（物理电子学专业论文）光纤麦克风的理论和实验研究.pdf

中文摘要光纤麦克风的理论和实验研究光纤声传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等突出优点，受到了广泛的重视。本文介绍了一种新型的反射式光纤麦克风的研制，从理论和实验两方面对反射式光纤麦克风进行了深入的研究，并对研制的光纤麦克风进行了测试，主要指标达到了预期的功能。第一章对光纤声传感器和目前的发展状况进行了评述。第二章为光纤声传感器的理论基础，以两种常用的强度反射型光纤麦克风模型作为研究对象，从理论卜分析了它们的调制特性及参数的选择，利用成像原理得出了反射式光纤麦克风的光强度调制函数：根据薄膜振动理论得到了弹性膜片的固有频率和基频。第三章详细介绍了光纤麦克风的设计方案，它由探头、光路、发送机以及接收机等组成。采用y 型光纤耦合器光路结构大大简化了麦克风探头的设计：以降低系统噪声及提高信噪比为目标，设计了分立式及模块化的两种电路结构，既保证了性能，又降低了价格。第四章是对所研制的光纤麦克风的测试。样机实现了麦克风的基本功能，灵敏度高，频响宽，达到了预期的指标。最后一章对全文作了总结，分析了存在的问题及解决的方法，为进一步研究指明了目标。关键词光纤麦克风；反射式强度调制：发送机；接收机；光纤耦合器英文摘要t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf i b e r - o p t i cm i c r o p h o n ef i b e r - o p t i ca c o u s t i cs e n s o r sh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n c e ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t ya n da n t i e m i an o v e lr e f l e c t i v ef i b e r o p t i cm i c r o p h o n ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ef i b e r - o p t i cm i c r o p h o n ei si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y ad e s i g n e df i b e r - o p t i cm i c r o p h o n es y s t e mi sr e a l i z e da n dt e s t e d ：i nc h a p t e rl ，f i b e r o p t i ca c o u s t i cs e n s o r sa n di t sd e v e l o p m e n ta r eb r i e f l yr e v i e w e d a st h et h e o r e t i c a lb a s eo ff i b e r - o p t i ca c o u s t i cs e n s o r s ，t w om o d e l so fr e f l e c t i v ei n t e n s i t y m o d u l a t e df i h e r o p t i cm i c r o p h o n ea r es t u d i e di nc h a p t e r2 t h e i rm o d u l m i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h o i c eo fp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y o p t i c a li n t e n s i t ym o d u l a t i o nf u n c t i o no ft h ef i b e r - o p t i cm i c r o p h o n ei sg i v e nb yu s i n gi m a g i n gp r i n c i p l e a c c o r d i n gt ot h eo s c i l l a t i o nt h e o r yo fm e m b r a n e ，t h ei n h e r e n c ef r e q u e n c ya n db a s i cf r e q u e n c yo f t h ef l e x i b l em e m b r a n ea r eo b t a i n e d 。