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, 如果輸人模擬信號是隨機(jī)信號, 且其幅度大于分層電平, 則由于對取樣序列進(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。D/A轉(zhuǎn)換采用逐次加碼比較的方法來實(shí)現(xiàn)。加碼由環(huán)形計(jì)數(shù)器完成,去碼? 留碼邏輯根據(jù)比較器輸出作去碼或留碼操作。若，則去碼,該位數(shù)碼為0。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）（b）圖54 積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換周期由兩個(gè)單獨(dú)的積分區(qū)間組成。在電路上保證兩個(gè)時(shí)間區(qū)間的積分值相等, 即:由此, 可得出的關(guān)系式為:。故模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,值越大則分辨率越高, 精度相應(yīng)提高。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。為此, 可采用多次雙積分A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。這樣, 前一個(gè)分周期結(jié)束之后, 在積分電容器上剩余的電荷將會(huì)對下一個(gè)分周期的結(jié)果產(chǎn)生影響, 只有在整個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行清零, 剩余電荷才會(huì)丟失。圖55 多次雙積分轉(zhuǎn)換波形可以證明, 次雙重積分A/D轉(zhuǎn)換的誤差僅為單次雙積分轉(zhuǎn)換誤差的1/。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。隨著超大規(guī)模集成電路制造水平的提高, 近年來推出了一種高精度、高速度而成本低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)是由非常簡單的模擬電路和十分復(fù)雜的數(shù)字