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摘 要：随着光纤传感技术的日趋成熟，人们的目光纷纷转向光纤传感器的研发。与电学传感器一样，光纤传感器可以探测到许多不同类型的物理信息。其中用于探测空气中声波的被称之为光纤麦克风。文章介绍的是膜片式非本征型法布里-帕罗（F-P）干涉仪光纤麦克风。该光纤麦克风以光为传播介质，在传输过程中不受电磁和电源波动等外界因素的干扰，在很多恶劣环境下均可使用，并且制造成本低，可复用，具有广阔的应用前景。
关键词：光纤麦克风;EFPI;紫外固化膜;反射光干涉
中图分类号：TN641;TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0039-04
Preparation and Acoustic Characteristic Test of Diaphragm Type
Interferometer Microphone
FAN Qingshan
（The University of Sheffield，Sheffield S10 2TN，UK）
Abstract：With the increasing maturity of optical fiber sensing technology，people’s eyes turn to the development of optical fiber sensors in succession. Like the electrical sensors，optical fiber sensors can detect many different types of physical information. The one that detects sound waves in the air is called a optical fiber microphone. What is introduced in the article is a diaphragm type extrinsic Fabry-Perot（F-P）interferometer optical fiber microphone. This optical fiber microphone uses light as the propagation medium，and will not be interfered by the external factors such as electromagnetic and power supply fluctuation during the transmission process. It can be used in many severe environments，and is low in production cost，can be reused，and has broad application prospects.
Keywords：optical fiber microphone;EFPI;UV cured film;reflected light interference
0 引 言
本文研究的是一種干涉式光纤麦克风，具体类型为膜片式EFPI光纤麦克风。膜片式FEPI光纤麦克风的制作过程有两个关键点：振动膜和光纤干涉解调系统。作为直接探测声音信号的膜片，其本身必须具备很强的敏感性才能制作出优良的光纤麦克风。然而，膜片的敏感度除了取决于材料，还取决于其面积、厚度、杨氏模量大小等指标[1]。近年来，科学家对膜片式EFPI光纤麦克风的研究大多从膜片的角度出发。2016年，华中科技大学以Liu为主的研究人员采用紫外固化胶为纤麦克风的敏感元件，该光纤麦克风的电压灵敏度为57.2 mV/Pa（1 kHz以下），信噪比为30 dB[2]。本文所论述的是光纤麦克风单元的研制，其主要包含三个步骤：
（1）掌握干涉式光纤传感器原理。
（2）研制干涉式光纤麦克风核心元件。
（3）光纤麦克风的封装设计及制作。
具体的实验过程为：
（1）文献调研检索，阅读并翻译有关光纤麦克风和相位载波（Professionally-Generated Content，PGC）信号处理技术的文献。