i nc h a p t e r3 ，d e s i g no ff i b e r - o p t i cm i c r o p h o n ei si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n di ti sc o m p o s e do fp r o b e ，o p t i c a lf i b e ct r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r i i t eu s i n go fyt y p ef i b e r - o p t i cc o u p l e rg r e a t l ys i m p l i f y st h ec o n f i g u r a t i o no ft h es e n s o r sp r o b e i no r d e rt or e d u c et h es y s t e mn o i s ea n de n h a n c et h es i g n a l t o n o i s er a t i o ，t w ot y p e so fc i r c u i tc o n f i g u r a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e d i nc h a p t e r4 ，ad e s i g n e df i b e r o p t i cm i c r o p h o n ei st e s t e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tb a s i cf u n c t i o n so ft h em i c r o p h o n eh a v eb e e nr e a l i z e d h i g hs e n s i t i v i t ya n dg o o df r e q u e n c yr e s p o n s eh a v eb e e na c h i e v e d i n t h el a s tc h a p t e r ，c o n c l u s i o n sa r eg i v e n k e v w o r d sf i b e r o p t i cm i c r o p h o n e ，r e f l e c t i v ei n t e n s i t ym o d u l a t i o n ，t r a n s m i t t e r ，r e c e i v e r ,f i b e r - o p t i cc o u p l e ri i东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：盔丞墨日期：世了，z j东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，r u 。以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。”研究生签名：绉园! 骡导师签名：摊臼期：第一章绪论第一章绪论光纤传感技术是上世纪7 0 年代伴随光纤技术的发展而迅速发展起来的【l 8 】。以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配：光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别适合丁易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境f 使用。传统的卢电犁换能技术规范、工艺成熟、使用方便，但难在某些恶劣的环境f 正常工作。例如，探测化学或电磁场环境中的声场。由光纤构成的声光型换能传感器，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；光纤柔软，能把光路绕曲到“设备”内部进行测量等，具有独特有点。与传统声电型换能器不同，光纤声传感器是通过卢光换能方式，它是利用声振动来调制光信号，从而开辟了声学测量的新手段，能方便地处理某些传统声学测量中难以解决的技术问题，扩大了声学研究的视野和应用领域，受到各国有关方面的青睐。本文研究的光纤声传感器，具有结构简单、容易实现、低成本及高性能等特点。本章的主要内容是介绍有关光纤压力传感器的几个常用类型及补偿技术和本文所研究的光纤声传感器的概况。1 1 光纤压力传感器光纤声传感器是一种能够探测声压的压力传感器，因此本节先介绍l = 前国内外一些典型的光纤压力传感器的结构、特性及发展概况。目前光纤传感器的类型主要有：内调制和外调制两大类型。反射式强度型光纤传感器( r i m f o s ：r e f l e c t i v ei n t e n s i t ym o d u l a t e df i b e ro p t i cs e n s o r ) 属于外调制型，具有原理简单、殴计灵活、价格低廉等特点，并且在对声场的测量中获得成功。对于这类光纤传感器的研究，美国的f r a n kw e 1 】和k i s s i n g e rcd 2 】等人在，i 七十年代申请了专利，此后，c o o kr 0 1 3 等人对该类传感器进行了较为系统的研究，详细讨论了频率响应、动态范围、线性区间、1 一作距离、光纤参数对传感器特性的影响等问题。