基于马赫—泽德干涉仪的单模光纤声波传感器的研究

基于马赫—泽德干涉仪的单模光纤声波传感器的研究 李双佶 梁景舒 王福娟 蔡志岗* (中山大学物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275 ) 摘要 光纤传感器是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种新型传感器。它与普通的 传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防燃等优点，因此在温度、应 力、磁场等传感领域都有着广泛的应用，只是在声音测量方面的应用并不多见。本 文研究的是光纤声波传感器，传感器的基础为马赫—泽德全光纤干涉仪，主要工艺 集中在传感臂探头的制作。通过使用自主 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的基于 M-Z 干涉仪的单模光纤声波 传感器，可以对声波的频率和声压级（输出电压峰谷差值）进行测量。频率响应范 围为 4~5000 Hz，涵盖了次声波段，这是一般声传感器较难达到的。动态响应范围 上限为 100 dBA。实验最后还进行了 LCD 液晶显示的设计，使传感器测量到的数 据可以即时显示。 关键词 传感器；光纤声波传感器；相位调制；M-Z 全光纤干涉仪 Experiment of A Single-mode Fiber Acoustic Sensor Based on Mach - Zehnder Interferometer Li Shuangji Liang Jingshu Wang Fujuan Cai Zhigang (School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou，Guangdong 510275，China) Abstract Optical Fiber Sensor is a new type of sensor developed in the mid-1970s, Compared with ordinary sensors, which has the advantages of high sensitivity, anti-electromagnetic interference, corrosion resistance, anti-burning, etc, and therefore it is widely used in the sensor field of temperature, stress, magnetic, however, it is rarely used in the application of sound measurement. This paper is mainly about a fiber-optic acoustic sensor, which is based on the Mach - Zehnder all-fiber interferometer, the main technical focuses on production of the probe in the sensing arm. By single-mode fiber acoustic sensor based on Mach - Zehnder interferometer, the frequency of sound waves and SPL (the output voltage difference between peak and trough) can be measured. Frequency response range is 4~5000 Hz, covering the infrasound band, which is difficult for ordinary acoustic sensors to achieve. The upper limit of linear response range is 100 dBA. This experiment also has made a progamme in a singlechip in order to show the data instantly on a LCD. Keywords Sensors; A fiber acoustic sensor; Phase modulation; M-Z all-fiber interferometer 作者简介：李双佶（1987---），男，本科。Email：lishuangji3333@163.com *通信联系人：蔡志岗（1962---），男，博士，教授，主要从事激光与光电子技术方面的研究。Email： lasers@netease.com 1 引言 光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁 干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 电子设备与传感器可以间隔很 远等优点，并可以构成传感网络。先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高 几个数量级，可以测量温度[1]、应力（应变） [2] 、磁场[3]、折射率[4]、形变[5]、 微震动[6]、微位移[7]、声压[8]等，已经实现的可用光纤传感技术测量的物理量已 达非常多种[9]。 光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器分为传光型光纤传感 器和传感型光纤传感器[10]。本文研究采用的是传感型光纤传感器。传感型光纤 传感器应用最多的是相位调制型光纤传感器或者干涉型光纤传感器，即外界因素 使光纤中传输光的相位变化，进而改变出射光（干涉光）的强度变化来达到测量 目的。常用的干涉型光纤传感器有 Michelson 干涉式光纤传感器[11]、Mach - Zehnder 干涉式光纤传感器[12]、Fabry - Perot (F - P) 干涉式光纤传感器[13]、Sagnac 干涉式光纤传感器[14]、Fizeau 干涉式光纤传感器[15]等。 