光纤声传感器姓名：方宜兵
班级：硕研27班
学号：
摘要：
光纤传感器的一个研究热点是利用其对声场进行测量,典型应用即光纤声传感器。光纤声传感器是复杂的光—机—电一体化的传感器,它具有灵敏度高,动态范围大,检测频带宽,抗电磁干扰能力强等优点。随着科学技术的不断进步,光纤声传感器已经成为当前水声研究领域最具有代表性的技术之一而倍受业界的关注,在国防和国民经济等领域扮演着重要角色。
关键词：反射式强度调制光学耦合光纤麦克风光纤空气声传感器 MEMS光纤声传感器
1、引言
光纤声传感器具有灵敏度高、隐蔽性好、抗电磁干扰以及结构元件无金属化等优点，在工业、军事、医疗等领域都具有广泛的应用。光纤传感器是继光纤通讯获得成功之后,迅速发展起来的一种新型传感器,与其他传感器相比,除了具有先天抗电磁干扰能力强、体积小、设计简单、灵敏度高、光纤本身低损耗和耐腐蚀、耐高温、高压、安全可靠等优点外,它在温度、位移、压力、速度等物理量的测量中具有独特的性能.例如在NMR检测中的病人,若要和医生联系时,除光纤声传感器外,其他任一款式传声器都不能胜任.光纤传声器的研究,国外始于70年代[1],之后许多研究工作主要集中于工程应用.目前,光纤传声器仍难以在工业过程中广泛应用,究其原因是造价太高,测量手段与装置较复杂[2～8].实用化光纤声传感器在设计、加工工艺、使用方面的难易程度与性能/价格比只有与机电型传感器相当时才能获得广泛应用.国内从上世纪80年代才开始进行光纤声传感器的研究[9～12].由于条件的限制,研究水平与国外相比还有一定的差距.
声一光传感的概念最早就在1880年由 A.oBell在其专利`photophone'中提出[13],而荷兰人vonOhain于1935年制作了基于干涉原理的第一个实用光纤传声器[14],随后基于其他原理的光声传感器便相继面世。与基于传统声电直接换能原理的传统声电传声器不同,光纤传声器是一种通过声一光换能方式,利用声/振动信号调制光信号实现声检测的新手段。采用基于光信号检测和传送的光纤传声器具有内享的电磁免疫能力和长距离传输能力,而且通过时分、波分复用方式组成声学阵列、分布式声传感系统,具有巨大的技术优势。具体与普通传声器相比,光纤声传感器具有以下一些优势:
(1)探测端无源,不需要集成放大、滤波电路,体积小、功耗低；
(2)入射光信号被声信号调制后直接通过光纤传输到后端,光信号的拾取和传输不受电磁场干扰,具有很好的电磁免疫能力。适用于强电磁场、低温、潮湿的恶劣复杂环境；
(3)光纤的传输损耗低,保密性好,适合长距离信号传输；
(4)可通过时分、波分复用方式灵活组成多个声学阵列及分布式声传感系统。
虽然其目前造价高,测量手段与装置较复杂,真正实用的器件不多。但由于具有先天良好的电磁免疫和环境适应性能,以及微型化、易集成等诸多优点,光纤声传感器受到各方的广泛关注,目前在一些特殊环境应用中的声/振动信号探测和识别方面有着非常重要的应用前景。
2、反射式强度调制型光纤声传感器
基于反射式强度调制原理的光纤声传感器，由于其结构简单，因而更具有成本低、可靠性高的优势。反射式强度调制型光纤声传感器的基本原理是由膜片敏感声音信号并发生振动，对接收光强度进行调制，通过检测接收光强度的变化还原待测声音信号。目前，针对该类型的光纤微位移传感器以及光纤振动传感器的研究已有广泛的报道。研究表明，为了获得最佳的探测灵敏度，光纤声传感器必须工作在最佳工作距离，并且最佳工作距离是唯一的。当工作距离偏离最佳工作点时，传感器的探测灵敏度会有很大的降低，因此最佳工作距离的准确判断与定位技术对该类传感器的性能有非常重要的研究价值。
反射式强度调制型光纤声压传感器虽然原理和结构都比较简单，但是为了达到高灵敏度、微型化的设计要求，需要对其进行优化设计，主要涉及以下关键技术[15]：
(1)高灵敏振动薄膜的设计；
(2)光纤对光耦合方案设计；
(3)光发射机及接收机的设计；
(4)微弱信号检测及处理。
光纤传感探头是光纤声传感器设计的关键.光纤传感探头由探测器和传感器2部分组成,即由入射光纤和出射光纤2部分组成.一般反射式光纤传感探头有光纤束、单光纤和双光纤型.形成这诸多形式的一个重要原因是为了寻求强度型光纤传感器的光路补偿,以减少测量误差,但是考虑到光纤束型不便于信号的远距离传输,双光纤型实验操作起来难于实现两光纤完全对称性,所以我们采用Y形单根多模反射式光纤传感探头结构,既增加接收光通量,又易于实现实验操作.
