飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

用于迷你无人飞行器探测的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器研制

针对迷你无人飞行器(mini-UAV)探测难度大的问题,仿真设计并制作了谐振频率接近mini-UAV噪声特征频率的硅基微机电系统(MEMS)轮形振膜,结合精密机械加工制作了光纤法布里-珀罗干涉式声传感器。测试结果表明,该光纤声传感器的谐振频率为7.279 kHz,与仿真结果基本一致,其在频率为7 kHz声波正入射的条件下的灵敏度为1.8 V/Pa,信噪比为71 dB,最小可探测声压为99μPa/Hz^0.5。值得强调的是,该声传感器对声波的响应呈现“8”字形的方向依赖性,表明其具有识别声源方向的能力。进一步在户外测试了该光纤声传感器对mini-UAV的探测能力,结果表明,声传感器能够在65 m的范围内探测到mini-UAV噪声,其探测距离是商用驻极体声传感器的3倍左右。所研制的硅基MEMS轮形振膜光纤声传感器为解决实践中mini-UAV探测难的问题提供了一种简单有效的工具。     

基于银膜的自准直光纤法布里-珀罗腔设计及声源定位研究

提出一种基于银膜的自准直外腔式光纤法布里-珀罗(EFPI)干涉仪声传感器阵列,用于中低频声信号的检测以及二维平面声源定位。传感器阵列由三个相同结构的EFPI组成,结构简单、制作简便。银膜的应用和准直器的引入提高了传感器的声压灵敏度,扩大了声源定位范围。实验结果表明：单个传感器声压灵敏度为185 mV/Pa,最小可探测声压为52.7μPa/Hz^1/2@500 Hz。在声源指向性实验中,声源设置在传感器正前方时,其声压灵敏度达到185 mV/Pa,声源设置在传感器侧面(90°,270°)时,其声压灵敏度衰减仅为4.5%。传感器阵列结合到达时间差技术,成功实现高精度的声源定位,系统的理论空间分辨率为0.71 cm,最大定位误差不超过2.8 cm,定位范围为200 cm×200 cm,具有成本低、实用性高等优点。     

聚合物边孔封装无源光纤光栅水听器

报道了一种聚合物边孔封装的无源光纤光栅水听器的研究结果.采用边孔封装结构对裸光纤光栅进行了增敏封装,其静态压力灵敏度提高了17120倍,为光纤光栅的水声探测奠定了物理基础;利用可调谐窄带光源的线宽窄和其波长可调谐的特点,采用带工作点控制的强度调制方案进行信号解调,不仅实现了高精度的动态信号检测,并解决了温度变化对系统影响的问题.实验测量结果表明,所设计的光纤光栅水听器在500Hz频率处的声压灵敏度为-153.3 dB(0 dB=1 pm/μPa),且具有非常好的各向同性指向性,其最小可测声压为61 dB(0 dB=1 μPa/√Hz).     

干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

Michelson干涉仪式光纤空气声传感器

介绍了一种用于直升机等低空目标探测的光纤空气声传感器.该传感器基于光纤Michelson干涉仪的原理,结合弹性盘片的应力应变理论分析和光纤粘接的工艺设计,采用相位载波解调技术进行信号解调.对比实验测试验证了这种声音探测技术可行性.传感器理论灵敏度为2.38 rad/Pa,实测灵敏度为1.5 rad/Pa,采用PGC相位解调理论最小可探测的最小声信号为6.7 μPa,即9.5 dB.传感器在20～300 Hz范围内响应基本平坦.结合声音传播规律分析并肯定其在实用中的可行性.     

Michelson干涉仪式光纤空气声传感器

介绍了一种用于直升机等低空目标探测的光纤空气声传感器.该传感器基于光纤Michelson干涉仪的原理,结合弹性盘片的应力应变理论分析和光纤粘接的工艺设计,采用相位载波解调技术进行信号解调.对比实验测试验证了这种声音探测技术可行性.传感器理论灵敏度为2.38 rad/Pa,实测灵敏度为1.5 rad/Pa,采用PGC相位解调理论最小可探测的最小声信号为6.7 μPa,即9.5 dB.传感器在20～300 Hz范围内响应基本平坦.结合声音传播规律分析并肯定其在实用中的可行性.     

