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0431-81702023
光学工程
基于强度型光纤传感器的声波隔体探测关键技术研究

摘要 利用反射式强度调制型光纤传感器进行间隔固体介质的声波隔体探测,研制了光纤传感声探测装置,重点从光强调制、振动提取和拾振耦合三个方面研究了在声波隔体探测过程中的振动传递机理,对振动传递过程进行了分析研究,从理论上建立了固体介质、探测拾振装置和光纤敏感单元三者的振动传递数学模型。在此基础上设计实现了光纤声传感系统,并给出了声波隔体探测的实验方法。其结果表明,在5cm 厚木板、5cm 厚水泥预制板、12cm厚砖墙、10cm 厚水泥预制板的测试条件下,此系统对频率为1kHz,声级(SPL)为94dB的标准声信号的探测失真度均小于8%。

关键词 探测器;强度调制型光纤传感器;数学模型;声波探测

1 引 言

      反射式强度调制型光纤传感器是一种基础的光纤传感器类型,在光纤传感领域有着十分重要的地位。它通过反射面的位置改变来调制光纤接收的光强度,从而实现位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度等多种物理量的测量[1]。截止目前,关于反射式强度调制型光纤传感器的研究和应用非常广泛,国内外均有其实际应用成果的相关报道[2~5],其中以位移测量等传统应用为主。

      声波探测,特别是间隔固体介质进行声波探测,在勘探、建筑、医疗、精密机械及灾害预防等许多领域,具有重要的应用价值。现有的声波探测传感器大多采用电学式,由振动引起电荷、电压或电流的变化实现测量,这类传感器不适合易燃易爆、强电磁干扰等 测 量 环 境 严 苛 的 领 域。光 纤 声 波 探 测 传 感器[6~7]具有抗电磁干扰、耐腐蚀和灵敏度高等许多优势,能够满足恶劣条件下的测量要求。

     反射式强度型光纤传感器应用于声波探测,具有结构紧凑、设计灵活、成本较低以及环境适应性强的独特优点,因此引起人们的重视。目前,此类传感器在空气介质中的声波探测领域,已有相关的实验研究及应用,其中一种典型实例为光纤麦克风[8],已达到成品应用水平。但反射式强度型光纤传感器用于间隔固体介质进行声波探测,因其振动作用形式和探测机理不同,且振动传递过程更为复杂[9~13],而亟待深入研究和探索原理。本文设计了一种基于反射式强度调制型光纤传感原理的声探测传感器,针对间隔固体介质的另一侧声振动探测的关键技术进行了深入研究,设计了振动拾取装置,并给出系统传递函数,实现了声波的隔体探测。

 2 系统原理及数学模型

      如图1所示为光纤振动传感器用于隔体声音探测的原理图。固体介质一侧的声波将引起介质的微小振动[14],振动波透过介质传播到另一侧,并引起介质表面的振动,振动拾取单元通过与光纤传感单元的有效配合,将振动反映为光纤单元敏感反射面的位置变化,进而调制接收光纤中的光强度,最终由光电转换及信号处理电路复原声音,实现了声音的隔体探测。

      如图1所示,传感器系统主要包括电路部分、传输光纤与传感探头部分,其中传感探头部分是系统完成隔体声波探测的设计重点,它分为光纤传感单元和振动拾取单元,并需要二者有效结合。

      光纤传感单元基于反射式强度调制型光纤振动传感器原理,此类传感器主要由光源、发射光纤、反射面、接收光纤及光电转换电路五部分组成,如图2(a)所示。光源发出功率为P0 的光经发射光纤投射在敏感振动的反射面上,反射光进入接收光纤输出到光电探测器。当反射面相对光纤端面的距离d发生微小改变时,反射回接收光纤的光强相应发生变化,在其他参数不变的情况下,探测器接收到的光功率 Pr 取决于距离d,即Pr受d的调制,Pr=Mo(d)。Mo 为光纤传感器的光强调制函数,根据参考文献[15]对反射式光纤传感器模型的分析及推导,可知:

     

      在隔体声音探测系统中,与光纤传感单元相结合,使其适用于隔体声音探测的振动拾取单元结构如图3(a)所示,其动力学等效模型如图3(b)所示。拾振单元外壳拾取振动信号后,传导到与其壳体相 连接的弹性薄板结构,将弹性结构等效为弹簧,下端附加一质量块 M,用于调节系统频响及增大振动幅度,P为周围空气对质量块的阻尼。

 

 

3 实验研究及结果

      该系统采用带尾纤的850nm 半导体 LED 光源,输出功率200mW。发射与接收光纤均为大芯径多模光纤,光纤出射端与轴线夹角为60°,反射面为高反射率金属薄膜。探头拾振结构材质为 ABS工程塑料合金(密 度 1.13g/cm3),外 观 尺 寸 直 径5cm,外 壳 壁 厚 4 mm,质 量 块 尺 寸 3.4cm× 9mm,弹性薄板厚0.75mm。

      在非探测面对声源的隔声量远大于探测面的条件下,进行了系统的隔体声音探测实验,实验装置如图5所示。实验中采用 AWA6122电声测试仪的仿真嘴作为待测的标准声源,其激励信号由电声测试仪主机给出。仿真嘴放置在固体介质一侧,固体介质将传感探头与声源隔音分离,以尽量减小声音信号的泄露干扰。实验时,标定声源发声到达固体介质表面时声压级(SPL)为94dB。探测系统的传感探头固定在固体介质板的另一侧,并且与电路相连接,最终输出的信号进入电声测试仪和失真度测试仪,以检测探测失真度指标。

     实验用 固 体 介 质 隔 板 平 面 尺 寸 均 为 60cm× 60cm,固 体 介 质 分 别 为 5 cm 厚 木 板 (密 度0.69g/cm3 )、5 cm 厚 水 泥 预 制 板 (平 均 密 度2.45g/cm3)、12cm厚砖墙(平均密度2g/cm3)、10cm厚水泥预制板的系统失真度实验结果如图6所示。

     在声波探测中,传感器的频率特性同样是非常重要的性能指标,图7给出的在94dBSPL 标准声信号扫频输入情况下系统光纤敏感探头频率响应曲线,由图可知该声波隔体探测器对频率集中在300~3000Hz的声音振动信号有较为平坦的系统响应。

4 结 论

       基于反射式强度调制型光纤振动传感器进行隔体声波探测,设计实现了声波探测样机,从光强调制、振动拾取等方面分析了此隔体探测系统的声波探测原理,从理论上建立了待测声波通过传感系统的振动传递数学模型,为声波的隔体探测提供了理论依据,同时阐述了该系统用于声波探测的方法。实验结果表明,在 5cm 厚木板、5cm 厚水泥预制板、12cm 厚砖墙、10cm 厚水泥预制板的测试条件下,此系统对频率为1kHz,声级(SPL)为94dB的标准声信号的探测失真度均小于8%,由此得出此基于反射式强度调制型光纤振动传感器的声波隔体探测系 统 所 测 得 的 声 波 信 号 可 以 在 工 程 实 际 中使用。

 


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