實驗名稱：超聲傳感性能研究

測試目的：

光纖馬赫-曾德爾干涉儀是一種靈敏度高、結(jié)構(gòu)靈活的傳感結(jié)構(gòu)。當在MZI上施加超聲波信號時，會影響所涉及的干涉光之間的光程差，并導致干涉光譜的漂移。由于模式耦合是基于MZI的光纖傳感器的關(guān)鍵元件，因此產(chǎn)生了各種光纖耦合技術(shù)，如光纖錐、多模光纖和錯位熔接。單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)是應用最廣泛的一種兼具強模式耦合機制和高環(huán)境參數(shù)感知的光纖馬赫-曾德爾干涉儀。目前已經(jīng)研制了多種SMS光纖結(jié)構(gòu)，如直接熔接、錯位熔接、錐形熔接、與光纖布拉格光柵級聯(lián)等。SMS光纖結(jié)構(gòu)已成功應用于光纖濾波器、折射率和濕度傳感，但其在超聲傳感方面的研究鮮有報道。本章提出了一種基于SMF-粗錐(Bitaper)-MMF-Bitaper-SMF光纖結(jié)構(gòu)的超聲傳感器。通過在SMF和MMF連接處熔接兩個Bitaper，該傳感器結(jié)構(gòu)堅固，有效利用SMS光纖結(jié)構(gòu)的高靈敏度和高耐受性，實現(xiàn)了多方向的超聲探測。

測試設(shè)備：ATA-2021B高壓放大器、信號發(fā)生器、PZT、數(shù)字示波器、傳感器等。

實驗過程：

圖1：不同方向超聲波作用傳感器示意圖

圖1為傳感器在不同方向超聲波作用的示意圖。當超聲從A或者F方向作用傳感器時，①處收縮，②處拉伸；當超聲從C或者D方向作用傳感器時，①處拉伸，②處收縮；當超聲從B作用傳感器時，①處和②處上側(cè)收縮，下側(cè)拉伸；當超聲從E作用傳感器時，①處和②處上側(cè)拉伸，下側(cè)收縮；利用有限元軟件對傳感器進行聲學仿真，以模擬該超聲波傳感器的性能，相應的模擬結(jié)果分別如圖2(a)、(b)和(c)所示。圖2(a)為球形總聲壓場的XZ截面圖，可以很明顯看出聲波是從哪個方向入射到域內(nèi)。圖2(b)為該傳感器結(jié)構(gòu)對應超聲信號的應力圖，由于兩端單模被固定，中間的傳感光纖部分受到一定的應力，為在1pa左右，對應入射超聲波信號的壓力幅值。圖2(c)為球形聲場的聲壓級以及傳感器對應的位移圖，結(jié)果顯示在Bitaper處位移較大，最大位移約為8×10的-8立方mm。Bitaper部分還具有集中的聲壓級，聲壓級最大可達120dB，這說明Bitaper更容易探測到超聲信號。當傳感器結(jié)構(gòu)接收超聲信號時，Bitaper的形變會影響到傳感器長度L的變化以及傳輸模式的有效折射率的變化，從而檢測輸出光譜的變化。

圖2：傳感器的超聲場仿真：(a)總聲壓場；(b)應力；(c)聲壓級和位移

實驗所建立的水下光纖超聲探測系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)主要包括超聲產(chǎn)生和超聲檢測兩部分。超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)由信號發(fā)生器、高壓放大器和PZT組成。PZT由峰值電壓為20V的信號發(fā)生器和最高電壓為200Vp-p的高壓放大器(ATA-2021B)驅(qū)動，提供正弦脈沖超聲波。超聲波檢測系統(tǒng)由可調(diào)諧激光器、傳感器、光電探測器和數(shù)字示波器組成。TSL-710的波長帶寬為160nm，線寬為100kHz，分辨率為0.1pm。采用水下環(huán)境下的方法對超聲信號進行檢測，以降低超聲信號的傳播損失，增強超聲信號與傳感器的耦合性。在實驗中，PZT與傳感器分別浸入水箱中，間隔2cm，水平放置后固定。水箱的尺寸為45cm(長)*15cm(寬)*10cm(高)。當超聲波作用于傳感器時，導致反射譜漂移。利用邊帶濾波解調(diào)技術(shù)，將譜移轉(zhuǎn)換為光強變化，并通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出至示波器顯示。為獲得最佳的超聲響應，將輸出光束的檢測波長設(shè)置在干涉光譜的3dB處。

圖3：光纖超聲檢測系統(tǒng)原理圖

實驗結(jié)果：

圖4：(a)傳感器在110kHz脈沖超聲信號的時域響應；(b)FFT變換后的頻譜

實驗研究了MMF長度為2cm的傳感器對110kHz脈沖正弦信號的響應，結(jié)果如圖4(a)所示，可見傳感器成功檢測了超聲信號。傳感器的實時響應平滑，絕對電壓約為0.013V，信噪比為21dB。空間頻率是一個光場信號在單位時間內(nèi)周期性重復的次數(shù)。對圖4(a)進行FFT變化得到傳感器的頻譜，如圖4(b)所示，可見頻譜的中心頻率為110kHz，與超聲信號發(fā)射頻率吻合較好。

高壓放大器推薦：ATA-2021B

圖：ATA-2021B高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