论文部分内容阅读
光纤传感技术的发展越来越走向成熟,其相关的应用也逐渐延伸到多个领域。光纤声波传感技术是光纤传感器当中一个非常重要的研究领域之一,与常用的电学式声波传感器(电容式或压电式声波传感器)相比,由于具有极高的探测灵敏度、较低的制造成本、能抗电磁干扰工作于恶劣环境等诸多优势而受到极大关注。现今光纤声波传感器已在自然灾害预警、医疗诊断、地质勘探甚至战场等领域中得到广泛应用。近年来,地震等自然灾害频发、现代海战技术迅猛发展,由于这些领域中对声波探测的特殊需求,人们开始研究和关注高精度、低频段、低成本和小型化的光纤声波传感器。本文针对近年来光纤声波传感器的发展需求,结合双FBG结构、非标准光纤耦合型、被动锁模多纵模拍频和光纤EFPI结构等关键技术,着重研究了几种新型的高灵敏、低频段、低成本的光纤声波传感结构,并进行了系统的理论和实验研究。具体主要工作内容和研究成果如下：(1)论述了声学相关的基础理论,介绍了声波的基本本质,分类讲述了不同类型的弹性体振动学形式,为后面章节的各类声学探测方法奠定了理论基础。(2)从布拉格光纤光栅(FBG)的基础理论出发,创新地使用金属薄膜纵向作用于双光纤光栅来测量声波振动,提出了基于薄膜换能的双FBG声波传感理论模型。理论分析和模拟仿真了双FBG不同结构、不同参数对输出结果的影响。并在此基础上成功制作了基于薄膜换能的双FBG结构并进行了声波探测实验,在200-1000 Hz的频率范围内得到了高达90μW/Pa的声学灵敏度,且能够在100.3-118.5 dB声压范围内实现声压测量。双FBG的结合也在一定程度上解决了多数光纤传感器温度稳定性差的问题,实现了自解调、温度稳定性好、准确可靠的基础声波传感应用。(3)基于模式耦合的理论,在光纤耦合器制备工艺的摸索下,创新地提出利用非标准光纤耦合型(多周期光纤耦合型和多模光纤耦合型)来实现声学传感探测的方法。通过金属铝箔的声光换能,使用自制的非标准光纤耦合器,基于声振动耦合、光强度调制等技术来感应声振动。实验结果显示,在宽至人耳可听频率范围20 Hz-20 kHz内,其最高灵敏度高达2.63 mW/Pa,冲击响应实验解调结果良好,说明了传感器工作性能比较好,能够几乎不失真的解调到声音信号。另外,利用耦合器两输出端的差分处理,既可使灵敏度加倍,也可大大地降低环境及机器噪声的影响。这样就实现了具有较高灵敏度较宽动态频率的声波传感应用。(4)在理论分析和成功制作DBR激光器的基础上,利用激光器的多纵模拍频解调机理,并根据DBR激光器谐振腔腔长对光纤轴向应变敏感的特性,模拟分析了轴向对激光器输出拍频的具体影响并进行了实验验证。同时,将碳纳米管嵌入到DBR激光腔内,作为可饱和吸收体来实现对激光器的被动锁模,使其更加稳定可靠。在这个基础上,创造性地提出且通过实验验证了基于被动锁模的多纵模光纤激光器实现声压测量的可行性。然后对其进行了实验研究,结果显示在6 GHz工作频率附近可实现0-23 Pa声压范围内灵敏度高达一147.2 Hz/mPa的传感应用,同时具有良好的实验稳定性。表明在频域内实现了高灵敏度、宽动态范围、稳定性好的声压测量应用。(5)针对特殊应用场合下对低频次声波的探测需求,并结合光纤干涉型传感结构的优势,设计并提出了一种新颖的基于复合膜片式光纤EFPI次声波传感器。利用聚合物薄膜和铝箔结合而形成圆形复合膜片,与光纤FC接头的插芯端面间形成EFPI干涉仪结构。通过理论模拟和优化设计换能器的不同材料、尺寸和结构等,根据探测需求权衡选取了相关参数。接着,制作了光纤EFPI次声波传感系统的传感头,然后封装。然后在模拟的次声场环境中,与标准的丹麦B&K声传感器进行了对比试验。从对比结果来看,本论文的光纤EFPI次声波传感器,在低频次声范围内(1-20 Hz)获得了高达-138.3 dB re 1 V/μPa(～121 mV/Pa)的声学灵敏度,高于用来对比的成熟商用声传感器。