（2）制备出基于光纤干涉式传感原理的声敏感元件。
（3）使用声敏感元件完成光纤麦克风的结构设计和封装。
（4）分析该光纤麦克风的各类参数。
1 实验原理
1.1 F-P干涉仪原理
如图1所示，F-P干涉仪本质上是一个谐振腔，光波在里面反复反射，向外界提供光反馈，而F-P干涉仪则是由两块平行的平面玻璃板或石英板M和M’组成[3]。实验所用到的F-P干涉仪，其中的一块板固定，另外一块板可以移动，改变两块板之间的距离h后，干涉条纹将会有所变化[4]。
如图2所示，两个相邻的反射光和透射光都存在相同的光程差，相位差表达式为：
（1）
其中，ΔL为光程差，h为平行平板厚度，λ0为光在真空中的折射率，θ为折射角，n为平行平板折射率[5]。
反射光束和透射光束之间会相互干涉，当平行平板两面的反射涂层有相同的反射率R时，干涉强度表示为：
（1）反射光干涉强度：
（2）
（2）透射光干涉强度：
（3）
Ii为入射光强，可得Ir+It=1。
平行平板的反射率会直接影响干涉条纹的精细度，而条纹精细度可以描述干涉条纹明锐程度。现设平行平板的反射率为R1、R2，干涉条纹精细度为F，计算条纹精细度可利用式（4）： （4）
根据式（4）计算可得，当反射率R1=R2=0.04、0.10、0.50、0.90时，条纹精细度分别为F=0.65、1.10、4.44、29.80。所以反射率越高，干涉条纹明锐程度越好，当反射率很低时，多光束干涉变为双光束干涉[6]。
在光纤EFPI传感器中，光线垂直入射到光纤端面，可列公式：
（5）
（6）
1.2 膜片式EFPI光纤麦克风
膜片式EFPI光纤麦克风的关键器件EFPI如图3所示。
当光纤麦克风没有被施加外界声波压力时，光线1和光线2两束光两束反射光的光程差为ΔL=2nl，l为玻璃管的长度，n为空气折射率。当光纤麦克风被施加外界声波压力时，紫外固化膜将产生形变，转化为膜的振动幅值后影响这两束反射光的光程差以及反射光强度，改变干涉条纹。
2 实验过程及实验分析
2.1 膜片式EFPI光纤麦克风的制备
光纤麦克风的关键器件EFPI的制备如图4所示。
具体步骤为：
（1）折一段单模光纤，拨开两端的保护层并用光纤切割机切割端面，再折一段玻璃管，用刀片剥开一端的保护层并用光纤切割机切割端面。
（2）将跳线一端的保护层拨开并用光纤切割机切割端面，将单模光纤一端与跳线焊接，将单模光纤另一端与玻璃管切割后的端面焊接。
（3）用光纤切割机将多余的玻璃管切除，使端面平整。用显微镜观察单模光纤与玻璃管的接口，切割机刀片在指定长度处切割使表面平整，如图5所示。长度有50 μm、100 μm和200 μm三种。
（4）这段玻璃管即为F-P腔。将切割后的玻璃管-光纤样品放入光纤焊接机，接下来将另一段剥离保护层并切割了端面的单模光纤沾上紫外固化胶，固定在焊接机的另一端。利用焊接机观察并移动光纤，等光纤与样品触碰并观察到样品端面沾上紫外固化胶后，迅速分开。
（5）迅速用紫外光照射十分钟左右，以固定紫外固化膜。
最终制得的样品如图6所示。
2.2 膜片式EFPI光纤麦克风数据测量
2.2.1 静态实验装置测量
实验前先测单独的光纤耦合器的光谱仪对照图。样品和设备连接如图7所示，用光纤焊接机将跳线与光纤耦合器一端焊接在一起，将光纤耦合器另一端的两条线分别与光源和光谱仪相连。光源射出的光经过光纤耦合器到达样品，经过光纤端面后一部分光反射，一部分光透射到F-P腔，再经紫外固化膜反射回光纤，两束反射光相干叠加到光谱仪上呈现波形曲线得到光谱图，其中横坐标为波长，纵坐标为衰减值。
再利用静态实验装置检测样品静态下随外界压力变化而引起的光谱图的变化情况。如图7所示，固定样品，然后向烧杯中缓慢地加入水，此时光谱仪会持续检测实时光谱。水面刚刚触碰到紫外固化膜时，记录下一系列数据并观察光谱变化，然后持续加入水，观察光谱图变化，该实验一共测量了六组数据。
2.2.2 动态实验装置测量
如图9所示，样品连接光纤耦合器一端，光纤耦合器另外两端分别与激光光源及光电探测器相连，光电探测器再连接到示波器。声波发生器连接一个喇叭，将喇叭和样品都固定后，喇叭发声口对准紫外固化膜一端。此实验需要在十分安静的环境中进行，以免杂音影响实验精准度。
动态实验中观察了改变两个不同变量导致示波器波形变化的情况，一个是控制声波频率不变，逐渐增大电压;另一个是控制电压不变，逐渐增大声波频率。其间观察示波器波形的变化及规律。
