基于钛膜的光纤F-P声波传感器实现.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 2 期收稿日期:2023-07-01基于钛膜的光纤 F-P 声波传感器实现曾 灏,袁嫣红浙江理工大学机械工程学院 摘要:针对电子式声波传感器易受电磁干扰的问题,根据非本征型法布里-珀罗(EFPI)干涉结构,提出了一种基于钛膜的光纤 F-P 声波传感器,其利用钛膜受压形变引起 F-P 腔长变化实现声光换能。搭建稳定正交工作点的强度解调系统,用于降低温度漂移对解调精度的影响。经实验证明,该传感器干涉光谱消光比约 12 dB;能够实现 1.58 kHz 正弦声波信号的探测,系统信噪比约 45 dB;在强度响应测试中,拟合曲线的线性度大于 0.982,表明传感器具有良好的线性响应关系。关键词:光纤传感器;声波传感器;法布里-珀罗干涉;光强度解调中图分类号:TP212 文献标识码:ARealization of Optical Fiber F-P Acoustic Sensor Based on Titanium FilmZENG Hao,YUAN YanhongSchool of Mechanical Engineering,Zhejiang Sci-Tech UniversityAbstract:To address the susceptibility of electronic acoustic wave sensors to electromagnetic interference,a fiber-optic F-P acoustic wave sensor based on a titanium membrane was proposed according to the EFPI structure,which used the change in F-P cavity length caused by deformation of the titanium membrane under compression to achieve acousto-optic energy conversion.To limit the effect of temperature drift on demodulation accuracy,an intensity demodulation system with stabilized orthogonal working points was designed and used.The extinction ratio of the sensors interferometric spectrum is approximately 12 dB,it can detect si-nusoidal acoustic signals ranging from 1.5 kHz to 8 kHz,with a signal-to-noise ratio of approximately 45 dB,and the linearity of the fitted curves in the intensity response test is greater than 0.982,indicating that the sensor has a good linear response relationship.Keywords:optical fiber sensor;acoustic sensor;Fabry-Perot interference;light intensity demodulation0 引言传统的电子式声波传感器发展历史悠久,因技术成熟在医学检测1、损伤探测2和灾害预警3等领域的应用十分广泛;由于是通过内部电子元件的电压变化来感知声波信号,其在强电磁干扰、潮湿等恶劣环境4中使用受到限制。光纤声波传感器是把外界作用的声波信号调制进光波的特征参数中5,之后再通过光解调技术将原始信号还原,与传统电子式传感器相比,具有抗电磁干扰、高灵敏度6等特点。光纤 F-P 声波传感器根据结构分为本征型(IF-PI)与非本征型(EFPI),其中 IFPI 型是把光纤本身作为声光换能元件,导致加工难度大、不宜小型化;而EFPI 型把外部振膜作为传感单元,与光纤共同完成对声波信号的测量,是目前主流的 F-P 声波传感器方案。文献7采用氧化石墨烯(GO)膜制作了光纤声波传感器,GO 膜厚度约 100 nm,可实现低声压测量;但长期使用下 GO 膜容易发生破损,其稳定性仍有不足。文献8采用波纹结构释放初始应力的方法,制作了基于波纹银膜的光纤 F-P 传声器,其机械灵敏度达到 52 nm/Pa,是平面结构的 2 倍;但纳米波纹膜片的加工工艺复杂、价格昂贵,不适合大规模生产。