【摘 要】
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声波传感技术在很多行业中有着十分重要的作用,例如在电力行业中,常用于变压器的绝缘油产生的气体由于光声效应产生的声波信号的检测,从而检测和判断变压器存在的故障种类。传统的电学声波传感器,通过将声波信号转化为电压信号,容易受到电磁干扰的影响。相比之下,光纤声波传感技术作为一种光学检测技术,能够实现高精度、宽频带的声波信号测量,并且体积小、重量轻、抗电磁干扰。本文重点研究了干涉型光纤声波传感器的相位解调
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“高精度光声光谱检测仪”（项目编号:2018YFF01011800）；
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声波传感技术在很多行业中有着十分重要的作用,例如在电力行业中,常用于变压器的绝缘油产生的气体由于光声效应产生的声波信号的检测,从而检测和判断变压器存在的故障种类。传统的电学声波传感器,通过将声波信号转化为电压信号,容易受到电磁干扰的影响。相比之下,光纤声波传感技术作为一种光学检测技术,能够实现高精度、宽频带的声波信号测量,并且体积小、重量轻、抗电磁干扰。本文重点研究了干涉型光纤声波传感器的相位解调算法,在传感薄膜的设计与制备,干涉型光纤声波传感器的设计与制备,相位解调算法设计和系统实现三个方面开展了研究,实现了大动态范围、宽频带响应的声波信号测量,具体研究内容与成果如下:（1）基于薄膜振动理论,开展了复合薄膜制备工艺研究,研制了高性能光学声敏钛-铝-钛复合薄膜,采用了三种工艺流程,分别制备了直径为5 mm、9 mm和11 mm的传感薄膜,其中直径11 mm的传感薄膜振幅灵敏度高达123 nm/Pa。并基于传感薄膜,设计与制备了非本征法布里珀罗干涉型（EFPI）光纤声波传感器和迈克尔逊干涉型（MI）光纤声波传感器。（2）针对正交工作点解调动态范围有限的问题,基于椭圆拟合-微分交叉相乘（EF-DCM）相位解调算法,研制了一种新型双EFPI光纤声波传感器,通过两个腔长不同的EFPI构造两路相位差不为π的整数倍的干涉信号,从而采用EF-DCM算法实现相位解调。搭建了基于EF-DCM的双EFPI声波传感系统,相位幅值在0.5 rad到3.16rad范围内与声压的线性度为0.9990。实验测得的动态范围上限相比于正交工作点解调提升了3.7倍,理论上可提升17.3倍。（3）针对EF-DCM算法不适合于小信号解调的问题,提出了直线拟合-三角恒等变换-微分交叉相乘（LF-TIT-DCM）相位解调算法,降低了动态范围下限。通过两路相位差为π的奇数倍的干涉信号,采用LF-TIT-DCM算法实现相位解调。基于LF-TIT-DCM算法,针对EFPI传感器,通过波长构造两路相位差为π的奇数倍的干涉信号,搭建了基于LF-TIT-DCM的双波长声波传感系统。相位幅值在0.02 rad到3.26 rad范围内与声压的线性度为0.9998,实验测得的动态范围下限降低到EF-DCM算法1/25;针对MI传感器,利用模式耦合器的两输入端的干涉信号的相位差为π的特性,搭建了基于LF-TIT-DCM的模式耦合反相声波传感系统,相位幅值在0.03 rad到3.18 rad范围内与声压的线性度为0.9999。（4）针对LF-TIT-DCM算法目前存在无法解调非周期信号以及运算量大的问题,提出了直线拟合-微分交叉相乘（LF-DCM）相位解调算法,其解调速度可提高43倍。通过两组相位差为π的奇数倍的干涉信号,采用LF-DCM算法实现相位解调。基于LF-DCM算法,针对EFPI传感器,通过波长构造两组相位差为π的奇数倍的干涉信号,搭建了基于LF-DCM的四波长声波传感系统。相位幅值在0.09 rad到2.45 rad范围内与声压的线性度为0.9997,并且能够解调频率范围从1 Hz到100 k Hz范围内的声波信号;针对MI传感器,基于模式耦合反相机理,搭建了基于LF-DCM的模式耦合反相-双波长声波传感系统,相位幅值在0.11 rad到4.10 rad范围内与声压的线性度为0.9997。
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