2.3 实验结果及分析
2.3.1 静态光谱图
光源的光入射到光纤端面和紫外固化膜上时，经过反射会有一定量的衰减，将反射光干涉接到光谱仪上可以观察到这个衰减值（即为初始光源光强减去衰减后的反射光光强）。管沟一显示如图10所示。
光谱图的衰减幅值差越大，说明样品性能越优异。经测量，在50 μm F-P腔的样品、100 μm F-P腔的样品和200 μm F-P腔的样品中，100 μm F-P腔的样品幅值差超过了10 db，所以以此样品作为实验最终样品。
然后测量在传感器受外界压力变化而引起相应变化的样品衰减幅值差。共有6组测量数据，分别是刚触碰到水面、浸入水面10 mm、浸入水面15 mm、浸入水面20 mm、浸入水面30 mm和浸入水面40 mm。通过测量可以得出结论，浸入水中距离越大，衰减幅值差越小。
2.3.2 动态實验结果及分析
2.3.2.1 在频率不变的情况下改变电压
在常温常压下，将信号发生器的频率固定在200 Hz，通过调节信号发生器的输出电压，实现不同驱动电压下输出不同声强（即声波压力）的目的。示波器检测如图11所示。
声波信号发生器向扬声器发出电压信号，扬声器接收电压信号后激励膜片振动产生声音信号。产生的声音信号由F-P传感器接收，并经过光电探测器转换成电压信号，电压信号再通过信号发生器实时显示到示波器显示界面上。通过外接数据采集卡和上位机实现实时数据采集和分析。
声波信号发生器发出的电压信号将控制扬声器发出不同强度的声音信号。扬声器的输入电压随着信号发生器驱动电压的增大而提高，扬声器发出的声波强度也随之不断增强。同时，F-P传感器还会探测声波压力信号。端面膜片接收声波压力信号后发生形变，从而导致F-P腔的腔长发生变化，腔长变化导致从光纤端面和紫外固化膜内层反射回来的两束光的光程差发生变化。光程差变化进一步导致了反射回来的信号光强发生变化，反射光谱发生漂移，这种变化经过光电探测器后变为电压信号的变化反映到示波器上。 随着声波强度的增大，传感器得到的电压信号不断增大，同时，整体噪声水平也有一定程度的提高。
2.3.2.2 在电压不变的情况下改变频率
将声波信号发生器输出电压设为20 V，测试不同频率处由麦克风传出的信号值。分别测试了100 Hz，200 Hz，300 Hz，400 Hz，500 Hz，600 Hz，800 Hz，1 000 Hz等频率处的时域响应。从中可以看出，麦克风对不同频率的声波响应灵敏度是不同的，观察到在频率为200 Hz附近时，其响应达到了一个极大值，为5.56 mV，即所获得灵敏度为223 mV/V。此时的频率成为自振频率，在这个频率下，膜片接收到压力时变形最大。这对于膜片式EFPI光纤麦克风的研制具有重大意义，因为膜片受到的压力过大时，可能会造成灵敏度变小甚至膜片破裂的现象。
3 结 论
本文详细介绍了膜片式EFPI光纤麦克风的工作机理，包括F-P干涉仪的工作原理、膜片形变原理、解调方法等。实验过程中，尝试选用F-P腔长不同的三种样品并观察这三种样品的光谱图，选取一个衰减幅值相差最大的样品作为实验最终样品，并采取动态实验法，用声波信号发生器等装置获得响应电压和声音信号的关系，还得到了该样品灵敏度最高时的频率值。
参考文献：
[1] LIMA S E U，FRAZAO O，ARAUJO F M，et al. Fibre Fabry-Perot sensor for acoustic detection [C]//19th International Conference on Optical Fibre Sensors.Perth，International Society for Optics and Photonics，2008.
[2] 高椿明，聶峰，张萍，等.光纤声传感器综述 [J].光电工程，2018，45（9）：116-125.
[3] 程进，冯杰，赵龙江，等.FP干涉仪式光纤传声器数学模型 [J].电声技术，2013，37（12）：31-34.
[4] 李高林，古仕林，李翔，等.抗干扰微光机电麦克风 [J].物联网技术，2017，7（3）：10-11.
[5] 刘加萍.新型非本征光纤珐珀传感器的传感特性研究 [D].马鞍山：安徽工业大学，2018.
