基于微纳光纤耦合器的宽频声波测量方法研究

作     者：文嘉杰 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高旭

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：声波测量 微纳光纤耦合器 色散转折点 宽频 灵敏度 

摘      要：声波测量在水声探测、无损检测、地震探测、安防监测等领域应用广泛。与传统磁电式声波传感器相比,光纤式声波传感器具有结构简单、重量轻、抗电磁干扰能力强等优点。本文以微纳光纤耦合器作为核心敏感元件,结合声波传感膜片,提出了一种高灵敏度的宽频声波测量方法,并具体设计了光纤式声波传感器原理样机。在参考国内外相关文献的基础上,本文对比分析了各种光纤式声波传感器优缺点。重点研究了基于微纳光纤耦合器的声波测量原理、声光探测机理以及所能达到的性能指标,并具体进行了该种原理声波传感器的设计仿真和实验测试。提出了基于微纳光纤耦合器色散转折点的声波测量方法。分析了微纳光纤耦合器奇超模和偶超模的模间干涉特性,推导了应变灵敏度计算模型,发现耦合器工作在色散转折点处时,具有更高的灵敏度。为了提高声波传感器的声压灵敏度和频率响应范围,提出结合声波传感膜片作为敏感/转换元件的设计方法。介绍了其频率、形变的工作特性及声波转换原理,具体分析了膜片材质、形状、大小、厚度等参数对传感器谐振频率、声压灵敏度的影响。对提出的基于微纳光纤耦合器的声波测量方法进行仿真。采用COMSOL Multiphysics软件对微纳光纤耦合器的奇超模和偶超模的模场分布进行仿真计算,获得光纤色散转折点位置;同时,对传感膜片的形变特性和谐振频率特性进行仿真;通过仿真轴向应变特性的光谱特征,进一步验证了微纳光纤耦合器在色散转折点处具有更高的轴向应变灵敏度和较大的线性范围。实际搭建了微纳光纤耦合器的应变检测系统,对其轴向应变和温度适应性进行多组实验验证。通过在轴向加载0-16μm的拉伸时观测光谱变化特征,结果表明:微纳光纤耦合器在轴向0-400μ?范围内实现线性输出,且在色散转折点附近,轴向灵敏度可达83.7pm/μ?;在20℃-55℃温度范围内,仍可实现线性输出,温度灵敏度≤-398.2pm/℃。实际搭建了基于微纳光纤耦合器的声波传感器原理样机,将激光器光源设置在1600nm、1573nm、1500nm等三个工作波段下,通过加载不同频率的离散声波信号,对本文提出的测量方法进行多组实验验证。结果表明:声波传感器的频率响应范围为30Hz-20k Hz,在0-0.4Pa声压范围内具有良好的线性输出;在光源波段为1573nm(对应色散转折点位置)时,测量灵敏度最高;且在120Hz的声波信号作用下,信噪比为42.45d B,灵敏度可达1929.9m V/Pa。此外,该传感器具有良好的重复性能,对混频声波信号也可实现较好的测量。