基于单模-多模光纤结构声频振动传感器的研究

摘要

在强电磁干扰、气候潮湿、高温高压等恶劣环境，许多传统的振动传感器在此环境下已不能发挥有效作用，而光纤振动传感器凭借其抗电磁干扰能力强、测量范围广、灵敏度高等优势，已成为当前振动传感检测技术中的重要组成部分。目前制备的光纤振动传感器，大多是通过接触传感获取振动信息，结构制备较为复杂，封装存在一定困难，因此本论文提出并制备了两种结构简单、成本较低的声频振动传感器，对这两种传感器在一定频率范围内的声频振动传感特性进行了详细研究，并对第二种结构的封装增敏方案进行了详细研究。本论文主要研究内容如下：
　　基于多模干涉原理提出并制备了一种结构新颖、灵敏度高的单模-多模-间隙-单模（SMGS）光纤声频振动传感器。采用光束传播法（BPM）对这种结构的光传输性能进行数值模拟，并通过有限元分析方法对光纤悬臂梁进行了振动模态分析，在理论上优化设计了该类光纤振动传感结构。实验上制备了长度为22mm的单模-多模悬臂梁结构，详细研究了多模光纤长度不同对该结构的声频振动响应的影响。实验结果表明，多模光纤长度为9.89mm的SMGS声频振动传感器在130Hz时响应效果最好，对应的声压灵敏度为4mV/mPa，线性相关系数为0.9962，线性度和可重复性良好，并且实验结果和理论模拟结果相符合。
　　采用熔融法和化学腐蚀法制备了一种结构简单、易于封装、灵敏度高的单模-多模-单模（SMS）锥形光纤声频振动传感器。在SMS光纤结构的多模光纤区域滴加HF酸，通过化学腐蚀改变多模光纤的直径，从而改变多模光纤中的模场分布；当耦合进入输出单模光纤的光强最大时停止腐蚀。经过腐蚀后的光纤，呈现锥形，具有易于振动，灵敏度高的优势，同时也克服了单模-多模光纤在自映像点处熔接，存在的实验偏差问题。实验测得多模长度为2cm，两端固定梁总长为3.2cm的锥形传感结构，在20-500Hz频率范围内，该传感器在120Hz响应效果最好，对应的声压灵敏度为1.49mV/mPa，线性相关系数为0.998。
　　针对SMS锥形光纤声频振动传感器，提出并制备了加工工艺简单、成本较低、响应范围较宽的圆柱体亥姆霍兹共振腔内嵌金属条的封装增敏结构。采用多物理场直接耦合分析软件，优化设计并制备了三种圆柱体亥姆霍兹共振腔增敏结构，结合金属条封装结构，对实验制备的SMS-z=2cm-L=3cm，SMS-z=6cm-L=6cm两种锥形光纤传感结构的声频振动传感特性进行了详细研究。实验结果表明，采用在组合式圆柱体亥姆霍兹共振腔内横向嵌入金属条的封装增敏结构，有效保护了光纤结构避免外界环境的干扰，提高了传感结构对不同频率声音的响应幅度值，扩大了结构的频率响应范围，可以满足在较恶劣的环境中对声频振动测试的需求，具有很好的应用前景。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 光纤振动传感器概况

1.3 光纤传感器封装增敏方案调研

1.4 光纤振动传感器应用

1.5 本论文主要研究内容

第2章 光纤振动传感器基本理论

2.1 引言

2.2 多模干涉效应理论分析

2.3 单跨梁的弯曲振动分析

2.4 本章小结

第3章 SMGS光纤悬臂梁振动传感器

3.1 引言

3.2 SMGS光纤结构理论基础

3.3 SMGS光纤结构声频振动传感特性研究

3.4 本章小结

第4章 SMS锥形光纤振动传感器

4.1 引言

4.2 实验原理与方案设计

4.3 两端腐蚀结构传感特性研究

4.4 本章小结

第5章 光纤振动传感器封装增敏方案设计

5.1 引言

5.2 封装方案设计

5.3 增敏方案设计

5.4 封装增敏实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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