在双光纤理论基础上,给出光纤声传感器的基本结构如图1所示,LED发出的光由耦合器传送到多模光纤,再投射到探头部分的弹性膜片上,经弹性膜片反射后部分被重新耦合入多模光纤,再经耦合器和接收光纤输出,由PIN管接收.外界声压使弹性膜片受迫振动,从而对反射回多模光纤中的光进行调制.最后经过信号处理,再输入扬声器,就可以听到声音.
图1 光纤声传感器结构示意图
3、光学耦合原理
在自由空间光纤元器件中，单模和多模光纤的尾纤常用来制作光纤准直器，这是由于两个光纤准直器之间有一个较大的可允许的距离并且有很低的损耗。
一般来讲，对于多模光纤准直器的耦合损耗可以通过计算两个准直器的输出光束重叠面积来实现。而对于单模光纤准直器，应使用近似高斯场的方法计算耦合损耗。单模光纤准直器之间轴向距离、纵向距离、角度以及光斑尺寸的失配均会导致耦合效率的变化。
固定MEMS 弹性膜片，当压力作用于膜片时，膜片将产生挠度，则单模光纤准直器尾部与膜片之间的位置也将随之改变。这种改变将直接导致SMF准直器发生耦合损耗。当入射光强保持恒定时，通过检测接收光纤的耦合变化就可以得到作用于膜片表面的压力及膜片的位移量，原理如图 2 所示。
2
4、光纤麦克风
光纤麦克风主要应用于传统的电声麦克风无法使用的环境和受到电磁干扰的环境，以及需要防止被窃听的场合。因此光纤麦克风在机场、水下、医疗及军事上都受到了重视和广泛的应用。
目前，光纤麦克风中应用最广泛，原理最简单的当推RIM-FOS 反射式强度型光纤声传感器，其中形式最简单的便是一入一出型的光纤对式传感器。这种光纤声传感器的工作原理：光源发出的光通过光纤传输经透镜聚焦后投射到反射膜上，反射膜把光反射回透镜，再经过透镜耦合到接收光纤，由声强的扰动引起反射膜的振动，从而影响耦合到接收光纤中的光强度，这个过程就是声强对光载体进行的强度调制，接收光纤接收到的经过调制的光传输到光电探测器，由光电探测器转换成包含了待测物理量信息的电信号，再经过对电信号的处理就可分离出所要测量声强了。
目前以色列的Phone-Or 公司有正式的光纤声压传感器产品EverBeam 问式。EverBeam 麦克风的工作方式是将LED 发出的光线照射在超薄的硅质隔膜上。当声波传递到隔膜上时，会使其产生振动，进而改变反射光的强度。然后，光电探测器捕获到光线并将其转换成一个音频信号，后者
接下来便传送给了收听者。因为隔膜在两端都是开放的，所以它在捕捉通话者的声音时，效果要好于传统的电容式麦克风，并且更不易受背景噪音干扰，它所捕捉到的噪音被实时地屏蔽掉了。
5、Michelson干涉仪式光纤空气声传感器
基本原理和系统构成：如图3,光纤空气声传感器的工作原理是声源发出的声波在空气中传播到传感器处.空气声压作用在光纤空气声传感器的弹性敏感元件上,在声压作用下的弹性元件发生变形挠曲,进而在表面形成相应的应力应变.作为Michelson干涉仪干涉臂的两个光纤盘分别粘贴在弹性盘片上、下表面的相应区域上,光纤盘受到等幅反向的应力作用而形成推挽结构,在增大灵敏度的同时消除环境影响.由同一个经过被调制的光源发出的光分别经过两个干涉臂,干涉臂的长度和折射率的变化使每个干涉臂内的光的相位发生变化,即干涉光强度发生变化,通过相位产生载波[16](Phase Generated Carrier,PGC)解调系统反推出空气声信号的大小和频率,从而实现远距离探测预警的目的.
图3边固支型光纤空气声传感器系统工作示意
Fig.3Scheme of the edge fixed fiber optic sound sensor 本文中,传感器采取Michelson干涉仪方式,即在光纤圈末端连接了法拉第旋转镜的方法,一方面倍增了灵敏度,一方面消除了偏振态衰落现象[17].