[6] 孙浩.基于相位调制的干涉型光纤传感器研究 [D].西安：西北大学，2016.
作者简介：范青山（1998.02—），女，汉族，广东乐昌人，硕士研究生在读，研究方向：半导体器件。
关键词：光纤麦克风;EFPI;紫外固化膜;反射光干涉
中图分类号：TN641;TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0039-04
Preparation and Acoustic Characteristic Test of Diaphragm Type
Interferometer Microphone
FAN Qingshan
（The University of Sheffield，Sheffield S10 2TN，UK）
Abstract：With the increasing maturity of optical fiber sensing technology，people’s eyes turn to the development of optical fiber sensors in succession. Like the electrical sensors，optical fiber sensors can detect many different types of physical information. The one that detects sound waves in the air is called a optical fiber microphone. What is introduced in the article is a diaphragm type extrinsic Fabry-Perot（F-P）interferometer optical fiber microphone. This optical fiber microphone uses light as the propagation medium，and will not be interfered by the external factors such as electromagnetic and power supply fluctuation during the transmission process. It can be used in many severe environments，and is low in production cost，can be reused，and has broad application prospects.
Keywords：optical fiber microphone;EFPI;UV cured film;reflected light interference
0 引 言
本文研究的是一種干涉式光纤麦克风，具体类型为膜片式EFPI光纤麦克风。膜片式FEPI光纤麦克风的制作过程有两个关键点：振动膜和光纤干涉解调系统。作为直接探测声音信号的膜片，其本身必须具备很强的敏感性才能制作出优良的光纤麦克风。然而，膜片的敏感度除了取决于材料，还取决于其面积、厚度、杨氏模量大小等指标[1]。近年来，科学家对膜片式EFPI光纤麦克风的研究大多从膜片的角度出发。2016年，华中科技大学以Liu为主的研究人员采用紫外固化胶为纤麦克风的敏感元件，该光纤麦克风的电压灵敏度为57.2 mV/Pa（1 kHz以下），信噪比为30 dB[2]。本文所论述的是光纤麦克风单元的研制，其主要包含三个步骤：
（1）掌握干涉式光纤传感器原理。
（2）研制干涉式光纤麦克风核心元件。
（3）光纤麦克风的封装设计及制作。
具体的实验过程为：
（1）文献调研检索，阅读并翻译有关光纤麦克风和相位载波（Professionally-Generated Content，PGC）信号处理技术的文献。
（2）制备出基于光纤干涉式传感原理的声敏感元件。
（3）使用声敏感元件完成光纤麦克风的结构设计和封装。
（4）分析该光纤麦克风的各类参数。
1 实验原理
1.1 F-P干涉仪原理