国内8 0 年代不少学者也开始关注r i m f o s ，并对其进行深入的研究和广泛的应用f 4 8 1 。光纤压力传感器主要有强度型和干涉型两类：强度型光纤压力传感器是利用乐力改变探测光的强度大小，从f 阿感知压力大小及变化；干涉型光纤压力传感器利用压力改变探测光的光程，从而使干涉条纹发生变化。强度犁压力传感器的结构简单、容易探测，所以是本节介绍的重点。1 1 1 反射式y 型光纤压力传感器文献 9 】介绍种反射式y 型光纤乐力传感器。蚓i i 为该传感器的原理劁。传感器土要由反射膜片( 聚酯薄膜) 和y 型光纤组成。y 型光纤的公其端与传感仓的底端相连，膜片装在传感仓的顶部。传感仓由铝材制成，经过阳极氧化处理使之发黑，以减少反射。在分支光纤中，一束光纤与恒定光源相连，另一束光纤传输由膜片反射而进入光电探测器的光。东南大学硕十学位沦文保持输入光强恒定，光的反射量取决于由于加在膜片表面的压力差而引起的膜片变形，接收到的反射光强度正比于膜片的变形量。图11 反射式y 型光纤压力传感器1 】- 2 微弯压力传感器光纤在外力作用下会产生弯曲，其结果使部分光从纤芯耦台入包层，导致光功率损耗。通过测量光功率的变化，即可检测压力的变化。理论研究和实验证明，当光纤沿轴向出现周期性微弯，且空间弯曲频率等于传播模和辐射模之间的传播常数差，即当：0 丌口= k k = =( 1 1 1 )。a时，光功率损耗最大。对于阶跃光纤，_ 风艳，= 竽吾z ，式中d 纤芯半径m 模式数 杠一总模式数a = ( ，2 。，。一f l c 埘) 甩。由式( 1 1 1 ) 、( 11 2 ) 可得，最佳变形的周期为人：m t 、厂五，据此设计变形器的尺寸。文献【l o 介绍了一种微弯压力传感器，图1 2 为其结构原理图。在压力作用下，弹性金属膜片发生形变，压迫光纤并使光纤的弯曲程度加大，使得光纤中的载波光在弯曲处的损耗增加，从而减小探测器接收到的光强，山此可确定外加压力的大小。第一章绪论圈1 2 微弯压力传感器结构原理图为减小高温时的变形及易于加工，传感器的膜片和圆柱筒均采用高强度超级合金钢制作。膜片安装在圆柱筒顶端，圆柱筒被焊接在法兰盘上。光纤通过铡管导八柱筒，部分光纤置于锯齿状变形器之间。整个装置通过配套法兰盘装在压力管内。膜片在压力的作用下产生位移，变形器压迫光纤，使之发生周期性微弯。压力越大，弯曲越大，光损耗就越大。图1 3 为信号处理原理图。为消除由于光纤振动、温度变化，以及光源功率波动引起的测量误差，引入了参考光纤，通过对两路信号之比求对数的电路处理使误差得以消除。但是，由于在3 d b 耦台器中，信号光纤和参考光纤由选择耦合所确定的模式不同，不能完全消除偏差。研究表明，最大偏差发生在低振动频率处，为消除低频振动把光纤引线置于刚性导管内。转磊蔫羹宴动佳感器图1 3 微弯压力传感器信号处理原理图该传感器能测2 28 m p a 的高乐，在4 3 0oc 高湍r 能止常r 作，精度刊稳定度均高于1 ，分辨率为0 1 ，响应时间小丁is ，在5 0 h z 5 k h z 的振动频率p ，振动响应小于0 2 5 。由于它耐高温、耐高压、高强度，可用丁- 油井、煤田、化工反应等压力测量。文献 1 1 ，1 2 】分别介绍了上述传感器在煤炭液化反应中长时问测压试验的大量实验数据和曲线，以及利用微弯原理设计的光纤位移传感器用丁压力测量的情况。文献 1 3 给出了微东南大学硕士学位论文弯压力传感器在室温和高温环境下的试验结果。1 1 _ 3 光弹效应压力传感器光弹物质( p e m ) 在外力作用f 会使通过它的光发生取折射，并在双折射的快慢轴之间出现相位差。文献 1 4 】介绍种基于光弹效应原理，利用新的补偿技术设计的光纤压力传感器。图1 4 、图1 ，5 分别为传惑器及补偿原理框图。压力通过膜片作用到光弹元件上，穿过光弹元件的光受到压力的调制，通过检测光的变化便可测出压力。压力骥光纤图1 4 光弹效应压力传感器结构原理图矧1 5 光弹效应压力传感器补偿原理图利用双光源、双发送、双接收和偏振分光棱镜结构，可有效地减小传感系统的漂移使光功率波动、光纤损耗、光耦合损耗及光纤中的模式功率分布均匀得到很好的补偿。该传感器在1 0 - - + 4 2 。c 的温度范阳内，可测0 1 4 7 k p a 的压力，精度为0 2 ，分辨率为l o p a ，现已成功应用于储油罐压力测量。1 1 d 光纤应变式压力传感器文献 1 5 1 介绍一种光纤应变式压力传感器，其结构原理如图1 6 所示。空心圆柱筒的变形唯一取决于简内的压力。将高双折射保偏光纤制成的敏感元件用环氧树酯固接到桂体的外表面，与内部高压区完全隔离。在压力作用下，圆柱体发生膨胀而产生轴向和径向应变，光纤在轴向应力的作用下使两个垂直本征模之问出现相位差a o ，相对于应变的变化由下式给出：一d a o ：望( a n d l + l d a _ ! n 1 兰2 , r el d a n( 11 3 )d 8deds1d 8式中 光波长a n = n ，一1 7 y 高双折射保偏光纤两个偏振本征态的有效折射率之差e 一体膨胀系数第一章绪论l 有效区长度图16 光纤应变式压力传感器结构原理图1 输入输出光纤2 压力导入口3 应力敏感光纤4 自由膨胀圆柱体5 外层保护壳6 密封元件图17 为其信号处理原理框图。