基于光纖干涉儀的低頻聲波傳感技術(shù)研究.pdf

1、低頻聲波檢測和分析技術(shù)在自然災(zāi)害預(yù)警，天然氣、石油管道泄漏監(jiān)測，地質(zhì)勘探以及潛艇噪音探測等諸多領(lǐng)域有著重要意義?，F(xiàn)在商用低頻聲波傳感器一般都是基于電容式、電動式、壓電式原理的，但是這些電子式低頻傳聲器還不能勝任一些特殊應(yīng)用環(huán)境需求，如高壓、強磁場、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境中的低頻聲波探測。而光纖聲波傳感技術(shù)因具有抗干擾能力強、耐高溫、靈敏度高、信號衰減小、集信息傳輸與傳感于一體等特點，可以克服電子式低頻傳聲器的這些缺點，滿足不同領(lǐng)域的實際

2、應(yīng)用需求。光纖干涉儀因結(jié)合了光纖技術(shù)和干涉儀技術(shù)的優(yōu)點，既具有高的分辨率又具有靈巧的結(jié)構(gòu)，已成為光纖聲波傳感技術(shù)研究熱點之一。本文對基于光纖干涉儀的聲波傳感技術(shù)進行了深入研究，具體的工作內(nèi)容和成果可概括如下：
　　(1)對聲波傳感器的換能膜片形變特性進行了詳細的理論分析和模擬仿真，探討了傳感膜片材料屬性、尺寸大小與傳感器諧振頻率、聲壓響應(yīng)靈敏度的關(guān)系，同時還分析了凸臺結(jié)構(gòu)和傳感頭制作過程中施加的預(yù)應(yīng)力對傳感膜片受壓形變的影響，通過

3、理論推導(dǎo)和仿真得出：傳感彈性膜片的厚度越小、半徑越大、所采用材料的楊氏模量越低，彈性膜片的諧振頻率越小、低頻響應(yīng)靈敏度越大；利用凸臺結(jié)構(gòu)可有效的減小膜片的形變角度，有利于提高光纖聲波傳感器的穩(wěn)定性；對傳感膜片施加預(yù)應(yīng)力，會增加傳感膜片的固有諧振頻率，減小傳感膜片的聲壓響應(yīng)靈敏度。這為后文傳感器設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
　　(2)改進傳統(tǒng)邁克爾遜干涉型聲波傳感器的換能方式，利用傳感膜片兩個端面的反射光形成邁克爾遜干涉儀(MI)。傳感膜片形

4、變時，MI的一個臂長增長、一個臂長縮短，使膜片形變量大小在光路中放大了一倍，通過這種方法有效的減小了傳感器的尺寸，提高了傳感器的靈敏度。通過合理設(shè)計傳感膜片(聚丙烯/聚乙烯對苯二甲酸乙二醇酯薄膜)尺寸和優(yōu)化傳感頭制作工藝，實現(xiàn)了90~10000Hz頻率范圍內(nèi)的聲波探測，設(shè)計的傳感器在90~500Hz低頻范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度高達1.73rad/Pa，聲壓線性響應(yīng)范圍為76.7~97.7dB，等效噪聲聲壓為39.7dB。
　　(3)

5、為了降低干涉儀的光源相位噪聲、偏振衰落噪聲、熱噪聲等，提出了一種基于線內(nèi)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)的低頻聲波傳感器。聲波可通過傳感膜片調(diào)制干涉儀的曲率，根據(jù)其調(diào)制特性，設(shè)計了一種基于多模-錐形單模-多模光纖(MMF-taper-MMF)結(jié)構(gòu)的、高曲率靈敏度的線內(nèi)MZI，并將其用于聲波探測。在工作波長處，設(shè)計的干涉儀曲率靈敏度高達152.9dB/m-1，溫度對曲率的交叉靈敏度為0.0032m-1/℃。通過PET薄膜換能實現(xiàn)了60~400

6、0Hz范圍內(nèi)的低頻聲波探測，在500Hz處的靈敏度高達180mV/Pa，等效噪聲聲壓為36.1dB，較上一種結(jié)構(gòu)降低了3.6dB。
　　(4)提出了一種基于紫外膠薄膜的光纖非本征法布里-珀羅干涉儀(EFPI)型聲波傳感器，其制作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、靈敏度大、低頻響應(yīng)特性好。利用液態(tài)紫外膠表面張力制作了厚度為2.2~6.4μm、直徑為2.5mm的聲學(xué)傳感薄膜，有效的簡化了薄膜制作工藝、降低了傳感薄膜制作成本。制作的傳感器在湖北省