近来光纤声波传感器的研究多利用光强强度变化来进行测量，本文则探索通 过 M-Z 全光纤干涉仪，利用相位差的变化来测量外界声音信号的频率与声压级。 基于相位变化的调制机理，其灵敏度可以达到微米级，故研制成功后其灵敏度要 远大于强度调制。另外，本文研制的声波传感器结构相对简单，使用的仪器都是 实验室常用设备，使用的材料也是生活中常见材料，这为此声波传感器的实用化 提供了可能。 2 实验原理 M－Z 干涉仪基本结构如图1所示。现在考虑最简单的情况：假设两臂光强 相等，两臂光都为线偏振光且偏振方向一致。假设两光纤臂长差为 ，光在光 纤中的波长为λ。那么经过分束后的两路光到达第二个耦合器时形成的相位差为： LΔ λ πφ LΔ= 2 （1） 图1 M-Z干涉仪基本结构。 Fig. 1 The basic structure of M-Z interferometer. 假设两路光的振幅分别为A1和A2，则由余弦定理，得到在第二个耦合器中的 合成光振幅： φcos2 212221 AAAAA −+= （2） 如果第一个耦合器分光均匀，则上式中 A1= A2，上式变为： φcos22 211 AAAA −= （3） 把 Φ带入得到合成光振幅随波长的变化关系： )2cos(2 21 2 2 2 1 λ π LAAAAA Δ−+= （4） 由式（4）可知，由于此处的波长 λ是微米量级的，故只要 LΔ 是微米量级的 形变，即可对合成光振幅产生影响，又由于光强与 A2 成正比，故光强也会随之 发生变化，从而达到检测的目的。这也就是引言中提到的灵敏度高的理论依据。 3 光纤声波传感器的研制 M－Z 干涉仪的一臂作为参考臂，其上光纤在外层软套的保护下不会发生形 变；另外一臂作为传感测量臂，其上光纤为裸光纤，在外界声压的作用下产生形 变。实验装置图如图 2。 图 2 实验装置图。 Fig. 2 Experimental setup. 3.1 光源的选取 在研究过程中，我们试验过三种光源：He-Ne激光器（波长 630 nm）、普通 半导体激光器（波长 650+10 nm）、通信用半导体激光器（波长 1550 nm）。各 光源特点如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 所示： 表 1 光源特性对照 Table 1 Comparative characteristics of the source 光源 优点 缺点 He-Ne 激光器 相干性最好 激光耦合（如光纤）困难；体积庞大， 不便于携带 普通半导体激光器 体积小巧；便于携带； 易于耦合激光 相干性较差；功率不稳定 通信用半导体激光器 相干性较好；便于携带； 易于耦合激光 价格稍贵 故实验中采用通信用半导体激光器输出的红外激光作为光源，传感臂测量对 声音敏感度高且耦合方便，其输出为光电转换后的电信号，此信号可直接接入示 波器观察波形。 3.2 传感臂探头的制作 探头的增敏技术是光纤声传感器单元的关键技术之一，它直接影响着传感器 的灵敏度。为了增大声压对光纤形变的影响，在设计传感臂时尝试了平面密绕法 和空心圆筒式密绕法。实验发现，平面式绕法容易受到桌面震动影响且对声音的 灵敏度不高；在空心圆筒式绕法中，尝试过不同圆筒半径和长度的设计并进行实 验测试，从实验中得出在半径 R=5.5 cm、长度 L=16.3 cm 时测量效果最佳，此时 所绕的光纤匝数为 22 匝。 3.3 AVR 单片机电路的设计及 LCD 显示 通过对经过光电转换后输出的电信号的整形和单片机编程处理，加上 LCD 可以即时显示传感器测量到声音频率。 设计思路主要有以下几步骤：首先是光信号转换成电信号；其次利用电压比 较法进行 AD 转换；再次通过单片机 mega16 测量信号频率及输出电压峰谷差值 ΔU；最后经 LCD 液晶显示。 由于声波传感器输出的电信号电压值仅为 0~500 mV，为了适应集成运算芯 片的 5 V 电压要求，电路设计上先将输出电压放大十倍，然后在用电压比较法进 行 AD 转换，最后把 AD 转换后得到的 1，0 信号输入单片机 mega16 通过 C 语 言编程后可以测量出信号变化的频率以及示波器正弦波波峰差值的大小。 4 光纤声波传感器的测试结果及分析 4.1 波形的对比 在实验中，用信号发生器产生不同频率的正弦波由音箱发声，在示波器上可 以直观的显示出不同频率下由此传感器检测到的波形。如图 3所示。 (a) (b) (c) 图 3 各频率下检测波形示例。(a) f=17.0Hz;(b) f=50.38Hz;(c) f=99.28Hz Fig. 3 Examples of the detected waveforms in different frequencies. 由于设置的示波器的扫描时间是相同的，均为 25.0 ms，因此可以从图中清 晰直观的看到三者的频率、周期差异。 同时，我们还可以在示波器上对信号发生器原始波形与检测波形进行对比来 考察波形的还原程度，如下图所示： 图4 原始波形与检测波形对比。 Fig. 4 Comparison between original waveform and the detected waveform. 上图中蓝色波形为原始波形，黄色波形为检测波形。可以看到波形得到了较 好的还原，噪声还可能来自外界环境或音箱自身。 4.2 频率的测量 调节函数发生器产生不同的输入频率 f1（4~1000 Hz），对经过光电转换后 的输出电信号数据采样，并且对信号数据进行傅立叶变换与频谱分析后得到检测 的频率 f2。f1与 f2的关系如下图： 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000 fr eq ue nc y f 2/ H z frequency f1/Hz 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 fr eq ue nc y f 2/ H z frequency f1/Hz （a） （b） 图 5 输入频率与检测到的输出频率关系图。(a) f1=4~1000 Hz;(b) f1=4~20 Hz Fig. 5 Relationship between input frequency and the detected frequency. 其中图 5（b）是图 5（a）中次声波段的放大。