由w g l l a s t o n 棱镜分出的两束光，其强度的筹与和之比与a c d 成正茁关系，即尘量：s i n 。j t + jz，量掩* 圈。趔麴叵卜婴_ 丑。图i7 光纤应变式压力传感器信号处理原理图i r 输入光纤o f 输出光纤s 传感元件p 起偏器 4 一j ，4 波片s b c s o i e j 一 a b u n e t 补偿器d 光电探捌器v m 电压表p c 计算机p l 绘酬仪w p w 0 1 l 扳o n棱镜g 一一透镜( 1 1 4 )显然，椒光路消除了光功率波动的影响。用精确万用表测出s i n 垂交变也压，经计算机处理即可测出压力。这种传感器能测1 0 0 m p a 的高压，精度高于0l 。文献 1 6 1 介纠的压力传感器也是利川j ：述原理，用椭圆芯高保偏光纤设计。文中给出两种结构形式的传感器，并分析它们在各种情况下的性能。1 1 5 内纤维光栅压力传感器文献 1 7 】介绍一种内纤维光栅压力传感器。内纤维光栅是在光纤有效区域内利_ | _ ；j 光刻技术，使光纤的折射率产生周期性变化，从而在光纤内部形成b r a g g 光栅。当光纤受到压力时，b r a g g 波长 。会发生漂移，其变化对波长之比与压力的变化具有| f 列关系：竺生：堂堂：一1 坠卜1 塑 舯( 1l5 ) 。n a1 ac 3 pn 引”东南大学硕士学位论文式中a 光栅的空间周期n 纤芯的有效折射率p 压力原理图如图1 8 所示。从e l e d 发出的光经方向耦合器耦合八传感头。传感头为具有内纤维光栅的单模光纤，它被安装在高压容器的孔内，当传感头受到压力时，受压力调制了的光从压力仓经光纤反射回来。用光学频谱分析仪测量反射光中b r a g g 波长的漂移，便可测出压力。一仓圈18 内纤维光栅压力传感器原理圈该传感器体积小、结构简单。每m p a 所产生的b r a g g 波长漂移达3 0 4 1 0 n l t i ，可测7 0 m p a 的高压。l ，1 6g a a s 光纤压力传感器文献 1 8 介绍一种基于g a a s 特性的光纤压力传感器。这种传感器的工作原理是利用半导体导带极值在外加压力作用下引起漂移，从而使光学吸收限产生位移。图1 9 为该传感器的工作原理图。将敏感元件g a a s 单晶体加工成微型棱镜安装在传感器的顶部。用两根多模光纤连接g a a s 的两端，一根输入光信号，根输出受乐力调制了的光信号，经光电转换后的信号与调制器产生的信号在锁相放大器中共同作用输出直流电压，洲出电压并送计算机处理，即可得到被测压力。高压也图1 9g a a s 光纤压力传感器的工作原理圈该传感器在5 5 0 。c 温度范围内，可测i o o m p a 的压力。文中还提d l 用有源和补偿两个传感器通过适当的处理减小温漂的办法。第章绪论1 1 7 测偏振光的光纤压力传感器文献 1 9 介绍一种测偏振光的光纤压力传感器。光在传感头的输入端经起偏器变成与外施力方向成4 5 。的线性偏振光，该线性偏振光可被分解成与外加压力平行和垂直的两个正交分量。作用到光纤上的力在纤芯内产生相应的应力，该力调制折射率，使两个传输模之间产生相位差，检测相位差，即可测出压力。1 2 强度型光纤传感器补偿技术的研究与其它类型的光纤传感器相比，强度调制型光纤传感器具有成本低、结构简单、设计灵活等优点，但是，同时也存在一个致命的缺点，即由于它采用光强作为信息的载体，所以，不可避免地要受光源功率波动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移等因素的影响，而光源的功率波动是导致测量精度降低的主要原因。所以，要想获得高精度和高稳定性的测量，必须采取有效措施克服这种影响。蹦此，对于强度调制型光纤传感器的补偿技术的研究，在国内外学术界一直非常活跃。从2 0 世纪8 0 年代伊始，就有许多学者将研究的重点放在了消除光源功率波动以及其它外界扰动因素对传感器的影响。强度型光纤传感器的各种补偿技术可以根据补偿原理进行适当的分类。需要说明的是，以下的分类方法并不是唯一的，而且补偿方法还有其它许多种，在此只选择其中的儿种作_ 一下简单的介绍。1 2 1 光源负反馈稳定法光源的不稳定将直接导致传感器输出的不稳定。过去，人们往往采用稳定光源电压或屯流的方法这就要有结构复杂、价格昂贵的温度稳定装置和功率稳定装置，而且这种方法对由环境温度变化和光源老化所导致的光强变化稳定效果欠佳。为解决这个问题，王其生等人介绍，一种采用光源负反馈环路来稳定光源的一种方法 2 ( ) 。如图1 1 0 所示，光源s 输出的光经过耦合器c ，其中部分经发送光纤t f 到反射面再由接收光纤r f 接收并被探测器d 2 转换作为测量信号：另一部分光输入至反馈光纤f f 后直接照射到d 1 上，经放大后与基准电压衍相比较，相减后的电压放大后加到光源s 上。选毙讳图11 0 负反馈光源稳定装置此方法的关键是要获得一个很稳定的参考电压折，以及选择对称的放大器平u 探测器的参数 2 1 。】2 2 分光参考补偿法分光参考补偿法的基本思路是利用某种光学元件形成测量光和参考光由r 测量光和参考光受到相同的光源波动、光纤损耗等渊素的影响，而被测参数只对洲量光进行调制，通过较为简学的信号处理，便可达到补偿的目的。