實驗名稱：超聲傳感(gan)性能研究

　　測試目的：

　　光(guang)纖(xian)(xian)馬赫-曾(ceng)德爾干涉儀是一種(zhong)靈敏度高(gao)、結構(gou)(gou)(gou)靈活的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)結構(gou)(gou)(gou)。當在MZI上施加(jia)超聲(sheng)波信號時，會影響(xiang)所(suo)涉及的(de)(de)(de)(de)干涉光(guang)之間的(de)(de)(de)(de)光(guang)程差，并導致干涉光(guang)譜的(de)(de)(de)(de)漂(piao)移。由(you)于模(mo)式耦合(he)(he)是基于MZI的(de)(de)(de)(de)光(guang)纖(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器的(de)(de)(de)(de)關鍵元件，因此產生了各種(zhong)光(guang)纖(xian)(xian)耦合(he)(he)技(ji)術，如光(guang)纖(xian)(xian)錐、多(duo)(duo)模(mo)光(guang)纖(xian)(xian)和錯(cuo)位(wei)熔(rong)接(jie)(jie)。單(dan)模(mo)-多(duo)(duo)模(mo)-單(dan)模(mo)光(guang)纖(xian)(xian)結構(gou)(gou)(gou)是應用最廣泛的(de)(de)(de)(de)一種(zhong)兼具強模(mo)式耦合(he)(he)機(ji)制(zhi)(zhi)和高(gao)環境參數感(gan)(gan)(gan)知的(de)(de)(de)(de)光(guang)纖(xian)(xian)馬赫-曾(ceng)德爾干涉儀。目前已經研(yan)制(zhi)(zhi)了多(duo)(duo)種(zhong)SMS光(guang)纖(xian)(xian)結構(gou)(gou)(gou)，如直(zhi)接(jie)(jie)熔(rong)接(jie)(jie)、錯(cuo)位(wei)熔(rong)接(jie)(jie)、錐形熔(rong)接(jie)(jie)、與光(guang)纖(xian)(xian)布(bu)拉(la)格光(guang)柵級聯等(deng)。SMS光(guang)纖(xian)(xian)結構(gou)(gou)(gou)已成功應用于光(guang)纖(xian)(xian)濾波器、折(zhe)射率和濕度傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)，但其在超聲(sheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)方面的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)鮮有報道。本章(zhang)提出(chu)了一種(zhong)基于SMF-粗錐(Bitaper)-MMF-Bitaper-SMF光(guang)纖(xian)(xian)結構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器。通過在SMF和MMF連接(jie)(jie)處熔(rong)接(jie)(jie)兩(liang)個(ge)Bitaper，該傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器結構(gou)(gou)(gou)堅固，有效利(li)用SMS光(guang)纖(xian)(xian)結構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)高(gao)靈敏度和高(gao)耐受性，實現(xian)了多(duo)(duo)方向(xiang)的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)探測。

　　測試設備：ATA-2021B高壓放大器(qi)、信號發生器(qi)、PZT、數字(zi)示波器(qi)、傳感器(qi)等。

　　實驗過程：

　　圖1：不(bu)同方向(xiang)超聲波作用傳感器示意圖

　　圖(tu)(tu)(tu)1為(wei)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)在不同方(fang)向(xiang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)作(zuo)(zuo)用的(de)(de)示(shi)意圖(tu)(tu)(tu)。當(dang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)從(cong)A或(huo)者F方(fang)向(xiang)作(zuo)(zuo)用傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)時(shi)，①處(chu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)，②處(chu)拉伸(shen)(shen)；當(dang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)從(cong)C或(huo)者D方(fang)向(xiang)作(zuo)(zuo)用傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)時(shi)，①處(chu)拉伸(shen)(shen)，②處(chu)收(shou)(shou)(shou)縮(suo)；當(dang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)從(cong)B作(zuo)(zuo)用傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)時(shi)，①處(chu)和②處(chu)上側收(shou)(shou)(shou)縮(suo)，下側拉伸(shen)(shen)；當(dang)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)從(cong)E作(zuo)(zuo)用傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)時(shi)，①處(chu)和②處(chu)上側拉伸(shen)(shen)，下側收(shou)(shou)(shou)縮(suo)；利(li)用有(you)限元軟件(jian)對(dui)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)進(jin)行聲(sheng)(sheng)(sheng)學(xue)仿真，以(yi)模擬該超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)性能，相應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)模擬結(jie)(jie)果分(fen)別如(ru)圖(tu)(tu)(tu)2(a)、(b)和(c)所示(shi)。圖(tu)(tu)(tu)2(a)為(wei)球形總聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)場的(de)(de)XZ截(jie)面圖(tu)(tu)(tu)，可以(yi)很明顯看出(chu)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)是(shi)從(cong)哪個(ge)方(fang)向(xiang)入(ru)射(she)(she)到(dao)域內(nei)。圖(tu)(tu)(tu)2(b)為(wei)該傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)結(jie)(jie)構對(dui)應(ying)(ying)(ying)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力圖(tu)(tu)(tu)，由于兩端單模被固定，中間(jian)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)光纖部分(fen)受(shou)到(dao)一定的(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力，為(wei)在1pa左(zuo)右，對(dui)應(ying)(ying)(ying)入(ru)射(she)(she)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)信(xin)號的(de)(de)壓(ya)力幅值。圖(tu)(tu)(tu)2(c)為(wei)球形聲(sheng)(sheng)(sheng)場的(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)級(ji)以(yi)及(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)對(dui)應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)位移(yi)(yi)(yi)圖(tu)(tu)(tu)，結(jie)(jie)果顯示(shi)在Bitaper處(chu)位移(yi)(yi)(yi)較大，最大位移(yi)(yi)(yi)約為(wei)8×10的(de)(de)-8立方(fang)mm。Bitaper部分(fen)還具有(you)集中的(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)級(ji)，聲(sheng)(sheng)(sheng)壓(ya)級(ji)最大可達(da)120dB，這說明Bitaper更容易探(tan)測(ce)到(dao)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號。當(dang)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)結(jie)(jie)構接收(shou)(shou)(shou)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)號時(shi)，Bitaper的(de)(de)形變會影響到(dao)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)長度L的(de)(de)變化(hua)(hua)以(yi)及(ji)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)模式的(de)(de)有(you)效(xiao)折射(she)(she)率(lv)的(de)(de)變化(hua)(hua)，從(cong)而檢測(ce)輸(shu)出(chu)光譜的(de)(de)變化(hua)(hua)。