本文采用常见的金属钛膜作为声光换能元件,制作了光纤 F-P 声波传感器,其具有稳定的物理性质,且结构简单易于加工实现。针对温度漂移对解调精度的影响,搭建了稳定正交工作点的强度解调系统,并对传感器进行性能测试,结果表明该传感器在 1.58 kHz 范围内具有良好的线性响应关系。1 传感器的结构与原理1.1 传感器结构本文设计的光纤 F-P 声波传感器结构如图 1 所示,由铝合金外壳、斜 8陶瓷插芯、单模光纤、钛薄膜按图示结构组成。铝合金外壳作为主体在外层起支撑作用,并留有通气孔用于维持内外气压平衡;陶瓷插芯内嵌入单模光纤用于光信号传输,钛薄膜作为声光换能元件固定在外壳侧边。在传感器结构中,单模光纤与钛薄膜作为核心元件,两者端面共同构成光纤6 第 2 期曾灏等:基于钛膜的光纤 F-P 声波传感器实现 F-P 干涉腔。图 1 光纤声波传感器结构当存在外界声波时,钛薄膜在声压作用下的振动模型如图 2 所示。图 2 声波作用下薄膜振动根据弹性力学小挠度理论,对于周边固定的圆形弹性膜片,其一阶固有频率 f00、机械灵敏度 S 计算如下9:f00=10.214E3(1-2)hr2(1)S=3(1-2)16Eh3(r2-r02)2(2)式中:E 为弹性模量;为泊松比;为密度;h 为膜片厚度;r 为膜片半径;r0为光直射点的半径。从式(1)、式(2)可知,当膜片材料确定时,f00、S不仅与 h 和 r 有关,S 还与激光直射点的位置密切相关10。文中选择钛薄膜,h=20 m、r=2.5 mm,安装时陶瓷插芯尽量直射钛膜中心即 r0=0,以获得最大的机械灵敏度。1.2 传感原理本文设计的声波传感器采用 EFPI 结构,通过陶瓷插芯的光纤端面与钛薄膜端面构成 F-P 腔,两者之间的距离称为 F-P 腔长 l。当光束 Ii从光纤入射 F-P腔时,部分光会在光纤端面发生反射,反射回光纤的光记为 I1;部分光透射后到达钛薄膜端面,经过反射后耦合回到光纤中,由钛薄膜反射后进入光纤中的光记为 I2。I1、I2两束光在光纤回路中会发生干涉,形成新的干涉光 Io,整个过程中两端面的反射率 R 较小,可以近似为双光束干涉11。在双光束干涉中,端面反射率 R 较小(R4%),干涉光 Io光强可近似为12Io()=2RIi()(1-cos4nl)(3)式中:为入射光波长;Ii()为入射光光强;l 为 F-P腔长;n 为介质折射率。由式(3)可知,当入射 F-P 腔的光波长一定时,干涉光 Io与腔长 l 之间为余弦关系,如图 3 所示。在关系曲线的一个周期内存在正交工作 Q 点,为获得最大灵敏度,其位于曲线斜率最大点处,同时也是光强的直流分量点。以 Q 点为中心的/8 相位范围内,Io与 l 可以近似为一一对应的线性关系。当外界声波作用在钛薄膜上时会使 F-P 腔长 l 发生改变,进而引起干涉光 Io光强变化,因此可以通过检测干涉光 Io间接实现对声波的测量。图 3 双光束干涉中光强与腔长关系2 稳定正交工作点的强度解调法声波作用在传感器上需要经过解调才能将其还原,传统的解调方法为单波长强度解调法,其利用干涉光与 F-P 腔长之间的关系,通过宽谱光源或调谐激光器获得使传感器工作在 Q 点的正交波长 Q,在 Q点的线性工作区域范围内实现声波信号的测量13。这种方法具有灵敏度高、解调速度快等优点,但同时也存在一定的局限性,容易受到外界环境因素的干扰14,其中温度漂移引起正交波长 Q变化,导致解调精度降低的现象尤为明显。针对温漂造成的不利影响,基于温度补偿理论15,本文实现了稳定正交工作点的强度解调方法。声波传感器在制作完成后,F-P 腔长便已经确定,在宽谱光源或调谐激光器下干涉光强 Io与波长 的余弦曲线基本保持不变;在温度漂移的影响下,光谱曲线仅会发生左右移动。利用这一特性,在干涉余7 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期弦曲线中选择一周期片段如图 4 所示,以 Q1为中心的线性相位区间为(Q1-/8,Q1+/8),端点处波长为 min、max,中心点光强为 IQ。以 Q1为原点建立坐标系,存在正比例关系:I=a(4)其中比例系数 a 可以通过(min,max)段曲线拟合得到。图 4 单周期内光强与波长关系如图 5 所示,当光谱曲线出现漂移时,波长 Q1对应光强变为 IQ,由此产生光强差 I=IQ-IQ,由式(4)计算对应的波长差,当 达到一定阈值时,将Q2=Q1+作为新的工作波长输出。通过实时调节激光器,使其工作波长稳定在正交工作点附近,从而达到降低温漂干扰的目的。图 5 稳定正交工作点的波长输出示意图3 实验与结果分析3.1 声波传感器测试系统本文利用稳定正交工作点的强度解调方法,搭建声波测试系统如图 6 所示。