这种补偿方法义可以分3 类：分振幅型、分波阳面东南大学颁+ 学位论文型和取样电流法。图1 1 i采用分光器件分光设置参考光路的光强补偿法示意图1 分振幅型如图1 1 l a 所示，来自激光器的光功率被分光镜b 分成两路，一路为测量光进入发送光纤束，另一路为参考光进入参考光纤束，分别由探测器d 1 和d 2 变换为电信号r l 和y2 。最后输出结果为：r=v1 v2 = k f ( d )( 1 2 1 )式中，f ( d ) 是反映光纤束光强调制特性的函数，d 足光纤束端面到反射面的距离，k 为与光纤束及后续数据处理单元有关但与光强无关的系数。由此可见，最后的结果r 是一个与激光光功率无关的值，也就是说，光源的功率波动对测量的影响被克服了。但是，由于透射光光功率和反射光光功率会随着激光光功率起伏和偏振方向变化而不确定的变化，甚至可能出现反向涨落的现象，使光功率补偿失效，必须在光路中插入偏振片以改善激光束的偏振特性，或采用带布儒斯特窗的线偏振激光器。2分波振面i 型中孔( 半圆) 光电池分光参考补偿法如图11 l b 所示，光束的一部分通过中孔光电池的中一t l c ( 或半圆光电池的空半圆) 进入光纤束为测量光，其余部分被光电池接收面挡住并接收作为参考信号它与采用分光镜设置参考光路的补偿原理基本相同。但是它须保证激光束通过光电池的空间位置保持不变易受光束方向漂移及外界机械震动的影响 2 2 。3分波振面i 【型丌型光纤束分光参考补偿法如图1 1 l c 所示，它将参考光纤柬和发送光纤束在靠近光源的一端做成一定比例的随机型排列起分光作用。光经过分光端分光后一部分作为测量光经反射面后被接收光纤接收，另一部分作为参考光进入参考光路。这种补偿结构省去了象分光镜、中孔光电池这样的光学器件，光源发出的光矗接进入光纤束，因光源功率波动引起的参考光和测量光的波动是同步的。显然，采用这种n 型光纤束利用比值法进行补偿时，可以较好地消除光源功率波动带来的影响。并且这种光纤束既不存在参考光和测量光随光强的起伏和偏振方向变化而出现反向涨落的现象，也可以克服用电池分光对光束方向漂移和装置的机械稳定性的要求，实验表明强度补偿效果较好 2 3 。当然，这种结构的光纤束制作相对复杂。4半导体激光器取样电流补偿法从半导体激光器引出一个参考端，这个参考端是反映激光光源功率波动的电流信号。将这个电流信号直接取样作为参考信号与测量信号相除，就可以消除功率波动的影响。吕海宝等人就是采用这样的补偿方法达到了光强补偿的目的 2 4 。1 2 3双路接l 恢型光纤探头补偿法这种补偿法又称多光纤补偿法，基本思想是用两根( 或两组) 光纤分别接收带有测量信息的光，利用两组信，自、的相关性l j 差异性进行数据处理以达到补偿的目的。常见的方法有j光纤补偿法和细台型光纤探头补偿法。第一章绪论i 三光纤补偿法在众多光强补偿方法中，应用比较频繁的方法是增加一根参考接收光纤的方法，令其中一根接收光纤丁作在位移特性曲线的前坡另一根工作在后坡，用两根光纤的输出之比或和差比作为结果，不但可以消除光源功率波动的影响对反射率的变化不敏感，同时还能扩大动态范围、改善线性。c u o m o 2 5 提出了一种芯径不等的三光纤补偿结构( 如图1 1 2 a 所示)实现了光强和反射率的补偿，并从理论上分析其强度补偿机理，进行了反射率补偿实验，结果表明，即使反射率变化了5 0 ，最后的补偿输出也仅变化o 3 。肖平等人研究了一种阶梯反射式光纤传感探头 2 6 ( 如图1 1 2 b ) ，实验表明当输入光强变化约l o 倍时，补偿输出值仅变化3 左右。趣喇奠蹦粤，艄“霉蒯能田匣咂商趟l 咂蓝匪鳞ab图1 1 2 采j = j 双接收光纤的补偿法示意图2 组合型光纤探头补偿法如图1 】3 所示，这种带补偿功能的组合型光纤束由一组发送光纤和两组接收光纤组成，并在公共端可形成多种排列方式( 如图1 1 4 所示) ，由于两组接收光纤束分别具有不同的位移特性，闽此，采用比值法或著动法可以实现光强和反射率的补偿，同时，还可以改善传感器的位移特性。徐育等 2 7 研究了一种半圆随机型光纤束传感器，采用和差比值作为输出的结果，不但消除了光源强度变化的影响，而且可以消除被测面反射率变化影响。图1 1 3 采用组台型光纤束的补偿法示意图发送光虹bc幽l1 4 补偿型组合光纤求的3 种典型结构9东南大学顺士学位论文1 2 4 双波长补偿法如图1 1 5 所示，烈波长补偿法采用具有不同波长( l 和 2 ) 的两个光源( s l 和s 2 ) 这两个波长不同的光信号在传感区域m 中受到不同的调制，对调制信号滤波( 滤波器f 1 的通带中一t b 为 1 ，f 2 的通带中心为a2 ) 、数据处理，便可以达到补偿的目的。双波长补偿法所需要的两个波长可以用两个独立的具有不同峰值波长的光源产生，也可以使用宽频光源( 如l e d ) ，然后将其分割成两个半宽带光源或用色散元件产生。不过这种补偿方法结构复杂，由于双波长光在光纤中的传输差异，因此这种方法并不适用于远程测量。图1t 5双波长补偿法示意图1 2 5 网络补偿法嘲络补偿法的基本原理是来自不同光源的两束光分别经过光纤网络后，对输出的信号进行相应的数据处理阱达到消除园光源波动、耦合系数变化、传输特性变化以及光屯器彳牛特性漂移等因素的影响。