论文部分内容阅读
光纤振动传感器在结构健康检测、设备安全监测及安防周界入侵等领域发挥了重要的作用。其中光纤声传感器如,光纤麦克风、光纤地听器和光纤水听器等作为成熟的商用及军用产品逐渐走入人们的视野。针对振动传感器的宽频带、高灵敏度及易封装等要求,本论文采用了极大倾角光纤光栅（Ex TFG）及微纳光纤干涉仪两种特种光纤结构,分别制备了两类振动传感器,一类是光纤机械波振动传感器,即基于固支梁结构的宽频带Ex TFG振动传感器和基于微纳光纤色散拐点附近的高响应振动传感器,另一类是光纤声波传感器,即基于膜片式结构的微纳光纤声波振动传感器。本文的研究内容具体如下:（1）针对常见机械振动传感器响应范围较窄的问题,提出并制作了一种固支梁结构的反射式极大倾角光纤光栅宽带振动传感器。并通过光纤固支梁的设计大大提高了传感器的谐振频率;同时,为了使传感器更加紧凑,将Ex TFG的端面切平并镀银形成反射式结构。该传感器的性能如下:在S/P偏振下反射式Ex TFG的轴向应变灵敏度分别为-2.57 pm/με和-1.6 pm/με。该传感器的一阶谐振频率为1900 Hz,频率响应平坦区域为100～800 Hz,S/P偏振模式在平坦区域的最大加速度灵敏度分别为38.79m V/g和31.43 m V/g（800 Hz）。此外,该传感器可以检测100-10000 Hz的振动频率,在1900 Hz时最高信噪比为55.1 d B。（2）受到微纳光纤干涉在色散拐点附近能实现超高灵敏度的启发,提出了一种用于微振动和加速度检测的超高灵敏度双模干涉色散拐点（DTP）微纳光纤传感器。通过数值模拟计算了微纳光纤的模式有效折射率、群模式有效折射率差、干涉光谱和轴向应变敏感度。在1500 nm附近,当微纳光纤直径接近2.2μm时,轴向应变敏感度达到最大,大于2.5μm时保持稳定;结合电极放电和火焰熔锥法制备了DTP微纳光纤（直径～2.2μm）。实验结果表明:直径为～2.2μm的DTP微纳光纤的最大轴向应变灵敏度达到-45.55 pm/με,是直径为2.5-10μm微纳光纤的～12.5倍。之后,将DTP微纳光纤封装在矩形通孔悬臂梁中进行了振动传感实验。实验结果表明,双模干涉DTP微纳光纤振动传感器可用于监测30-3500 Hz的振动信号,在较小的加速度（0.1 g）下,传感器在52 Hz时的最大SNR可达75 d B。该传感器在45 Hz时的加速度灵敏度可达0.764 V/g。（3）基于微纳光纤的大倏逝场特性及膜片材料对倏逝场的耦合/吸收特性,制作了基于膜片结构的微纳光纤声波传感器。选用直径为30 mm,厚度100μm的聚酰亚胺薄膜作为振动膜片,将微纳光纤最细的腰区通过范德华力贴在膜片表面实现传感器的封装。在膜片上表面处为85 d B的声压级下,实现了对60-1000 Hz声波信号的检测。在200 Hz,300 Hz和400 Hz的声压灵敏度分别为33.6 m V/Pa,44.4 m V/Pa和27.1 m V/Pa;之后利用拍频信号产生可不同频率的次声和低频信号,通过拟合时域响应信号进行包络即可实现1 Hz,5 Hz,10 Hz,20 Hz,50 Hz差频信号的还原。最后,通过实验分析的到该声波传感器的方向响应特性验证了传感器在324°-36°,144°-216°的角度范围内具有较高的响应,且垂于于膜片方向的响应最大。所制作的声波传感器不仅可用于声波频率及声压大小的检测,还可以应用于声波方位的检测。