如图1所示，F-P干涉仪本质上是一个谐振腔，光波在里面反复反射，向外界提供光反馈，而F-P干涉仪则是由两块平行的平面玻璃板或石英板M和M’组成[3]。实验所用到的F-P干涉仪，其中的一块板固定，另外一块板可以移动，改变两块板之间的距离h后，干涉条纹将会有所变化[4]。
如图2所示，两个相邻的反射光和透射光都存在相同的光程差，相位差表达式为：
（1）
其中，ΔL为光程差，h为平行平板厚度，λ0为光在真空中的折射率，θ为折射角，n为平行平板折射率[5]。
反射光束和透射光束之间会相互干涉，当平行平板两面的反射涂层有相同的反射率R时，干涉强度表示为：
（1）反射光干涉强度：
（2）
（2）透射光干涉强度：
（3）
Ii为入射光强，可得Ir+It=1。
平行平板的反射率会直接影响干涉条纹的精细度，而条纹精细度可以描述干涉条纹明锐程度。现设平行平板的反射率为R1、R2，干涉条纹精细度为F，计算条纹精细度可利用式（4）： （4）
根据式（4）计算可得，当反射率R1=R2=0.04、0.10、0.50、0.90时，条纹精细度分别为F=0.65、1.10、4.44、29.80。所以反射率越高，干涉条纹明锐程度越好，当反射率很低时，多光束干涉变为双光束干涉[6]。
在光纤EFPI传感器中，光线垂直入射到光纤端面，可列公式：
（5）
（6）
1.2 膜片式EFPI光纤麦克风
膜片式EFPI光纤麦克风的关键器件EFPI如图3所示。
当光纤麦克风没有被施加外界声波压力时，光线1和光线2两束光两束反射光的光程差为ΔL=2nl，l为玻璃管的长度，n为空气折射率。当光纤麦克风被施加外界声波压力时，紫外固化膜将产生形变，转化为膜的振动幅值后影响这两束反射光的光程差以及反射光强度，改变干涉条纹。
2 实验过程及实验分析
2.1 膜片式EFPI光纤麦克风的制备
光纤麦克风的关键器件EFPI的制备如图4所示。
具体步骤为：
（1）折一段单模光纤，拨开两端的保护层并用光纤切割机切割端面，再折一段玻璃管，用刀片剥开一端的保护层并用光纤切割机切割端面。
（2）将跳线一端的保护层拨开并用光纤切割机切割端面，将单模光纤一端与跳线焊接，将单模光纤另一端与玻璃管切割后的端面焊接。
（3）用光纤切割机将多余的玻璃管切除，使端面平整。用显微镜观察单模光纤与玻璃管的接口，切割机刀片在指定长度处切割使表面平整，如图5所示。长度有50 μm、100 μm和200 μm三种。
（4）这段玻璃管即为F-P腔。将切割后的玻璃管-光纤样品放入光纤焊接机，接下来将另一段剥离保护层并切割了端面的单模光纤沾上紫外固化胶，固定在焊接机的另一端。利用焊接机观察并移动光纤，等光纤与样品触碰并观察到样品端面沾上紫外固化胶后，迅速分开。
（5）迅速用紫外光照射十分钟左右，以固定紫外固化膜。
最终制得的样品如图6所示。
2.2 膜片式EFPI光纤麦克风数据测量
2.2.1 静态实验装置测量
实验前先测单独的光纤耦合器的光谱仪对照图。样品和设备连接如图7所示，用光纤焊接机将跳线与光纤耦合器一端焊接在一起，将光纤耦合器另一端的两条线分别与光源和光谱仪相连。光源射出的光经过光纤耦合器到达样品，经过光纤端面后一部分光反射，一部分光透射到F-P腔，再经紫外固化膜反射回光纤，两束反射光相干叠加到光谱仪上呈现波形曲线得到光谱图，其中横坐标为波长，纵坐标为衰减值。
再利用静态实验装置检测样品静态下随外界压力变化而引起的光谱图的变化情况。如图7所示，固定样品，然后向烧杯中缓慢地加入水，此时光谱仪会持续检测实时光谱。水面刚刚触碰到紫外固化膜时，记录下一系列数据并观察光谱变化，然后持续加入水，观察光谱图变化，该实验一共测量了六组数据。
2.2.2 动态实验装置测量
如图9所示，样品连接光纤耦合器一端，光纤耦合器另外两端分别与激光光源及光电探测器相连，光电探测器再连接到示波器。声波发生器连接一个喇叭，将喇叭和样品都固定后，喇叭发声口对准紫外固化膜一端。此实验需要在十分安静的环境中进行，以免杂音影响实验精准度。
动态实验中观察了改变两个不同变量导致示波器波形变化的情况，一个是控制声波频率不变，逐渐增大电压;另一个是控制电压不变，逐渐增大声波频率。其间观察示波器波形的变化及规律。
2.3 实验结果及分析
2.3.1 静态光谱图
光源的光入射到光纤端面和紫外固化膜上时，经过反射会有一定量的衰减，将反射光干涉接到光谱仪上可以观察到这个衰减值（即为初始光源光强减去衰减后的反射光光强）。管沟一显示如图10所示。