代表- 陆的补偿网络有c u l s h a w 网络( 或称光平衡桥) 、b e h e i r 网络、四端嘲络及其改进型等。1 c u l s h a w 网络法( 光桥平衡补偿法) 2 8 如图1 1 6 所示它由两个光源( s 1 和s 2 ) 、两个探测器( d i $ i i d 2 ) 和一个光纤四端网络构成。两光源轮流发光，两探测器均可探测每个光源发出的光脉冲。设，当光源s 1 发光时，两探 c l l 器测出的光电流分别是i i 。和i m 而当光源s 2 发光时，两探测器测出的光电流分别是i 。和i 一它们的表达式分别为：1 1 1 = p l l l m c l 3 l 3 d 1 ，1 1 2 = p 】l i c l 4 l 4 d 2i2 i = p 2 l 2 c 2 3 l 3 d l ，1 2 2 = p 2 l 2 c 2 4 l q d 2( i 22 )式中，p i 表示光源输出的光功率；l i 表示光纤透过率；c i j 表示光纤耦合器的耦台效率h 为强度调制系数；d i 为光电探测器的响应度。补偿后的输出为：r ：且1 2 1 一c 1 3 c 2 4 ( 】2 3 )，2 1c 1 4 c 2 3幽i 1 6c u ls h a w 网络补偿法示意图显然，补偿后的输f 咐自除了光源输出功率p 波动、探测器响廊度b 变化以及光纤传输损0第章绪论耗的变化对系统的影响。但是关键在于耦台效率c 1 3 ，c 1 4 ，c 2 3 和c 2 4 能甭保持长期稳定。而实际上光纤耦合器的耦合效率直接受到入射光功率的模式分布随机变化、光波长以及环境温度变化的影响，因此，这种补偿结构很难实现长期稳定的要求。虽然，目前单模光纤耦台器的制作技术及工艺已成熟，但是多模光纤耦台器的稳定性问题却较难解决。在此基础上，金晓丹等人 8 给出了采用对光模式不敏感、分光比比较稳定的偏振立方体分光棱镜实现分光的改进型透射式和反射式补偿结构。2 b e h e i m 网络法 2 9 这是由美国航空航天管理局的b e h e i m 等人提出的，并用它进行了微位移测量，取得了较好的效果。如图1 ，1 7 所示，光源s 1 和s 2 发出的光通过光纤、光纤分光耦合器，分别由探测器d l 和d 2 接收。经过信号分离得到1 1 3 ，1 1 4 ，1 2 3 和1 2 4 ，图中c i j 为光纤耦合器的耦合效率，m 为强度调制系数。最后的输出结果为：r =阻生：c , 5 c 6 。c s 3 c 2 6 吖、，1 3 ，“| c l 3 c 2 4图i 1 7b e h e i m 网络法示意图( 12 4 )该网络设计思想优于c u l s h a w 网络，在一定的条件下可以达到相当高的精度，但实现起来l e c u l s h a w 网络要复杂得多，并且同样受到光纤耦台器的稳定性影响。3 四端刚络补偿法图1 】8 所示的四端网络补偿法是由重庆大学光电精密机械研究所提出来的 3 0 3 。设e是矧中儿段相应光纤在传输过程中引起的光损耗系数，并假设各节点具有相同的损耗婿u 传输率l 。最后的结果为：r = ( 肛) 2 s l2 s 1 4 6 2 2 s 2 d m( 1 25j表明四端网络的输出与光源功率波动和光电器件特性变化等因素无关。但其缺点是网络约束条件多，要达到高精度存在一定的困难。为了克服这个矛盾，提出了一个优化的全光纤三节点补偿网络结构。图11 8 四端网络补偿法示意图东南大学硕士学位论文1 2 6 神经网络补偿法神经网络补偿法是随着近年来神经网络的研究进展而逐渐被一些学者运用于光纤传感信号处理的一种新方法。实际上神经网络补偿的原理框图就是将图i 1 l 中的数据处理硬件单元替换为神经网络补偿算法软件单元即可。如果要测量某个物理量x ，如反射面的位移d ( 或反射面的表面粗糙度r a ) ，对于一个确定的反射面( 或确定的光纤到端面的距离) 闻1 1 9 中的测量信号v l 仅与被测量x 及光源强度i o 有关，而参考信号v 2 仅与i o 有关，即：v 。= f 。( i 。，x ) ，v 2 = f z ( i o )( 1z 6 )由于函数f l 和f 2 并不是显式，而且v j 和v 2 均受光源波动的影响。因此，可以用一个神经网络补偿算法根据v 1 和v 2 来得到被测量的实测值x a ，即：x a = n n ( v1 ，v2 )( 1 2 7 )式中，n n ( ) 表示一个神经网络。为实现上式，必须先对神经网络进行训练。如图1 1 9 所示，首先改变图l1 1 所示的激光器的输出光强i o 及被测量x ，得到组v l 和v 2 的样本集，并以这组样本集的v i u v 2 作为训练神经网络的输入，被测量x 作为期望输出。训练时不断比较神经网络的输出与被测量之差e ，同时不断调整网络的权值w ，使得e 小于一个预先设定的值。训练结束后，实际测量时只需要把测量信号v 1 和参考信号v 2 ) j 晦, j 神经网络的输入端，则神经网络的输出便是最后的测量结果。鬻屯图1 1 9 神经网络的训l 练示意图z h a n g 等采用b p 网对所采集到的数据进行处理，提高了光纤表面粗糙度及位移测量的精度 3 1 。