基于單模-多模光纖結(jié)構(gòu)聲頻振動(dòng)傳感器的研究.pdf

1、在強(qiáng)電磁干擾、氣候潮濕、高溫高壓等惡劣環(huán)境，許多傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器在此環(huán)境下已不能發(fā)揮有效作用，而光纖振動(dòng)傳感器憑借其抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前振動(dòng)傳感檢測(cè)技術(shù)中的重要組成部分。目前制備的光纖振動(dòng)傳感器，大多是通過接觸傳感獲取振動(dòng)信息，結(jié)構(gòu)制備較為復(fù)雜，封裝存在一定困難，因此本論文提出并制備了兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的聲頻振動(dòng)傳感器，對(duì)這兩種傳感器在一定頻率范圍內(nèi)的聲頻振動(dòng)傳感特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，并對(duì)第二種結(jié)構(gòu)

2、的封裝增敏方案進(jìn)行了詳細(xì)研究。本論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　基于多模干涉原理提出并制備了一種結(jié)構(gòu)新穎、靈敏度高的單模-多模-間隙-單模（SMGS）光纖聲頻振動(dòng)傳感器。采用光束傳播法（BPM）對(duì)這種結(jié)構(gòu)的光傳輸性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過有限元分析方法對(duì)光纖懸臂梁進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析，在理論上優(yōu)化設(shè)計(jì)了該類光纖振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上制備了長(zhǎng)度為22mm的單模-多模懸臂梁結(jié)構(gòu)，詳細(xì)研究了多模光纖長(zhǎng)度不同對(duì)該結(jié)構(gòu)的聲頻振動(dòng)響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3、明，多模光纖長(zhǎng)度為9.89mm的SMGS聲頻振動(dòng)傳感器在130Hz時(shí)響應(yīng)效果最好，對(duì)應(yīng)的聲壓靈敏度為4mV/mPa，線性相關(guān)系數(shù)為0.9962，線性度和可重復(fù)性良好，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模擬結(jié)果相符合。
　　采用熔融法和化學(xué)腐蝕法制備了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于封裝、靈敏度高的單模-多模-單模（SMS）錐形光纖聲頻振動(dòng)傳感器。在SMS光纖結(jié)構(gòu)的多模光纖區(qū)域滴加HF酸，通過化學(xué)腐蝕改變多模光纖的直徑，從而改變多模光纖中的模場(chǎng)分布；當(dāng)耦合進(jìn)入輸

4、出單模光纖的光強(qiáng)最大時(shí)停止腐蝕。經(jīng)過腐蝕后的光纖，呈現(xiàn)錐形，具有易于振動(dòng)，靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也克服了單模-多模光纖在自映像點(diǎn)處熔接，存在的實(shí)驗(yàn)偏差問題。實(shí)驗(yàn)測(cè)得多模長(zhǎng)度為2cm，兩端固定梁總長(zhǎng)為3.2cm的錐形傳感結(jié)構(gòu)，在20-500Hz頻率范圍內(nèi)，該傳感器在120Hz響應(yīng)效果最好，對(duì)應(yīng)的聲壓靈敏度為1.49mV/mPa，線性相關(guān)系數(shù)為0.998。
　　針對(duì)SMS錐形光纖聲頻振動(dòng)傳感器，提出并制備了加工工藝簡(jiǎn)單、成本較低、響應(yīng)范

5、圍較寬的圓柱體亥姆霍茲共振腔內(nèi)嵌金屬條的封裝增敏結(jié)構(gòu)。采用多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)并制備了三種圓柱體亥姆霍茲共振腔增敏結(jié)構(gòu)，結(jié)合金屬條封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)驗(yàn)制備的SMS-z=2cm-L=3cm，SMS-z=6cm-L=6cm兩種錐形光纖傳感結(jié)構(gòu)的聲頻振動(dòng)傳感特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用在組合式圓柱體亥姆霍茲共振腔內(nèi)橫向嵌入金屬條的封裝增敏結(jié)構(gòu)，有效保護(hù)了光纖結(jié)構(gòu)避免外界環(huán)境的干擾，提高了傳感結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率聲音的響應(yīng)幅度值，