就算在火焰山,这种光纤声学传感器都没在怕的

封面文章| 饶俏萌;高然;张琦;忻向军;.抗温度干扰光纤声学传感器[J]. 光学学报, 2020, 40(13):1306002.

光纤声学传感器具有重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等诸多优点,在噪声探测、声学通信、声源定位方面具有重要作用。目前光纤声学传感器多采用干涉或光栅原理。然而无论是干涉光纤声学传感器还是光栅光纤声学传感器,严重的温度交叉干扰都是制约其应用发展的主要问题。本文提出了一种基于π/2正交相位板的光纤声学传感器,希望解决在实际应用中严重的温度干扰问题。

北京理工大学前沿交叉科学研究院高然副教授针对光纤声学传感器中出现的温度干扰问题,提出了一种基于π/2正交相位板的光纤声学传感器。通过超短腔长正交相位板大幅度降低环境温度变化对光纤声学传感器的干扰,为光纤声学传感器的实际应用提供了一种新型方法。

该研究提出的光纤声学传感器如图1所示。光纤中的导光光束经过自聚焦光纤准直器后形成平行光束。平行光束的中心和外围部分分别被振动膜和振动膜周围的固定边缘部分反射。由于振动膜和振动膜边缘之间存在一个π/2相位台阶,反射光束的中心和外围部分形成微型双波束干涉仪。光纤声学传感器可以通过探测干涉强度进行声波探测。


图1 光纤声学传感器整体示意图。(a)传感器结构图;(b)传感器实物照片.

基于π/2正交相位板光纤声学传感器声压探测灵敏度可达168mV•Pa-1,其最小可测声压是68μPa•Hz-1/2。这表明光纤声学传感器具有较高的灵敏度,如图2(a)所示。同时课题组还对光纤声学传感器的频率响应特性进行测试,如图2(b)所示。实验表明在100Hz到10kHz的声频率范围内光纤声学传感器的响应灵敏度几乎是平坦的。这说明光纤声学传感器具有较宽的频率响应范围。


图2(a)光纤声学传感器声压探测灵敏度;(b)频率响应.

基于π/2正交相位板的低温度干扰光纤声学传感器一个优点就是低温度交叉干扰。对于传统的基于干涉仪的光纤声学传感器来说,周围温度引入的光程差会导致较大的工作点变化,从而传感器的灵敏度和稳定度也相应显著降低。根据线性热膨胀原理,初始长度越长,受温度影响越大。相比于光程差很大的传统光纤干涉声传感器,本文提出的光纤声学传感器中正交π/2相位台阶的高度只有200nm,发生干涉的两束光具有超小的光程差,由此其温度干扰也就显著的降低。图3展示了不同温度下的传感器输出电压。输出电压在不同温度下几乎保持恒定不变,其标准变化量只有2.4%。因此,本文提出的波前调制光纤声学传感器具有较低的温度交叉干扰。


图3光纤声学传感器温度响应.

未来研究工作的重点是将光纤声学传感器应用于实际噪声探测中,包括对大型设备噪声检测,对管道气体泄漏噪声检测,对汽车发动机运行状态噪声检测等。与此同时,该课题组也将积极拓展光纤声学传感器的应用范围,利用传感器抗温度干扰的稳定特性,通过多个光纤声学传感器组成声定位系统,对声源目标进行探测和定位。

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[2] 谭展;廖常锐;刘申;侯茂祥;等. 基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器[J]. 光学学报, 2018, 38(12): 1206007.

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