王毅等也采用了神经网络对光纤粗糙度传感器进行信号处理 3 2 从而_ 人大减小了光源功率波动以及被测反射面反射特性变化对测量精度的影响。朱庆保介绍采用差动电路解决漂移问题 3 3 ，利用b p 网的泛化能力实现无级查表功能，改善了反射式光纤位移传感器的前坡线性。1 2 7 发展方向强度型光纤传感补偿技术是提高这类传感器精度和稳定性的关键，其研究仍然比较活跃，并呈现出许多新特点，如：( 1 ) 补偿结构与光纤强度传感结构的一体化使得其结构变得紧凑，受外界干扰更少；( 2 ) 商精度、高稳定性、能同时实现对多种外界干扰的补偿方法是目前乃至今斤的研究重点；( 3 ) 采用神经网络的补偿法是一种不增加硬件成本、不引入新的千扰因素的软件补偿方法，并有望通过设计优化的网络来实现其它补偿方法无法实现的功能。第一章绪论1 3 光纤麦克风1 3 1 基本结构及工作原理目前，光纤麦克风中应用最广泛，原理晟简单的当推r i m f 0 s 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上作原理：光源发i l j 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，符经过透镜耦台到接收光纤，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卢强了。其过程可参照图1 2 0 。图1 2 0r i m f o s 光纤麦克风的 一作原理1 3 2 研究概况1 9 9 1 年d g a r t h e 在s e n s o fa n da c t u a t o t s 发表了一篇关于光纤麦克风的论文f i b e r - c ) p l i c k i c r o p h o n e 3 4 。文中介绍了实现光纤麦克风的几种方法，其中包括单模光纤麦克风、多模光纤麦克风、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。1 9 9 3 年上海科技人学的周书铨等人利用光纤的微弯损耗原理 3 5 ，研究了微弯型光纤麦克风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剧均不理想。目前全世界只有以色列的p h o n e o r 公司有正式的光纤麦克风产品问世。图1 2 1 为该公司的一款产品幽样，其各项性能均己达到了实际使用的要求。东南大学硕士学位论文图12 lp h o n eo r 的产品闺1 3 ，3 应用介绍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。本文研究的光纤麦克风主要应用于医疗方面。在医院的c t 室内，由于强电磁场的影响，传统的麦克风受到干扰而无法正常工作，如果室内的人需要给室外或其他房间的人发送语音信息就不方便。但利用光纤麦克风就可以将声音信号转换成光信号，通过光纤传送到室外或其他房间再经过信号处理就可以还原成声音信号，从而达到发送信息的目的。1 3 4 关键技术由图1 2 0 可见，光纤麦克风有探头、光纤、发光管和光检测器等几个部分组成。光纤麦克风的关键技术有：1 探头的设计：包括探头的结构、探测光纤的定位、反射膜的制作和固定等一系列技术。2 光网络的结构：这决定载波光传输的路线和方式可采用双光纤结构，也可采用y 型耦合器。3 光发送机的设计：包括发光管的选择和驱动电路的设计。4光接收机的设计：包括光电二极管的选择、前置放大器的设计、功率放大和输出滤波电路的设计。1 4 本文研究的内容本课题的研究主要有以下几个方面：1 模型的建立：从反射式光纤传感器的光纤对入手，以光度学原理为基础，建立该传感器在镜面反射时的输出特性数学模型，然后确立反射膜在声场中的振动方程，结合这两种模靶建立光纤对输入和输出之间的耦合关系的理论模型。2 传感器探头的设计：探头的设计是光纤传感器设计中的重点，其设计的关键之处在于反射膜及光路的设计，反射膜的反射率和声敏感度直接影响了传感器的灵敏度和探测能力。3 光源驱动电路的设计：光源在光路中的作用如同电源在电路中的作用，光源的稳定准确度在很大程度上决定了光纤传感器的准确度，因此为保证光源的恒亮度和低噪声，在其驱动电路的设计中应采用恒亮度控制电路。4 光接收器电路的设计：存光纡传感器巾，光接收器的作用是将光纤传米的光功率信号变换为电信号。光接收器是光接收系统的基础，它的灵敏度、带宽等特性参数直接影自光纤传感器的总体性能。接收光纤中的出射光强度足反舅j 膜振动位移的晒数，由丁：位移变化仅为微米级的情况，光强的变化量很小，这就对光敏元件提出了非常苛刻的要求。不仅对光敏元件第一章绪论的光照、光谱、伏安特性等要求严格，还要求光敏器件的信噪比足够大，暗电流足够小。5 声音的还原：从光接收器输出的电信号中分离山有效信号，放大后输出到扬声器还原成声音，要求在信号处理过程中尽可能减少信号的失真度。东南大学硕士学位论文第二章光纤麦克风的理论分析对反射式强度型光纤传感器进行建模的研究早在1 9 7 9 年r 0 c o o k 就基于各向同性假设给出了一入六出同轴光纾束的光强调制模型，不过所建立的模型比较简单。