發(fā)布時間：2018-01-08 06:20

  本文關鍵詞：光纖低頻聲波傳感技術研究及應用　出處：《華中科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 光纖傳感 聲波傳感器 光纖耦合器 強度解調 鎖模光纖激光器 縱模拍頻 FP干涉儀

【摘要】：光纖傳感技術的發(fā)展越來越走向成熟,其相關的應用也逐漸延伸到多個領域。光纖聲波傳感技術是光纖傳感器當中一個非常重要的研究領域之一,與常用的電學式聲波傳感器(電容式或壓電式聲波傳感器)相比,由于具有極高的探測靈敏度、較低的制造成本、能抗電磁干擾工作于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)勢而受到極大關注�，F今光纖聲波傳感器已在自然災害預警、醫(yī)療診斷、地質勘探甚至戰(zhàn)場等領域中得到廣泛應用。近年來,地震等自然災害頻發(fā)、現代海戰(zhàn)技術迅猛發(fā)展,由于這些領域中對聲波探測的特殊需求,人們開始研究和關注高精度、低頻段、低成本和小型化的光纖聲波傳感器。本文針對近年來光纖聲波傳感器的發(fā)展需求,結合雙FBG結構、非標準光纖耦合型、被動鎖模多縱模拍頻和光纖EFPI結構等關鍵技術,著重研究了幾種新型的高靈敏、低頻段、低成本的光纖聲波傳感結構,并進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。具體主要工作內容和研究成果如下：(1)論述了聲學相關的基礎理論,介紹了聲波的基本本質,分類講述了不同類型的彈性體振動學形式,為后面章節(jié)的各類聲學探測方法奠定了理論基礎。(2)從布拉格光纖光柵(FBG)的基礎理論出發(fā),創(chuàng)新地使用金屬薄膜縱向作用于雙光纖光柵來測量聲波振動,提出了基于薄膜換能的雙FBG聲波傳感理論模型。理論分析和模擬仿真了雙FBG不同結構、不同參數對輸出結果的影響。并在此基礎上成功制作了基于薄膜換能的雙FBG結構并進行了聲波探測實驗,在200-1000 Hz的頻率范圍內得到了高達90μW/Pa的聲學靈敏度,且能夠在100.3-118.5 dB聲壓范圍內實現聲壓測量。雙FBG的結合也在一定程度上解決了多數光纖傳感器溫度穩(wěn)定性差的問題,實現了自解調、溫度穩(wěn)定性好、準確可靠的基礎聲波傳感應用。(3)基于模式耦合的理論,在光纖耦合器制備工藝的摸索下,創(chuàng)新地提出利用非標準光纖耦合型(多周期光纖耦合型和多模光纖耦合型)來實現聲學傳感探測的方法。通過金屬鋁箔的聲光換能,使用自制的非標準光纖耦合器,基于聲振動耦合、光強度調制等技術來感應聲振動。實驗結果顯示,在寬至人耳可聽頻率范圍20 Hz-20 kHz內,其最高靈敏度高達2.63 mW/Pa,沖擊響應實驗解調結果良好,說明了傳感器工作性能比較好,能夠幾乎不失真的解調到聲音信號。另外,利用耦合器兩輸出端的差分處理,既可使靈敏度加倍,也可大大地降低環(huán)境及機器噪聲的影響。這樣就實現了具有較高靈敏度較寬動態(tài)頻率的聲波傳感應用。(4)在理論分析和成功制作DBR激光器的基礎上,利用激光器的多縱模拍頻解調機理,并根據DBR激光器諧振腔腔長對光纖軸向應變敏感的特性,模擬分析了軸向對激光器輸出拍頻的具體影響并進行了實驗驗證。同時,將碳納米管嵌入到DBR激光腔內,作為可飽和吸收體來實現對激光器的被動鎖模,使其更加穩(wěn)定可靠。在這個基礎上,創(chuàng)造性地提出且通過實驗驗證了基于被動鎖模的多縱模光纖激光器實現聲壓測量的可行性。然后對其進行了實驗研究,結果顯示在6 GHz工作頻率附近可實現0-23 Pa聲壓范圍內靈敏度高達一147.2 Hz/mPa的傳感應用,同時具有良好的實驗穩(wěn)定性。表明在頻域內實現了高靈敏度、寬動態(tài)范圍、穩(wěn)定性好的聲壓測量應用。(5)針對特殊應用場合下對低頻次聲波的探測需求,并結合光纖干涉型傳感結構的優(yōu)勢,設計并提出了一種新穎的基于復合膜片式光纖EFPI次聲波傳感器。利用聚合物薄膜和鋁箔結合而形成圓形復合膜片,與光纖FC接頭的插芯端面間形成EFPI干涉儀結構。通過理論模擬和優(yōu)化設計換能器的不同材料、尺寸和結構等,根據探測需求權衡選取了相關參數。接著,制作了光纖EFPI次聲波傳感系統(tǒng)的傳感頭,然后封裝。然后在模擬的次聲場環(huán)境中,與標準的丹麥BK聲傳感器進行了對比試驗。從對比結果來看,本論文的光纖EFPI次聲波傳感器,在低頻次聲范圍內(1-20 Hz)獲得了高達-138.3 dB re 1 V/μPa(～121 mV/Pa)的聲學靈敏度,高于用來對比的成熟商用聲傳感器。
[Abstract]:Fiber optic sensor technology has been widely used in many fields such as natural disaster warning , medical diagnosis , geological exploration and even battlefield . ( 3 ) Based on the theory of mode coupling , the method of acoustic sensing detection using non - standard fiber coupling type ( multi - period fiber coupling and multi - mode fiber coupling ) is proposed . ( 5 ) Based on the advantages of fiber optic interferometric sensing structures , a novel composite membrane sheet type optical fiber ( EFPI ) ultrasonic sensor is designed and proposed for the detection of low frequency secondary sound waves .

【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1395986