图4是光纤空气声声传感器的结构示意.图中a代表圆形弹性盘片的半径,c、d分别代表粘贴在弹性盘上的光纤盘的内、外半径,t为弹性盘片厚度.其中,光纤为单模光纤;弹性盘片的材料为铍青铜弹性合金,弹性盘片采用周边固支的方式且所有光纤固定在外壳上。
图4 周边固支型空气声传感器
Fig.4 Structure of an edge fixed type fiber optic sound sensor
6、干涉型光纤传感器
该传感器具有高精度、高响应度和不受电磁干扰等优点,因此受到关注。但是,常见的Mazh-Zehnder(M-Z)干涉仪[18,19]、Michelson干涉仪[20],由于它们的干涉项是两束干涉光相位差的余弦函数,这就限制了线性输出范围,即使工作在正交状态,其线性范围也仅限于±π/6内[21]。如果能把输出相位的信号限定在干涉仪的线性范围内,那么就可以不采用复杂的电路进行信号处理及相位补偿技术,从而简化了传感器的系统。本文基于微分干涉仪的相
位压缩原理,建立了光纤声传感器系统,对其进行了理论分析,建立了系统的数学模型,推导并分析了系统的输出信号,实验结果与理论分析相符合,具有线性范围广、信号处理电路简单、不需要高相干光源、成本低廉和对缓变的环境因素不敏感等优点。
相位压缩原理是指干涉仪测量的是干涉光束相位差的变化量,而不是传统干涉仪的相位差[22,23],其基本思想是:让干涉仪两臂中的光在不同时刻都通过相位调制器,得到某一固定时间间隔相位差的变化量,然后通过积分得到相位差信号。这样,即使调制信号引起的相位差很大,相位差的变化也仍然很小,从而扩大了干涉仪的线性范围。
基于相位压缩原理的光纤干涉仪称为微分光纤干涉仪,其原理性结构如图5所示。
图5 微分光纤干涉仪原理图
Fig.5 Principle diagram of differentiating optical fiber interferometer 激光器发出的光经过光纤耦合器C1分成相等的两束光,一束光经光纤延迟线延时τ=nL/c(n为光纤折射率,L为延迟光纤长度,c为真空中的光速)和信号相位调制器Υs(t)调相后得到x1(t),另一束光经π/2和Υs(t)调相后得到x2(t),再经延迟时间τ后为x2(t-τ),两束光在光纤耦合器C2中干涉。由于调制信号随时间连续变化,使得这两个调制相位间存在着微小的差值ΔΥs(t)。在τ趋近于零时,ΔΥs(t)正比于t时刻调制相位的微分值[24,25],即
尽管输入的调制信号超过了几～几×102个干涉条纹,但是它的相位差的变化量都很小,仍能保证干涉仪工作在线性范围内,克服了调制相位增大时系统出现的非线性现象,实现了相位压缩的目的。
实验基于微分干涉仪原理,采用如图6所示的具体结构。利用压电陶瓷圆柱筒(PZT)在电压的作用下产生电致伸缩,偏振控制器(polarization control-ler)可以调节干涉仪2路光的相角,使其工
作在正交状态,光纤耦合器C1和C2间为非平衡的M-Z 干涉仪,采用的是低相干光源,光源的相干长度远小于两臂间的光程差,干涉路径为A-法拉第旋转镜(FRM)-B(路径1)和B-FRM-A(路径2),2条路径的光程相等,由于采用了低相干光源,其它路径不发生干涉。光纤延迟线可产生延迟时间,可见该结构与图1的原理等效,可实现相位压缩。本结构还以FRM 替代了传统的反射镜,FRM 不但能起到反射镜的作用,而且可以抑制因光纤双折射效应引起的偏振诱导信号衰弱问题[26]。两束光所经的路径相同,因而可以互相抵消温度、弯曲等外界缓变因素的干扰。
图6 基于微分光纤干涉仪的实验装置图
Fig.6 Experimental equipment based on differentiating interferometer
假设声源在A 臂,可以推导出干涉信号的表达式。设声音信号频率为fa,角频率为ωa 。ωa 的声信号作用在光纤上产生的相位变化为φasin ωat,其中φa 为相位变化的峰值。当光经由路径1与路径2传播时,都会被声信号调制,受信号调制的光纤的长度远小于整个光纤的长度,所以可近似认为信号对某点的光纤调制,所得到的光输出表示式分别为
其中:E 10和E 20分别为两路光的振幅;φ1和φ2分别为两路光的起始相位;τ1和τ2分别为路径1
和路径2的光经过声源的时间。
令E=E 1+E 2,则干涉仪输出的光强度为I=E ·E*,图2使用的是3 dB 耦合器,故可认为E 10=
E 20,取出干涉项为
