引用本文:
杨冲,傅海威,雍振,等. 非本征光纤F-P干涉声传感器的研究[J]. 光通信技术,2020,44(2):28-32.
杨 冲,傅海威,雍 振,刘颖刚,李辉栋,王旗旗,王 帅
(西安石油大学 理学院,西安 710065)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为研究不同材料对法布里-珀罗(F-P)干涉声传感器性能的影响。采用几种不同金属材料,设计制作了基于光纤端面—膜片非本征型F-P干涉声传感器,利用有限元方法对圆形振动膜片进行模态分析,得到了一阶固有频率。实验结果表明:由金、锌合金材料制作的传感器可探测较低声压,且传感器灵敏度较高、对外界声波信号响应成良好的线性关系。
关键词:光纤传感器;法布里-珀罗腔;声传感器;金属材料;圆形膜片
中图分类号:TH744 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)02-0028-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.02.007
0 引言
光纤法布里-珀罗(F-P)干涉声传感器具有抗强电磁干扰、灵敏度高和探头部分全光信号等特点,在空气声波检测、水下声波检测以及光声效应测量中的光声信号检测等领域有重要的应用前景。声波振动信号是一种压力波,传统测量声波信号的传感器大部分都是基于电子元件制作而成[1],所以不适合在电磁干扰环境下工作。基于光纤结构的干涉声传感器具有不受外界电磁信号干扰、响应速度快和灵敏度高等优点。近年来,非本征F-P腔结构声探测器的研究得到了广泛关注。各种材料的振动膜片也被用来制作传感器:2014年,Xu Feng等人报道了基于纳米银膜制作的声传感器[2];2016年,Wang Shun等人报道了使用金属加聚合物复合薄膜制作的非本征F-P腔结构次声波传感器[3];2017年,Tan Yanzhen报道了基于石墨烯薄膜的光声信号气体探测器[4];在2018年,Gong Zhenfeng报道了一种基于聚合物薄膜的非本征F-P光声信号探测器[5]。
非本征F-P腔结构的传感器不仅仅运用在声波信号测量方面,还在微量气体检测[6,7]、水下监听[8,9]、声波振动测量和压力[3,10]等领域被广泛研究,其结构通常由平整的光纤端面、空腔以及振动敏感膜片组成。对于非本征F-P腔膜片式传感器,振动膜片是影响传感器性能最主要的因素,膜片对外界声波振动信号的灵敏程度直接影响到传感器的灵敏度。在实际应用中,随着外界环境的变化需要使用不同响应特性的传感器,如何选择合适的振动膜片(材料种类、有效直径和厚度等)变得极其重要。使用有限元仿真软件计算可以很好地解决膜片选择问题,或通过理论计算验证实验所得结果。近年来,许多种类膜片材料被应用于非本征F-P干涉声传感器,如石英[11]、金属[2,12]、聚合物[13~15]以及单层或者多层石墨烯[4,16,17]等。上述几种材料通常都可被加工成厚度为微米级别的膜片,尤其是石墨烯材料可以制作出纳米级别的膜片。外界微弱的声振动信号非常容易迫使纳米级别厚度的膜片发生形变,使得由此种膜片制作的非本征F-P干涉声传感器具有超高灵敏度响应。但同时纳米级别振动膜片通常难以承受较高声压、稳定性较差,其应用范围受限,大批量运用到实际中非常困难。对于同类型材料制作的传感器其性能比较鲜有报道,因此,本文选取常见金属类材料(金、银、铜以及锌合金)作为传感器的膜片,另外使用了微栅碳支持膜作为声传感器的膜片材料,通过实验对比分析不同膜片材料对外界声波振动信号的线性响应度。
5 结束语
本文制作了5种不同材料的膜片式非本征F-P干涉声传感器,薄膜材料包含金、银、铜、锌合金和微栅碳支持膜。传感器的膜片有效直径都控制在2.5 mm。实验测得微栅碳支持膜一阶固有频率在16700 Hz左右,金、银、铜和锌合金薄膜制作的干涉声传感器一阶固有频率都在500 Hz左右。实验结果表明:由金、锌合金材料制作的传感器可探测的声压低于其余3种材料,即传感器灵敏度比较高。在500 Hz的一阶固有频率下通过有限元模拟计算可得金、银、铜的大概厚度,分别为0.7 μm、0.6 μm、0.4 μm。尝试使用微栅碳支持膜作为传感器的新型膜片材料,传感器驱动信号电压明显较高,但其一阶固有频率也相对较大,使得微栅碳支持膜在理论上具有更大的频响范围。以上5种材料所制作的传感器在实验中通过使用F-P腔光强度解调的方式测得传感器对外界声波振动信号具有良好的线性响应。此外,这些传感器的结构简单,成本低廉,在声波振动领域中有良好的应用潜力。