图 5拟合的线性关系为： f2=0.99992f1-0.03432 （5） 说明 f1与 f2几乎是 1:1 的线性关系，测量结果有着极高的准确度。从图 5（b） 可看出该设备能够测量次声低频 4~20 Hz，这是一般声波传感器较难达到的。 4.3 频率响应范围的确定 由音箱播放音乐《kiss goodbye》，经声波传感器检测后输入电脑录制，得到 的音频文件波形与原歌曲音频文件波形对比如下（其中横轴为时间，纵轴为振 幅）： 图 6 原始波形。 图 7 检测波形。 Fig. 6 Original waveform. Fig. 7 The detected waveform. 对这两波形进行频谱分析如下： 图8 原始频谱与检测频谱对比。 Fig. 8 Comparison between original spectrum and the detected spectrum. 其中，横轴为频率，纵轴为能量。绿色图线为原始波形频谱，红色图线为检 测波形频谱。原始频谱频域很宽，上限达到 16000 Hz；检测频谱在 5000 Hz 前 的响应都很好，超过 5000 Hz 后能量逐渐减少，最后响应完全消失。这可能是由 于传感器响应达到了上限，亦有可能是由于音箱自身对高频波段的响应局限所 致。故从图 8可以保守认为此声波传感器的频率响应上限为 5000 Hz，结合 4.2 中的频率检测下限 4 Hz 的结果，最终可以确定此声波传感器的频率响应范围是 4~5000 Hz。 4.4 动态响应范围的确定 以频率 74.8 Hz 为例，测量输出电压峰谷差值 ΔU 与声压级 LP的关系如下图 所示，其中 LP是用定标分贝计测得的声压级数据。 50 60 70 80 90 100 110 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 lg (ΔU 2 ) SPL LP/dBA f=74.8 Hz 图 9 频率 74.8 Hz 下的 LP与 lg（ΔU2）关系曲线。 Fig. 9 Relationship between LP and lg（ΔU2）in 74.8 Hz frequency. 从上图可以看出，在 50~100 dBA 范围内，LP 与 lg（ΔU2）近似线性，在 100 dBA 之后，波形开始失真，ΔU 也随之骤减。故在 50~100 dBA 这段区域里，只 要测出某时刻的 ΔU，即可通过线性关系求出此时刻的声压级。这段区域称为线 性响应范围或动态响应范围。 由于实验室环境的基底噪声达 45 dBA，故测量时只能从此声压级开始。此 时已经处于动态响应范围内，因此在现有条件下无法求出动态响应范围下限。在 实验中只能确定动态响应范围上限为 100 dBA。 4.5 声压级的测量 测量不同频率下动态响应范围内的声压级 LP 与输出电压峰谷差值 ΔU 的关 系，通过 LP与 lg（ΔU2）的拟合得到了图 10。 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 40 50 60 70 80 90 100 f=55.5 Hz f=65.4 Hz f=74.8 Hz f=95.6 Hz f=120.1 Hz f=150.4 Hz SP L L P /d B A lg(ΔU2) 图 10 不同频率下的 LP与 lg（ΔU2）关系曲线。 Fig. 10 Relationship between LP and lg（ΔU2）in different frequencies. 可以看到，与 4.4 节结论一致，都符合线性关系。由上图观察到各条拟合直 线的斜率比较接近，从上述各条直线的拟合结果计算出斜率 K，得到相应曲线频 率 f 与 K 的拟合图线如图 11 所示。 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 120 140 Sl op e K frequency f/Hz K=21.00551-0.00264×f 图 11 K 与 f 关系曲线。 Fig. 11 Relationship between K and f. 拟合得到关系： K=21.00551-0.00264×f （6） 可以看出 K 值与频率 f 几乎无关，在误差允许的范围内保持不变，即 K=21（可 作为常数），因此得出 LP与 lg（ΔU2）的关系为： LP=a+K·lg(ΔU2) （7） 声压级的理论公式为： )lg(20 ref P P PL = （8） 可见，实验得到的斜率 K 与理论值 20 非常接近。 在我们的实验条件中， 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 a值随频率 f 变化大、无规律，不能确定。 5 结语 经过对该声波传感器的测试，我们得到以下结果：频率响应范围 4~5000Hz， 涵盖次声波段；在频率响应范围内，可以精确测量声波的频率；动态响应范围上 限为 100 dBA；在动态响应范围内，通过定标，可以把检测到的 U 换算成声压 级，从而达到测量声压级的目的。 Δ 在响应范围内，该声波传感器对频率与声压级的检测都有着较好的效果，但 是频率响应范围相对狭窄、偏向于低频波段，是目前该设备的最大不足，这主要 是由于探头的固有频率偏低造成的。今后可以通过尝试为探头更换其他材料或改 变材料厚度等方法，以提高探头的共振频率，从而拓宽频率响应范围。其次，通 过增加探头上光纤匝数也可以起到辅助扩大频率响应范围的作用。另外，高的灵 敏度也意味着检测过程中环境噪声的干扰严重，今后可以在对检测信号进行降噪 处理，使待检测的声音信号更为清晰可辨。 相位调制型光纤声波传感器实用化后，应用前景将十分广泛。由于灵敏度高， 可以用于高精密测量的相关领域；另外，还具有在某些恶劣环境下工作的特点， 例如：探测化学或电磁场环境中的声场，由于光纤材料绝缘，能抗电磁场干扰； 能在有毒害或腐蚀的化学环境中正常工作等[16]。 参考文献 References [1] 恽新星，褚新惠，官洪运. 基于光线传感的火灾检测技术.仪表技术与传感器.仪表技术 与传感器，Instrument Technique and Sensor，2005，9. 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