从图2可以看出,2条路径的光经过耦合器的次数相同,故φ1-φ2=0,所以式(4)改写为
从图2可以注意到τ1+τ2=nL/c 、τ2-τ1=nL 12/c,其中L 为整个光纤环的长度,L 12为声源分别从
顺时针和逆时针方向到耦合器的光纤长度差。令τT =τ1+τ2、τ12=τ1-τ2,式(5)改写为
2条路径的相位差随时间的变化,通过微分干涉仪的信号解调可以得到 φs (t)。
可以注意到,对一确定的τ12将有1个或多个ωa ,使sin(ωa τ12/2)=0,即φ s (t)=0,因此可以利
用这种频率推得声源的位置。
若使sin(ωa τ12/2)=0,则
从图2可以得出几何关系τ12=n(L-2R)/c,其中R 是声源沿逆时针方向到耦合器的距离,带入式
(8)得
第1个频率点(N=1)为
称其为零点频率,可以利用这个频率推得声源的位置,即
7、MEMS 光纤声传感器
此外，声传感器的发展经历了与MEMS 技术结合,趋向微型化的过程。而随着光纤传感技术开始应用于声波探测,声传感器可以应用于对器件性能和适应能力要求更高的许多特殊环境。MEMS 工艺和光纤传感技术与声传感技术三者结合,演变出了MEMS 光纤声传感器这个新的研究领域。基于MEMS 工艺加工的光纤传声器,结合了光纤传感和MEMS 硅微传声器的优点。虽然其目前造价高,测量手段与装置较复杂,真正实用的器件不多。但由于具有先天良好的电磁免疫和环境适应性能,以及微型化、易集成等诸多优点,受到各方的广泛关注,目前在一些特殊环境,如高压变电、医疗成像、军事战场等应用中的声/振动信号探测和识别方面有着非常重要的应用前景。随着集成光学以及 MEMS 工艺的进一步提高，有理由相信，将振动膜、收发光波导、发射机及接收机集成在同一个硅片是可以实现的，这样可以充分利用成熟的工艺水平提高系统的灵敏度、稳定性，减小系统的体积。因此，光纤声压传感器的单片集成将会是未来研究的热点之一，相信会有越来越多的学者从事这方面的研究。
与光纤传感器相同,根据对光调制的手段不同,MEMS 光纤声传感器又有强度调制、相位调制、偏振调制、波长调制等不同工作原理的光纤传感器。目前MEMS 型的光纤声传感器采用最多的还是传光型。结构中通常有MEMS 工艺加工成的薄膜或其他小质量的敏感元件来感应声波,通过光纤祸合传输调制信号到后端处理。
基于光强调制机制的传声器是最简单也是最常用的,通过MEMS 加工工艺,可对反射膜的尺寸、厚度等几何参数进行设计,从而实现对声信号的带宽、振幅、方向性进行控制,良好的设计和加工可使其性能优于普通麦克风系统。但反射式光纤传声器的灵敏度会受到光源强度稳定性、光纤端面和
反射膜的平行度、端面散射以及偏振态等多种因素的影响。
8、结论
光纤声压传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、光纤本身低损耗、耐腐蚀、安全可靠等特点，因此主要应用于传统的电声压传感器无法使用的环境，例如在受到强电磁干扰的环境，以及需要防止窃听的场合，光纤声压传感器在机场、水下、医疗以及军事上都受到了广泛的重视。因此，光纤声压传感器一直是光纤传感领域的一大研究热点，国内外的学者都在这方面做了很多研究工作。例如1991 年，D.Garthe 在Sensor and Actuators 发表了一篇关于光纤声压传感器的论文A Fiber-Optic Microphone，文中介绍了实现光纤声压传感器的几种方法，其中包括单模光纤声压传感器、多模光纤声压传感器、强度型结构、干涉型结构和集成波导结构，并作了简单的理论分析和比较，但没有给出具体的模型和制作方案。1993 年，上海科技大学的周书铨等人利用光纤的微弯损耗原理研究了微弯形光纤声压传感器的理论模型和实验模型，并进行了测试，但其频率响应特性和动态范围均不理想。之前大多数研究均采用入纤与出纤平行的结构或者采用单纤结构，这两种方式灵敏度等各项性能指标并不是很理想。2005 年，Marco Feldmann 等人发表了Microoptical Distance Sensor with Integrated Microoptics applied to an Optical Microphone，研究了一种采用成一定夹角的双纤结构，并在光纤夹角以及光信号接收和耦合方面进行了大量研究，从理论上分析了其结构的优越性。
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