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(cè)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(cè)，地質(zhì)勘探以及潛艇噪音探測(cè)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(dòng)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(qiáng)磁場(chǎng)、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的低頻聲波探測(cè)。而光纖聲波傳感技術(shù)因具有抗干擾能力強(qiáng)、耐高溫、靈敏度高、信號(hào)衰減小、集信息傳輸與傳感于一體等特點(diǎn)，可以克服電子式低頻傳聲器的這些缺點(diǎn)，滿足不同領(lǐng)域的實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)之一。本文對(duì)基于光纖干涉儀的聲波傳感技術(shù)進(jìn)行了深入研究，具體的工作內(nèi)容和成果可概括如下：
　　(1)對(duì)聲波傳感器的換能膜片形變特性進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)還分析了凸臺(tái)結(jié)構(gòu)和傳感頭制作過(guò)程中施加的預(yù)應(yīng)力對(duì)傳感膜片受壓形變的影響，通過(guò)

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(tái)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(duì)傳感膜片施加預(yù)應(yīng)力，會(huì)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(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　(2)改進(jìn)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(gè)端面的反射光形成邁克爾遜干涉儀(MI)。傳感膜片形

4、變時(shí)，MI的一個(gè)臂長(zhǎng)增長(zhǎng)、一個(gè)臂長(zhǎng)縮短，使膜片形變量大小在光路中放大了一倍，通過(guò)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(guò)合理設(shè)計(jì)傳感膜片(聚丙烯/聚乙烯對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜)尺寸和優(yōu)化傳感頭制作工藝，實(shí)現(xiàn)了90~10000Hz頻率范圍內(nèi)的聲波探測(cè)，設(shè)計(jì)的傳感器在90~500Hz低頻范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度高達(dá)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?tīng)柛缮鎯x(MZI)的低頻聲波傳感器。聲波可通過(guò)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(jì)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(cè)。在工作波長(zhǎng)處，設(shè)計(jì)的干涉儀曲率靈敏度高達(dá)152.9dB/m-1，溫度對(duì)曲率的交叉靈敏度為0.0032m-1/℃。通過(guò)PET薄膜換能實(shí)現(xiàn)了60~400

6、0Hz范圍內(nèi)的低頻聲波探測(cè)，在500Hz處的靈敏度高達(dá)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(jiǎn)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(jiǎn)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