　　圖2：傳感器的超聲(sheng)場仿真：(a)總聲(sheng)壓場；(b)應力；(c)聲(sheng)壓級(ji)和位移(yi)

　　實(shi)(shi)驗(yan)所(suo)建立(li)的(de)水下光纖超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探(tan)測(ce)系(xi)統如圖3所(suo)示，系(xi)統主要包括超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)產生和超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)檢測(ce)兩部分(fen)(fen)。超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)產生系(xi)統由信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生器(qi)(qi)、高(gao)壓(ya)(ya)(ya)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)和PZT組成。PZT由峰(feng)值電(dian)壓(ya)(ya)(ya)為(wei)20V的(de)信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生器(qi)(qi)和最高(gao)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)為(wei)200Vp-p的(de)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(ATA-2021B)驅動，提供正弦脈(mo)沖超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)。超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)檢測(ce)系(xi)統由可調諧激(ji)光器(qi)(qi)、傳(chuan)感器(qi)(qi)、光電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)(qi)和數(shu)字示波(bo)器(qi)(qi)組成。TSL-710的(de)波(bo)長帶(dai)寬為(wei)160nm，線寬為(wei)100kHz，分(fen)(fen)辨(bian)率為(wei)0.1pm。采用(yong)水下環(huan)境下的(de)方法對超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)(xin)號(hao)進行檢測(ce)，以(yi)降低(di)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)播損(sun)失，增(zeng)強超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)信(xin)(xin)號(hao)與傳(chuan)感器(qi)(qi)的(de)耦合性。在實(shi)(shi)驗(yan)中，PZT與傳(chuan)感器(qi)(qi)分(fen)(fen)別浸入(ru)水箱(xiang)中，間隔2cm，水平放(fang)(fang)置(zhi)后固定。水箱(xiang)的(de)尺寸(cun)為(wei)45cm(長)*15cm(寬)*10cm(高(gao))。當超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)作用(yong)于(yu)傳(chuan)感器(qi)(qi)時，導致反(fan)射譜漂移。利用(yong)邊帶(dai)濾波(bo)解調技術，將譜移轉(zhuan)換為(wei)光強變化，并通過光電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)(qi)轉(zhuan)換為(wei)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)(xin)號(hao)輸出至(zhi)示波(bo)器(qi)(qi)顯示。為(wei)獲得最佳(jia)的(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)響應，將輸出光束的(de)檢測(ce)波(bo)長設置(zhi)在干涉光譜的(de)3dB處。

　　圖(tu)3：光纖超聲檢測(ce)系統(tong)原理圖(tu)

　　實驗結果：

　　圖4：(a)傳感器在110kHz脈沖超(chao)聲信號(hao)的時域(yu)響應；(b)FFT變換后的頻譜(pu)

　　實驗(yan)研究了MMF長度為2cm的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)110kHz脈沖正弦信號(hao)的(de)響應，結果如圖(tu)4(a)所示，可見(jian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)成功檢測了超聲(sheng)信號(hao)。傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)實時(shi)響應平滑，絕對(dui)電(dian)壓(ya)約為0.013V，信噪比為21dB。空間頻(pin)率是一個(ge)光場信號(hao)在(zai)單位時(shi)間內周(zhou)期(qi)性重復的(de)次(ci)數。對(dui)圖(tu)4(a)進行FFT變(bian)化得到傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)頻(pin)譜(pu)，如圖(tu)4(b)所示，可見(jian)頻(pin)譜(pu)的(de)中心頻(pin)率為110kHz，與超聲(sheng)信號(hao)發(fa)射頻(pin)率吻合較好。

　　高壓放大(da)器推薦：ATA-2021B

　　圖：ATA-2021B高壓放大器指標參數

　　本資料由Aigtek安(an)泰電子整(zheng)理(li)發布(bu)，更多(duo)(duo)案例及產品(pin)詳(xiang)情請持續關注(zhu)我們。西安(an)安(an)泰電子Aigtek已經(jing)成為在業界擁有廣泛產品(pin)線，且具有相(xiang)當(dang)規模的儀器(qi)設備供應商，樣機都支持免費(fei)試用。如(ru)想了解更多(duo)(duo)功率(lv)放大(da)器(qi)等產品(pin)，請持續關注(zhu)安(an)泰電子官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。