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、結構靈活的傳感結構。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的光纖傳感器的關鍵元件，因此產生了各種光纖耦合技術，如光纖錐、多模光纖和錯位熔接。單模-多模-單模光纖結構是應用最廣泛的一種兼具強模式耦合機制和高環境參數感知的光纖馬赫-曾德爾干涉儀。目前已經研制了多種SMS光纖結構，如直接熔接、錯位熔接、錐形熔接、與光纖布拉格光柵級聯等。SMS光纖結構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光纖結構的超聲傳感器。通過在SMF和MMF連接處熔接兩個Bitaper，該傳感器結構堅固，有效利用SMS光纖結構的高靈敏度和高耐受性，實現了多方向的超聲探測。

測試設備：ATA-2021B高壓放大器、信號發生器、PZT、數字示波器、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處上側收縮，下側拉伸；當超聲從E作用傳感器時，①處和②處上側拉伸，下側收縮；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。圖2(b)為該傳感器結構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。當傳感器結構接收超聲信號時，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如圖3所示，系統主要包括超聲產生和超聲檢測兩部分。超聲波產生系統由信號發生器、高壓放大器和PZT組成。PZT由峰值電壓為20V的信號發生器和最高電壓為200Vp-p的高壓放大器(ATA-2021B)驅動，提供正弦脈沖超聲波。超聲波檢測系統由可調諧激光器、傳感器、光電探測器和數字示波器組成。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。利用邊帶濾波解調技術，將譜移轉換為光強變化，并通過光電探測器轉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置在干涉光譜的3dB處。

圖3：光纖超聲檢測系統原理圖

實驗結果：

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周期性重復的次數。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，與超聲信號發射頻率吻合較好。

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審核編輯 黃宇