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0431-81702023
光學工程
基于強度型光纖傳感器的聲波隔體探測關鍵技術研究

摘要 利用反射式強度調制型光纖傳感器進行間隔固體介質的聲波隔體探測,研制了光纖傳感聲探測裝置,重點從光強調制、振動提取和拾振耦合三個方面研究了在聲波隔體探測過程中的振動傳遞機理,對振動傳遞過程進行了分析研究,從理論上建立了固體介質、探測拾振裝置和光纖敏感單元三者的振動傳遞數學模型。在此基礎上設計實現了光纖聲傳感系統,并給出了聲波隔體探測的實驗方法。其結果表明,在5cm 厚木板、5cm 厚水泥預制板、12cm厚磚墻、10cm 厚水泥預制板的測試條件下,此系統對頻率為1kHz,聲級(SPL)為94dB的標準聲信號的探測失真度均小于8%。

關鍵詞 探測器;強度調制型光纖傳感器;數學模型;聲波探測

1 引 言

     反射式強度調制型光纖傳感器是一種基礎的光纖傳感器類型,在光纖傳感領域有著十分重要的地位。它通過反射面的位置改變來調制光纖接收的光強度,從而實現位移、轉角、應變、壓力、振動、溫度、表面粗糙度等多種物理量的測量[1]。截止目前,關于反射式強度調制型光纖傳感器的研究和應用非常廣泛,國內外均有其實際應用成果的相關報道[2~5],其中以位移測量等傳統應用為主。

      聲波探測,特別是間隔固體介質進行聲波探測,在勘探、建筑、醫療、精密機械及災害預防等許多領域,具有重要的應用價值。現有的聲波探測傳感器大多采用電學式,由振動引起電荷、電壓或電流的變化實現測量,這類傳感器不適合易燃易爆、強電磁干擾等 測 量 環 境 嚴 苛 的 領 域。光 纖 聲 波 探 測 傳 感器[6~7]具有抗電磁干擾、耐腐蝕和靈敏度高等許多優勢,能夠滿足惡劣條件下的測量要求。

      反射式強度型光纖傳感器應用于聲波探測,具有結構緊湊、設計靈活、成本較低以及環境適應性強的獨特優點,因此引起人們的重視。目前,此類傳感器在空氣介質中的聲波探測領域,已有相關的實驗研究及應用,其中一種典型實例為光纖麥克風[8],已達到成品應用水平。但反射式強度型光纖傳感器用于間隔固體介質進行聲波探測,因其振動作用形式和探測機理不同,且振動傳遞過程更為復雜[9~13],而亟待深入研究和探索原理。本文設計了一種基于反射式強度調制型光纖傳感原理的聲探測傳感器,針對間隔固體介質的另一側聲振動探測的關鍵技術進行了深入研究,設計了振動拾取裝置,并給出系統傳遞函數,實現了聲波的隔體探測。

 2 系統原理及數學模型

      如圖1所示為光纖振動傳感器用于隔體聲音探測的原理圖。固體介質一側的聲波將引起介質的微小振動[14],振動波透過介質傳播到另一側,并引起介質表面的振動,振動拾取單元通過與光纖傳感單元的有效配合,將振動反映為光纖單元敏感反射面的位置變化,進而調制接收光纖中的光強度,最終由光電轉換及信號處理電路復原聲音,實現了聲音的隔體探測。

      如圖1所示,傳感器系統主要包括電路部分、傳輸光纖與傳感探頭部分,其中傳感探頭部分是系統完成隔體聲波探測的設計重點,它分為光纖傳感單元和振動拾取單元,并需要二者有效結合。

      光纖傳感單元基于反射式強度調制型光纖振動傳感器原理,此類傳感器主要由光源、發射光纖、反射面、接收光纖及光電轉換電路五部分組成,如圖2(a)所示。光源發出功率為犘0 的光經發射光纖投射在敏感振動的反射面上,反射光進入接收光纖輸出到光電探測器。當反射面相對光纖端面的距離犱發生微小改變時,反射回接收光纖的光強相應發生變化,在其他參數不變的情況下,探測器接收到的光功率 犘r 取決于距離犱,即犘r 受犱的調制,犘r=犕o(犱)。犕o 為光纖傳感器的光強調制函數,根據參考文獻[15]對反射式光纖傳感器模型的分析及推導,可知:

 

       在隔體聲音探測系統中,與光纖傳感單元相結合,使其適用于隔體聲音探測的振動拾取單元結構如圖3(a)所示,其動力學等效模型如圖3(b)所示。拾振單元外殼拾取振動信號后,傳導到與其殼體相連接的彈性薄板結構,將彈性結構等效為彈簧,下端附加一質量塊 犕,用于調節系統頻響及增大振動幅度,犚 為周圍空氣對質量塊的阻尼。

 

      設探 測 介 質 表 面 垂 直 方 向 振 動 為 ξ1 =ξ10exp(jωt)[16],則當傳感探頭與固體介質平行且緊密接觸時,殼體的位移量ξ1=aξ10exp(jωt),犪為常數。記ξ2 為質量塊的位移,對于微振動敏感單元而言,質量塊對殼體的相對位移ξ=ξ1-ξ2 即為拾取到的振動信號。

      上述模型的振動學方程為

 

         綜上所述,光電探測器檢測到的光功率,通過調制傳遞函數 Mo,Mg,Mν,最終反映了聲音振動信號。

3 實驗研究及結果

      該系統采用帶尾纖的850nm 半導體 LED 光源,輸出功率200mW。發射與接收光纖均為大芯徑多模光纖,光纖出射端與軸線夾角為60°,反射面為高反射率金屬薄膜。探頭拾振結構材質為 ABS工程塑料合金(密 度 1.13g/cm3),外 觀 尺 寸 直 徑5cm,外 殼 壁 厚 4 mm,質 量 塊 尺 寸 3.4cm× 9mm,彈性薄板厚0.75mm。

      在非探測面對聲源的隔聲量遠大于探測面的條件下,進行了系統的隔體聲音探測實驗,實驗裝置如圖5所示。實驗中采用 AWA6122電聲測試儀的仿真嘴作為待測的標準聲源,其激勵信號由電聲測試儀主機給出。仿真嘴放置在固體介質一側,固體介質將傳感探頭與聲源隔音分離,以盡量減小聲音信號的泄露干擾。實驗時,標定聲源發聲到達固體介質表面時聲壓級(SPL)為94dB。探測系統的傳感探頭固定在固體介質板的另一側,并且與電路相連接,最終輸出的信號進入電聲測試儀和失真度測試儀,以檢測探測失真度指標。

      實驗用 固 體 介 質 隔 板 平 面 尺 寸 均 為 60cm× 60cm,固 體 介 質 分 別 為 5 cm 厚 木 板 (密 度0.69g/cm3 )、5 cm 厚 水 泥 預 制 板 (平 均 密 度2.45g/cm3)、12cm厚磚墻(平均密度2g/cm3)、10cm厚水泥預制板的系統失真度實驗結果如圖6所示。

      在聲波探測中,傳感器的頻率特性同樣是非常重要的性能指標,圖7給出的在94dBSPL 標準聲信號掃頻輸入情況下系統光纖敏感探頭頻率響應曲線,由圖可知該聲波隔體探測器對頻率集中在300~3000Hz的聲音振動信號有較為平坦的系統響應。

4 結 論

      基于反射式強度調制型光纖振動傳感器進行隔體聲波探測,設計實現了聲波探測樣機,從光強調制、振動拾取等方面分析了此隔體探測系統的聲波探測原理,從理論上建立了待測聲波通過傳感系統的振動傳遞數學模型,為聲波的隔體探測提供了理論依據,同時闡述了該系統用于聲波探測的方法。實驗結果表明,在 5cm 厚木板、5cm 厚水泥預制板、12cm 厚磚墻、10cm 厚水泥預制板的測試條件下,此系統對頻率為1kHz,聲級(SPL)為94dB的標準聲信號的探測失真度均小于8%,由此得出此基于反射式強度調制型光纖振動傳感器的聲波隔體探測系 統 所 測 得 的 聲 波 信 號 可 以 在 工 程 實 際 中使用。

 

 

 


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