采用数字调谐激光器(TSL,CA92004)作为光源,波长范围为 1 5271 567 nm,波长分辨率为 0.01 nm,LabVIEW 上位机可以通过控制主板设置 TSL 工作波长。信号发生器连接扬声器作为声源,为 F-P 声波传感器提供外界声波。光纤环形器连通 TSL、F-P 声波传感器、光测量电路,TSL 发射的激光经环形器到达传感器,被声波信号调制后再次通过环形器进入光测量电路,由示波器显示转换后信号,并通过控制主板将采集信号上传至上位机中分析处理。为表征扬声器图 6 声波传感器测试系统作用在传感器上的声压强度,贴近传感器位置安装声级计(GM1358)。在测试声波信号前,为获得干涉光强 Io与激光波长 之间的关系曲线,由上位机设置 TSL 扫描输出1 5271 567 nm 段激光,并将扫描结果传回上位机中,得到 F-P 干涉光谱如图 7 所示。图 7 TSL 扫描干涉光谱图从图 7 可得自由光谱范围(FSR)约为 3.5 nm,消光比约 12 dB,据此以 1 547 nm 为中心取 3.5 nm 范围1 545.251 548.75 nm,在此范围内寻找正交工作波长 Q1,并通过最小二乘拟合得到比例关系 a。由 LabVIEW 上位机计算得到波长扫描时的直流分量 IQ=-53.927 5 dBm,对应正交工作波长 Q1=1 548.15 nm,比例关系 a=11.863 2。上位机设置TSL 单波长输出 Q1,根据式(4),当漂移造成的波长差 0.15 nm 时,由上位机计算出漂移后的正交波长 Q2并由 TSL 输出。3.2 实验测量结果与分析在实验过程中,由信号发生器输出 1.58 kHz 的单一正弦波,用示波器测量在该频率下的响应曲线,并通过 GM1358 记录当前声压级。其中频率、声压级典型值在(2 kHz,90.4 dB)、(5 kHz,97.9 dB)、(8 kHz,96.7 dB)下的响应曲线与 FFT 变换频谱结果如图 8图 10 所示,图中响应曲线具有明显的正弦信8 第 2 期曾灏等:基于钛膜的光纤 F-P 声波传感器实现 号特征,在 FFT 频谱上主频与信号发生器输入扬声器的频率基本一致。(a)2 kHz,90.4 dB 下传感器响应曲线(b)响应曲线频谱峰值 2 kHz,-18.4 dBV图 8 传感器在 2 kHz 下的响应结果(a)5 kHz,97.9 dB 下传感器响应曲线(b)响应曲线频谱峰值 5 kHz,-27.74 dBV图 9 传感器在 5 kHz 下的响应结果(a)8 kHz,96.7dB 下传感器响应曲线(b)响应曲线频谱峰值 8 kHz,-33.19 dBV图 10 传感器在 8 kHz 下的响应结果 从图 8图 10 可得,整个传感器系统的本底噪声约为-80 dBV,信号频率幅度超过-35 dBV,传感器系统的信噪比约 45 dB。为测试传感器的响应电压 Vout与声压 p 之间的关系,通过调节信号发生器的输出电压改变声波强度,测量不同声压环境下的响应输出。图 11 为 2 kHz 下的强度响应关系,横坐标为声压(声级计单位 dB 已转化为标准压强单位 Pa),纵坐标取响应曲线的峰平均值。图中拟合曲线的声压灵敏度达 43.53 mV/Pa,线性度 R2为 0.997 2。图 11 2 kHz 下声波强度响应关系图在不同声波频率下重复强度响应测试,得到 1.58 kHz 范围内线性度 R2与频率关系,结果如图 12 所示。图中线性度 R2大于 0.982,证明在 1.58 kHz 内传感器系统具有良好的线性响应。9 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期图 12 线性度与频率关系图4 结束语本文根据 EFPI 结构提出了一种基于钛膜的光纤F-P 声波传感器,钛薄膜作为声光换能元件与斜 8陶瓷插芯共同构建 F-P 干涉腔,实现了消光比约 12 dB的干涉光谱。针对温度漂移对解调精度的影响,搭建稳定正交工作点的传感器测试系统。经实验证明,在1.58 kHz 范围内,光纤 F-P 声波传感器具有良好的线性响应结果,线性度 R2大于 0.982,能够实现对正弦声波信号的解调与还原。传感器系统信噪比约为45 dB,在 2 kHz 频率下的声压灵敏度为 43.53 mV/Pa,R2=0.997 2。该声波传感器具有结构简单、易实现等特点,在中低频段具有潜在的应用价值。参考文献:1 GUO B B,TANG H,XIA S F,et al.Development of a multi-channel wearable heart sound visualization 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