光谱图的衰减幅值差越大，说明样品性能越优异。经测量，在50 μm F-P腔的样品、100 μm F-P腔的样品和200 μm F-P腔的样品中，100 μm F-P腔的样品幅值差超过了10 db，所以以此样品作为实验最终样品。
然后测量在传感器受外界压力变化而引起相应变化的样品衰减幅值差。共有6组测量数据，分别是刚触碰到水面、浸入水面10 mm、浸入水面15 mm、浸入水面20 mm、浸入水面30 mm和浸入水面40 mm。通过测量可以得出结论，浸入水中距离越大，衰减幅值差越小。
2.3.2 动态實验结果及分析
2.3.2.1 在频率不变的情况下改变电压
在常温常压下，将信号发生器的频率固定在200 Hz，通过调节信号发生器的输出电压，实现不同驱动电压下输出不同声强（即声波压力）的目的。示波器检测如图11所示。
声波信号发生器向扬声器发出电压信号，扬声器接收电压信号后激励膜片振动产生声音信号。产生的声音信号由F-P传感器接收，并经过光电探测器转换成电压信号，电压信号再通过信号发生器实时显示到示波器显示界面上。通过外接数据采集卡和上位机实现实时数据采集和分析。
声波信号发生器发出的电压信号将控制扬声器发出不同强度的声音信号。扬声器的输入电压随着信号发生器驱动电压的增大而提高，扬声器发出的声波强度也随之不断增强。同时，F-P传感器还会探测声波压力信号。端面膜片接收声波压力信号后发生形变，从而导致F-P腔的腔长发生变化，腔长变化导致从光纤端面和紫外固化膜内层反射回来的两束光的光程差发生变化。光程差变化进一步导致了反射回来的信号光强发生变化，反射光谱发生漂移，这种变化经过光电探测器后变为电压信号的变化反映到示波器上。 随着声波强度的增大，传感器得到的电压信号不断增大，同时，整体噪声水平也有一定程度的提高。
2.3.2.2 在电压不变的情况下改变频率
将声波信号发生器输出电压设为20 V，测试不同频率处由麦克风传出的信号值。分别测试了100 Hz，200 Hz，300 Hz，400 Hz，500 Hz，600 Hz，800 Hz，1 000 Hz等频率处的时域响应。从中可以看出，麦克风对不同频率的声波响应灵敏度是不同的，观察到在频率为200 Hz附近时，其响应达到了一个极大值，为5.56 mV，即所获得灵敏度为223 mV/V。此时的频率成为自振频率，在这个频率下，膜片接收到压力时变形最大。这对于膜片式EFPI光纤麦克风的研制具有重大意义，因为膜片受到的压力过大时，可能会造成灵敏度变小甚至膜片破裂的现象。
3 结 论
本文详细介绍了膜片式EFPI光纤麦克风的工作机理，包括F-P干涉仪的工作原理、膜片形变原理、解调方法等。实验过程中，尝试选用F-P腔长不同的三种样品并观察这三种样品的光谱图，选取一个衰减幅值相差最大的样品作为实验最终样品，并采取动态实验法，用声波信号发生器等装置获得响应电压和声音信号的关系，还得到了该样品灵敏度最高时的频率值。
参考文献：
[1] LIMA S E U，FRAZAO O，ARAUJO F M，et al. Fibre Fabry-Perot sensor for acoustic detection [C]//19th International Conference on Optical Fibre Sensors.Perth，International Society for Optics and Photonics，2008.
[2] 高椿明，聶峰，张萍，等.光纤声传感器综述 [J].光电工程，2018，45（9）：116-125.
[3] 程进，冯杰，赵龙江，等.FP干涉仪式光纤传声器数学模型 [J].电声技术，2013，37（12）：31-34.
[4] 李高林，古仕林，李翔，等.抗干扰微光机电麦克风 [J].物联网技术，2017，7（3）：10-11.
[5] 刘加萍.新型非本征光纤珐珀传感器的传感特性研究 [D].马鞍山：安徽工业大学，2018.
[6] 孙浩.基于相位调制的干涉型光纤传感器研究 [D].西安：西北大学，2016.
作者简介：范青山（1998.02—），女，汉族，广东乐昌人，硕士研究生在读，研究方向：半导体器件。