z h a oz h i q i a n g也从光度学的角度建立了单光纤对在理想镜面和漫散射表面上反射的数学模型，讨论了光纤间距的不同对调制特性的影响 3 6 。在此基础上，他还采用“平均问距法”建立了随机型光纤束的调制模型，计算并给出了相应的理论曲线。其他学者也从不同的角度对r i m f o s 的调制特性进行了建模研究。l e oh o o g e n b o o m 3 7 较为详细地叙述了建模的意义，给出了不同光纤间距时的位移响应曲线，提出了特性曲线的参数化描述方法，将曲线用死区、前坡带、峰值区、后坡带和峰值来描述，最后还对美国m t i ( m e c h a n i c a lt e c h n o l o g yi n c ) 公司的0 2 0 r探头进行了建模仿真、实际测试和比对。z h e n g j i a n l i 3 8 针对三光纤位移传感器建立，其理论模型，给出了实测和理论的归一化特性曲线。j o s eb r a n d a of a r i a 3 9 采用几何法和高斯法分别对双束型光纤束建模，计算并绘出了“归一化距离一归一化光功率”的特性曲线。近年来，我国对r i m f o s 的建模研究也较为系统深入。从光纤对入手，将发送光纤端面假设为朗伯辐刺体建立了传感器在镜反射时输“j 特性的数学模型。在此模型的基础上，计算给出了传感器输出特性的仿真曲线，并讨论了输出特性与各参数( 光纤间距、接收光纤芯径、发送光纤芯径、数值孔径) 之间的关系。并且在光纤对模型的基础上，忽略包层厚度和粘结剂并用概率统训理论做了适当的假没，建立了同轴、半圆和随机型光纤束的调制特性的数学模型，并研制了一套“r i m f o s 调制特性测试系统”。本章主要以双纤和单纤两种模型为基础，从理论上分析丁两种光纤麦克风的调制函数特性，并作了数值分析和比较。2 1 双纤型r i m - f o s 光纤麦克风的数学模型如图2 1 所示，光源发出的光经发送光纤t f 射向反射面p ，反射光由接收光纤a f 收集，并传送到光探测器转换成电信号输出。设发送光纤和接收光纤的芯径分别为2 r ，和2 b 两光纤的间距为d ，中心距为i m 他”j 的端面与反射面的距离为l ，发送光纤的孔径角为om 。当1 f 作为一个微面光源照亮反射面p 时，该面上直径为d 的均匀光斑义可看作是余弦辐射体 4 0 ，那么，它向2n 立体角半球空间发出的全部光通量为r fnb 。，s 。若它的反射率为p ，则它直接照射a f 端面时，它在断面上的光通量为：鼻= 饯s d c o s i l c o s i 2 s ，l 2( 21 1 )式中，b 。为p 面上的光亮度；s o 为p 面上直径为d 的均匀光斑；s ，为a f 接收光纤端面有效通光面积：i 一，iz 分别为发射、接收光纤端面中心连线与端面法线的夹角。第二章光纤麦克风的理论分析t f蠢f躅2 1t f 与a f 的光耦台通常在实际中，总是保持t f 与a f 的轴线垂直于反射面，即两光纤平行时：i = i 。= i ，这时式( 21 。1 ) 为只= p b o s d s ，c o s 2 ，( 2 1 2 )光纤的光功率耦合效率为：巾：旦：_pbos。srcos2 i p s _ r c o s2 i( 2 1 3 )f o趣o s d l i趔令k = c o s2 i ，其中i 取决于t f 和数。则上式为：中：譬k7 吐2a f 问的排列状况，因此k 就是表示排列特征的结构系这就是r i mf o s 型光纤声传感器的调制函数公式数，可咀求得相应的灵敏度、线性范围。( 21 4 )通过选择虽佳的光纤传感器结构参2 1 1 有效接收面积s r 的计算如图2 2 a ，入射光纤端面上的点a 距接收光纤圆心0 z 的距离为p 接收光纤半径为r ：，q = 2 l t a n 口。为反射光的光斑半径，图中阴影部分即为接收光纤端面接收面元a 辐射的有效接收区域s r 。显而易见，s ，= 2 s ( a e c ) + s ( b e 0 2 ) 一s ( a e 0 2 ) 】( 2 i 5 )对图22 b ，显然，s ，= 2 s ( a e c ) + s ( a e 0 2 ) + 腰2 一s ( e d 0 ，) ( 2 1 6 )东南大学硕十学位论文一乒两孙b、|盖锄瓤。姿髫匙” ，一口j蚓2 2接收光纤的有效接收区域s r如图2 2 a 、2 2 b 所不，随l 的，艾化q 也变化f s r = 0【曲= q2 妒+ 芎妒- q ps i nc p1 蹄：g2 妒+ 砚2 一q - v ps i n 妒l 曲= 面式中则s r 分别具有以下值：g ( p r 2 )( p r - r 2 ) q , p2 十哼( 2 1 7 )p2 + # ( p + r 2 )l 妒：a r c s i n ( 里竺竺)jr 2i p ：0 s ( 掣)【w 由式( 2 1 7 ) 可得到，当反射光的光斑半径q 在不同的范围内，积相应的计算公式。( 21 8 )接收光纡的有效接收面2 1 2 调制光强巾与s r 的关系参看图2 1 当光纤端面与反射面之间的距离l 很小时，l d时，挠度与压力的关系满足如f 关系式：p r4 1 6 h2 h