一种基于大角度倾斜光纤光栅包层模的低频声传感方案

利用倾斜光纤光栅在发生弯曲时其存在的多种纤芯-包层模式耦合方式容易发生改变,进而使其光谱特征发生明显变化的特点,提出并验证了一种基于大角度倾斜光纤光栅包层模的低频声传感方案.将倾斜光纤光栅与设计的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)换能膜片及腔体结构相结合,得到了一种有效的低频声传感系统.该换能膜片在被测声波信号作用下产生振动,使固定在膜片表面的倾斜光纤光栅发生周期性动态弯曲,引起倾斜光纤光栅的包层模式光谱发生周期性漂移,最后采用边缘滤波法进行解调,实现低频被测声波的有效探测.实验结果显示,该传感方案可以在45—220 Hz范围内实现高灵敏度声波探测,在传感系统固有频率附近54 Hz处获得最大声灵敏度115.88 m V/Pa,且最小探测声压为539.2μPa/Hz^1/2.该传感方案具有灵敏度高、重复性好、结构简单、容易加工等优势,在低频声探测等相关应用领域具有较大的发展前景.     

基于光频调节的干涉型光纤水听器相位补偿检测方法

提出了一种基于光源频率调节的干涉型光纤水听器主动相位补偿的信号检测方法。详细介绍了该方法的基本检测原理,对信号解调误差进行了理论分析与仿真。为了验证该方法的可行性,搭建了实验系统,并编写了实时的信号采集、处理程序,对某一干涉型光纤水听器的声压灵敏度进行了测试。在频带20 Hz-1.3 kHz上,平均声压灵敏度为-162.2 dB(0 dB=1 rad/μPa),波动小于±0.8 dB,与采用相位载波调制解调方法测量的结果基本吻合。实验结果证明该方法是有效的。由于传感部分不含有源器件,便于实现全光纤化,且解调算法简单、检测频带宽,该方法能被广泛应用到各种干涉型光纤传感器的信号检测当中。     

基于石墨烯的光纤湿度传感研究EI北大核心CSCD

将还原氧化石墨烯（r GO）沉积在侧边抛磨光纤（SPF）上制作了一种新型的光纤湿度传感器。在高湿度区域[相对温度（RH）为70%～95%],传感器的光功率变化达到6.9 dB,尤其在RH为75%～95%区域,传感器对湿度变化能实现相关系数为98.2%的线性响应,灵敏度可达0.31 dB/（%RH）,响应速度快于0.13（%RH）/s,并且具有很好的可重复性。对传感机理的理论分析可以解释实验结果,并且表明这种基于石墨烯的光纤传感器亦可广泛应用于其他种类化学气体的探测。这种全新机理的光学传感器是对石墨烯电化学传感器的一种很好的补充,并将促进石墨烯在化学传感技术中的应用。     

纳米膜修饰长周期光纤光栅生物传感特性研究

针对长周期光纤光栅用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了抗原生物分子的低浓度测量。实验结果表明,经薄膜修饰后的光栅传感器,对低浓度的抗原溶液探测的灵敏度有了显著提高。当羊抗兔IgG浓度(质量浓度)为固定值0.01mg·mL~(-1)时,随着兔IgG浓度的增加,覆膜长周期光纤光栅峰值损耗响应明显。实验测得周期为445,460,500μm的生物传感器对应的浓度灵敏度分别为2101.5,1306.5,575.9dB·mg~(-1)·mL。待测抗原浓度仅与光栅峰值损耗有关,实验测得兔IgG最小浓度为0.0003125mg·mL~(-1)。该传感器灵敏度高、无需标记、稳定性强,且结构简单不易受电磁干扰,在生物传感领域拥有广阔的应用前景。     

一种有源型光纤水听器原理与实验分析

分析了一种有源型光纤水听器的水声传感原理,在一段掺铒光纤中写入具有π相移的光纤光栅构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息.水声探测实验表明,有源型光纤水听器的声压灵敏度为-166.5 dB(参考值1 rad/μPa).将不同工作波长的四元光纤水听器串接于一根光纤内组成水听器阵列,使用带通波分复用器将阵列发出的激光分离至各独立通道后检测出相应的声压信号,测得水听器之间的级串扰小于-60 dB,且单元水听器水声响应的动态范围不受影响.     

