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基于光纤马赫-曾德干涉仪的无振膜式声波传感器研究

朱文华  
【摘要】:声波信号作为可以携带频率特性和振幅属性的信息载体,其广泛应用于日常生活生产、军事医疗等活动中。声波的探测技术在自然灾害如地震、火山爆发等预警方面,工业控制、生物医疗成像、油气资源勘探和国防军事等领域被广泛应用,且不断推动其技术的革新。传统电子式声波传感器自身具有较大尺寸、低响应灵敏度、环境耐受能力差如易受电磁干扰、不适用于高温强腐蚀等恶劣环境的缺点,基于光纤的声波传感器能够有效解决这些问题。针对目前大部分光纤声波传感器存在灵敏度、频率响应以及动态响应范围高度依赖于间接声光耦合材料的问题,本论文提出一种新型的基于空气折射率动态检测机理的无振膜式光纤声波传感方案,这种无振膜式直接耦合型声波传感技术可实现宽频带平坦的频率响应,具有大动态范围以及较高稳定性等优点。通过结合该机理,搭建了光纤马赫-曾德干涉仪传感器结构,并进行了一体化腔体和灵敏度增强的研究,成功实现了宽频带下的平坦响应。首先,将由一对准直器构成的空气开腔插入马赫-曾德干涉仪传感臂上,搭建了一套无振膜式光纤声传感系统,用于验证声致空气折射率动态变化可实现声波测量这一传感机理。对这种开腔结构进行了模拟,模拟光束所在区域声压分布与声源频率和声源声压大小的关系。仿真结果表明这种传感机理基于声波与光束直接耦合的方式,与声源频率无关,仅依赖于环境声波信号的声压值大小并且呈线性关系。后续实验也证实这种无振膜式声波传感机理能够实现对声波信号的宽频带平坦响应。接下来,制作了一种基于3D打印技术的开腔腔体,通过套管在MZI传感臂上形成空气开腔。该结构对基于开腔光纤马赫-曾德干涉仪的无振膜式声波传感器进行了传感腔体尺寸小型化和一体性的优化。最后,为了进一步提高开腔结构声波传感器的空气折射率调制效率,制作了一种反射式声波聚焦器件,可将该结构一体化,并且对外界声波信号进行汇聚,增加对空气折射率的调制。通过有限元方法研究了这种器件不同参数对声波的汇聚效果,仿真结果表明该结构可有效提高无振膜式声波传感器声灵敏度。


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