光纖低頻聲波傳感技術(shù)研究及應(yīng)用.pdf

1、光纖傳感技術(shù)的發(fā)展越來越走向成熟，其相關(guān)的應(yīng)用也逐漸延伸到多個領(lǐng)域。光纖聲波傳感技術(shù)是光纖傳感器當(dāng)中一個非常重要的研究領(lǐng)域之一，與常用的電學(xué)式聲波傳感器（電容式或壓電式聲波傳感器）相比，由于具有極高的探測靈敏度、較低的制造成本、能抗電磁干擾工作于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)勢而受到極大關(guān)注?，F(xiàn)今光纖聲波傳感器已在自然災(zāi)害預(yù)警、醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探甚至戰(zhàn)場等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來，地震等自然災(zāi)害頻發(fā)、現(xiàn)代海戰(zhàn)技術(shù)迅猛發(fā)展，由于這些領(lǐng)域中對聲波探測的

2、特殊需求，人們開始研究和關(guān)注高精度、低頻段、低成本和小型化的光纖聲波傳感器。本文針對近年來光纖聲波傳感器的發(fā)展需求，結(jié)合雙FBG結(jié)構(gòu)、非標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合型、被動鎖模多縱模拍頻和光纖EFPI結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，著重研究了幾種新型的高靈敏、低頻段、低成本的光纖聲波傳感結(jié)構(gòu)，并進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴論述了聲學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論，介紹了聲波的基本本質(zhì)，分類講述了不同類型的彈性體振動學(xué)形式，為后面章節(jié)的各類聲學(xué)探測方法

3、奠定了理論基礎(chǔ)。⑵從布拉格光纖光柵（FBG）的基礎(chǔ)理論出發(fā)，創(chuàng)新地使用金屬薄膜縱向作用于雙光纖光柵來測量聲波振動，提出了基于薄膜換能的雙FBG聲波傳感理論模型。理論分析和模擬仿真了雙FBG不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)對輸出結(jié)果的影響。并在此基礎(chǔ)上成功制作了基于薄膜換能的雙FBG結(jié)構(gòu)并進行了聲波探測實驗，在200-1000 Hz的頻率范圍內(nèi)得到了高達90μW/Pa的聲學(xué)靈敏度，且能夠在100.3-118.5 dB聲壓范圍內(nèi)實現(xiàn)聲壓測量。雙FBG的結(jié)

4、合也在一定程度上解決了多數(shù)光纖傳感器溫度穩(wěn)定性差的問題，實現(xiàn)了自解調(diào)、溫度穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)聲波傳感應(yīng)用。⑶基于模式耦合的理論，在光纖耦合器制備工藝的摸索下，創(chuàng)新地提出利用非標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合型（多周期光纖耦合型和多模光纖耦合型）來實現(xiàn)聲學(xué)傳感探測的方法。通過金屬鋁箔的聲光換能，使用自制的非標(biāo)準(zhǔn)光纖耦合器，基于聲振動耦合、光強度調(diào)制等技術(shù)來感應(yīng)聲振動。實驗結(jié)果顯示，在寬至人耳可聽頻率范圍20 Hz-20 kHz內(nèi)，其最高靈敏度高達2.6

5、3 mW/Pa，沖擊響應(yīng)實驗解調(diào)結(jié)果良好，說明了傳感器工作性能比較好，能夠幾乎不失真的解調(diào)到聲音信號。另外，利用耦合器兩輸出端的差分處理，既可使靈敏度加倍，也可大大地降低環(huán)境及機器噪聲的影響。這樣就實現(xiàn)了具有較高靈敏度較寬動態(tài)頻率的聲波傳感應(yīng)用。⑷在理論分析和成功制作DBR激光器的基礎(chǔ)上，利用激光器的多縱模拍頻解調(diào)機理，并根據(jù)DBR激光器諧振腔腔長對光纖軸向應(yīng)變敏感的特性，模擬分析了軸向?qū)す馄鬏敵雠念l的具體影響并進行了實驗驗證。同時，

6、將碳納米管嵌入到DBR激光腔內(nèi)，作為可飽和吸收體來實現(xiàn)對激光器的被動鎖模，使其更加穩(wěn)定可靠。在這個基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出且通過實驗驗證了基于被動鎖模的多縱模光纖激光器實現(xiàn)聲壓測量的可行性。然后對其進行了實驗研究，結(jié)果顯示在6 GHz工作頻率附近可實現(xiàn)0-23 Pa聲壓范圍內(nèi)靈敏度高達-147.2 Hz/mPa的傳感應(yīng)用，同時具有良好的實驗穩(wěn)定性。表明在頻域內(nèi)實現(xiàn)了高靈敏度、寬動態(tài)范圍、穩(wěn)定性好的聲壓測量應(yīng)用。⑸針對特殊應(yīng)用場合下對低頻次聲

7、波的探測需求，并結(jié)合光纖干涉型傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，設(shè)計并提出了一種新穎的基于復(fù)合膜片式光纖EFPI次聲波傳感器。利用聚合物薄膜和鋁箔結(jié)合而形成圓形復(fù)合膜片，與光纖FC接頭的插芯端面間形成EFPI干涉儀結(jié)構(gòu)。通過理論模擬和優(yōu)化設(shè)計換能器的不同材料、尺寸和結(jié)構(gòu)等，根據(jù)探測需求權(quán)衡選取了相關(guān)參數(shù)。接著，制作了光纖EFPI次聲波傳感系統(tǒng)的傳感頭，然后封裝。然后在模擬的次聲場環(huán)境中，與標(biāo)準(zhǔn)的丹麥B&K聲傳感器進行了對比試驗。從對比結(jié)果來看，本論文的光