夹层式光纤激光水听器探头优化设计

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能,利用有限元软件ANSYS,以相对加速度灵敏度为目标函数,结构尺寸参数为设计变量,结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量,对夹层式封装结构进行了优化设计,对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明,基于优化结果设计的探头在采用100m非平衡干涉仪时,其声压灵敏度约为-135.1dB,相对加速度灵敏度可达到-19.6dB。结果表明,基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理,对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后,通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置,封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。     

用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz~1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。     

全光光纤水听器系统海上试验

阐述了光纤水听器拾取声压信号的基本原理。研制的光纤水听器探头尺寸为Φ22 mm×100 mm,相位灵敏度为-160 dB(参考值1 rad/μPa),波动小于3 dB,系统最小可测声压在1 kHz频点为43.5 dB,与零级海洋噪声水平相当。光纤水听器与标准水听器采集的宽带信号相关系数大于0.94,信号基本一致。23基元1 km传输全光湿端光纤水听器阵列于2002年8月在渤海进行了海上试验,相邻基元采集的气枪信号相关系数大于0.98,阵列具有良好波束指向性。光纤水听器关键技术的成熟为其走向应用奠定了良好基础。     

含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器

报道了一种含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器.基于电-声类比理论建立了该光纤水听器的低频集中参量模型,画出了声学等效电路图,利用电路分析方法给出了声压传递函数表达式,并对其声学特性进行了理论分析.研究表明,该光纤水听器具有三个共振频率,由于侧腔的引入使得传递函数出现了一个零点,从而加快了第二个共振频率之后的衰减速度,可以获得更好的高频整体衰减特性.在充水驻波罐中对自行设计并制作的含侧腔的声低通滤波光纤水听器进行了测试.在50—7000 Hz频段上,该光纤水听器的声压灵敏度频响曲线与理论结果具有大致相同的变化形式,低频响应非常符合,声压灵敏度约为-140 dB（0 dB=1 rad/μPa）,受低频模型精度的限制,高频响应差异较大.这为解决光纤水听器的高频混叠问题提供了一条简单可行的技术途径. 关键词： 光纤传感器 光纤水听器 声压灵敏度 低通滤波器     

干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案

信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140 dB(0 dB=1 rad/μPa),高频衰减大于20 dB,对高频干扰有较强的抑制能力。该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。     

带加速度补偿的DFB光纤激光水听器

针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题,设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器,对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型,分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系,实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品,并进行了实验研究.测量结果表明,在2.5~10kHz的频率范围内,该结构水听器的平均声压灵敏度为-132.6dB,波动幅度不大于±0.5dB,加速度灵敏度小于-28dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时,抗加速度性能也得了有效改善,可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.     

分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵实验研究

为了进一步增大光纤拖曳阵的探测距离,研制了缆径为16mm的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵.阵元在10~2 000Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.7dB(re 1rad/μPa),波动幅度小于±2dB.基于声光调制器的时分、波分联合复用技术实现了32元光纤激光水听器的多路复用,各个阵元之间以及各个通道之间的串扰均小于-40dB,并完成了静态和动态拖曳湖上实验.实验结果表明,研制的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵无论是在静态,还是在6~16节的动态拖曳状态,都能对目标形成稳定的波束指向,与GPS轨迹记录完全一致,展现了分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵在工程上的应用前景.     

基于表面石墨烯修饰的锥形多模光纤温度传感器

提出了一种基于表面石墨烯修饰的锥形多模光纤温度传感器。它由两段普通单模光纤(SMF)之间熔接一段锥形多模光纤(TMMF)构成,并通过液相转移法转移石墨烯薄膜至锥形多模光纤表面。石墨烯与锥形光纤光场相互作用,当外界温度发生改变,表面石墨烯修饰的锥形多模光纤所形成的复合波导的有效折射率随之变化,最终导致其光传输损耗发生变化,实现温度传感。实验结果表明:石墨烯可以有效提升锥形多模光纤的温度传感能力。在20～90℃温度范围内,束腰直径为9.95μm的表面石墨烯修饰的锥形多模光纤(SG-TMMF)最高能达到0.1589 dB/℃的损耗灵敏度,线性度为0.984,同时,传感器还具有较好的可逆性。该传感器制作简单,灵敏度高,在科学研究和工农业生产的温度测量场合具有较好的应用前景。