實(shí)驗(yàn)名稱：超聲傳感性能研究

測(cè)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(dāng)在MZI上施加超聲波信號(hào)時(shí)，會(huì)影響所涉及的干涉光之間的光程差，并導(dǎo)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(cuò)位熔接。單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的一種兼具強(qiáng)模式耦合機(jī)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(cuò)位熔接、錐形熔接、與光纖布拉格光柵級(jí)聯(lián)等。SMS光纖結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)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(bào)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(gè)Bitaper，該傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，有效利用SMS光纖結(jié)構(gòu)的高靈敏度和高耐受性，實(shí)現(xiàn)了多方向的超聲探測(cè)。

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

實(shí)驗(yàn)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(dāng)超聲從A或者F方向作用傳感器時(shí)，①處收縮，②處拉伸；當(dāng)超聲從C或者D方向作用傳感器時(shí)，①處拉伸，②處收縮；當(dāng)超聲從B作用傳感器時(shí)，①處和②處上側(cè)收縮，下側(cè)拉伸；當(dāng)超聲從E作用傳感器時(shí)，①處和②處上側(cè)拉伸，下側(cè)收縮；利用有限元軟件對(duì)傳感器進(jìn)行聲學(xué)仿真，以模擬該超聲波傳感器的性能，相應(yīng)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(chǎng)的XZ截面圖，可以很明顯看出聲波是從哪個(gè)方向入射到域內(nèi)。圖2(b)為該傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)超聲信號(hào)的應(yīng)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(yīng)力，為在1pa左右，對(duì)應(yīng)入射超聲波信號(hào)的壓力幅值。圖2(c)為球形聲場(chǎng)的聲壓級(jí)以及傳感器對(duì)應(yīng)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(jí)，聲壓級(jí)最大可達(dá)120dB，這說明Bitaper更容易探測(cè)到超聲信號(hào)。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)接收超聲信號(hào)時(shí)，Bitaper的形變會(huì)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(cè)輸出光譜的變化。

圖2：傳感器的超聲場(chǎng)仿真：(a)總聲壓場(chǎng)；(b)應(yīng)力；(c)聲壓級(jí)和位移

實(shí)驗(yàn)所建立的水下光纖超聲探測(cè)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(cè)兩部分。超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、高壓放大器和PZT組成。PZT由峰值電壓為20V的信號(hào)發(fā)生器和最高電壓為200Vp-p的高壓放大器(ATA-2021B)驅(qū)動(dòng)，提供正弦脈沖超聲波。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由可調(diào)諧激光器、傳感器、光電探測(cè)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(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以降低超聲信號(hào)的傳播損失，增強(qiáng)超聲信號(hào)與傳感器的耦合性。在實(shí)驗(yàn)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(dāng)超聲波作用于傳感器時(shí)，導(dǎo)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(qiáng)變化，并通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出至示波器顯示。為獲得最佳的超聲響應(yīng)，將輸出光束的檢測(cè)波長設(shè)置在干涉光譜的3dB處。

圖3：光纖超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

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

實(shí)驗(yàn)研究了MMF長度為2cm的傳感器對(duì)110kHz脈沖正弦信號(hào)的響應(yīng)，結(jié)果如圖4(a)所示，可見傳感器成功檢測(cè)了超聲信號(hào)。傳感器的實(shí)時(shí)響應(yīng)平滑，絕對(duì)電壓約為0.013V，信噪比為21dB。空間頻率是一個(gè)光場(chǎng)信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)周期性重復(fù)的次數(shù)。對(duì)圖4(a)進(jìn)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(hào)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(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