反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性

1、第31卷 第3期2010年5月華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 Jo ur nal of H uaqiao U niversity (Natur al Science Vo l. 31 No. 3 M ay. 20100252 04 文章編號(hào): 1000 5013(2010 03反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性蔡潔, 張認(rèn)成, 吳仕平, 張亮(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院, 福建泉州362021摘要: 在假設(shè)發(fā)送光纖出射端光強(qiáng)分布為高斯分布, 以及平面鏡成像原理和能量守恒的基礎(chǔ)上, 建立光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù), 并對(duì)該函數(shù)進(jìn)行仿真分析. 光強(qiáng)調(diào)制特性的實(shí)驗(yàn)曲線與理論分析結(jié)果基本吻合, 強(qiáng)度調(diào)

2、制型光纖聲音傳感器中, 薄膜的位移與聲音的壓力成正比 當(dāng)薄膜和光纖端面距離在4090 m 的區(qū)間上, 光強(qiáng)的變化與聲壓變化具有較好的線性關(guān)系, 且線性度誤差小, 表明理論研究中對(duì)纖端光強(qiáng)分布的簡(jiǎn)化和基于平面鏡成像的推導(dǎo)是合理的.關(guān)鍵詞: 光強(qiáng)調(diào)制函數(shù); 高斯分布模型; 反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器; 平面鏡成像原理; 能量守恒中圖分類號(hào): T P 212. 14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A光纖傳感器按被測(cè)量與光波特征參量的關(guān)系, 可分為強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制, 以及頻率調(diào)制4種類型1. 反射式光纖聲音傳感器一般采用強(qiáng)度調(diào)制方式, 合理的纖端光強(qiáng)分布函數(shù)是研究反射式光纖傳感器的重要理論基礎(chǔ). 本文從理論

3、上分析反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器(Reflectiv e Intensity Mo dulating Fiber Optical A coustic Sensor, RIM FOAS 的光強(qiáng)調(diào)制特性, 并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究. 1 RIM FO AS 的光學(xué)耦合原理反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖聲音傳感器的光學(xué)耦合原理, 如圖1所示 發(fā)送光纖T F 和接收光纖RF 的軸相互平行且垂直于鏡反射面 光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)M 與多種損耗因素有關(guān), 大部分損耗都是測(cè)試系統(tǒng)所固有的, 一旦系統(tǒng)固定, 損耗一般不會(huì)改變. RIM FOAS的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)M 為M =r r =. P t t (1其中:P r , r 分別是RF 接

4、收的光功率和光通量; P t ,t 分別是TF 發(fā)送的光功率和光通量 因此, 圖1所示的光纖對(duì)傳感器的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù), 可表示為與光纖芯徑、數(shù)值孔徑、光纖對(duì)軸間距、反射面特性等有關(guān)的復(fù)雜函數(shù), 即M =f (r 1, NA 1, r 2, NA 2, p , d, , k. 圖1 RIM F OA S 光學(xué)耦合原理圖(2 F ig. 1 P rinciple diag ram o f opticalcoupling o f RIM F OA S 式(2 中:r 1, r 2分別為TF 和RF 纖芯的半徑; N A 1,N A 2為數(shù)值孔徑, 一般選擇N A 1=N A 2; p 為兩光纖的軸間距

5、; d 為光纖端面到反射面的距離; 為表征反射面反射特性的因子; k 為所有其他因素包括損耗的綜合影響參數(shù).收稿日期: 2008 10 15通信作者: 張認(rèn)成(1961 , 男, 教授, 主要從事智能檢測(cè)與控制的研究. E mail:phzzrchqu. edu. cn.基金項(xiàng)目: 福建省高新技術(shù)研究開發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2005H 036 ; 福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(D0810019 ; 福建省廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20083043第3期 蔡潔, 等:反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性253 光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)、反射面的物理特性、光纖與反射面的相對(duì)位置關(guān)系都會(huì)直接影響光強(qiáng)調(diào)制特性.

6、光強(qiáng)調(diào)制函數(shù), 是建立在發(fā)送光纖出射端光強(qiáng)分布的模型基礎(chǔ)之上的1 9. 光纖端面的光場(chǎng)分布是由光強(qiáng)沿軸向均勻分布的平面波和光強(qiáng), 沿徑向高斯分布的高斯光束兩部分構(gòu)成的; 發(fā)射光纖的纖端光強(qiáng)分布, 采用的高斯分布模型是與實(shí)際情況最符合的光強(qiáng)分布. Far ia 9進(jìn)行雙光纖束的建模時(shí), 提出了在高斯分布假設(shè)下, 光強(qiáng)沿徑向和軸向的綜合表達(dá)式, 有0I (! , d =ex p -. 2(d #(d式(3 中:P 0為發(fā)射光纖的出纖光功率; #(d 為離纖端d 處的光斑半徑. 2(32 RIM FO AS 光強(qiáng)調(diào)制特性的理論分析在反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器中, 振動(dòng)薄膜受到聲音壓力作用時(shí)產(chǎn)生位移,

7、 改變了光纖相對(duì)于反射薄膜的間距, 從而對(duì)接收光纖的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制. 因此, 研究和建立RIM FOAS 的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù), 是設(shè)計(jì)反射式光纖聲音傳感器的重要理論基礎(chǔ).文5假設(shè)薄膜受到聲壓時(shí)彎曲成球冠形狀, 如圖2所示. 圖2中, A 為發(fā)射光纖, B 為等效接收光纖. 假設(shè)光纖出射端光強(qiáng)分布是沿徑向呈高斯或準(zhǔn)高斯型分布時(shí), 得到等效接收光纖的接收光強(qiáng)為220P (d =S ex p -2d s. #(d +d B #(d +d 式(4 中:I(0 為d =0處的光強(qiáng); #0=r 0, r 0為纖芯半 (4徑; 為一表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù), 實(shí)際使用過(guò)程中, 對(duì)于漸變折射率光纖, 通常取=2

8、折射率分布的光纖, 通常取=1.不是球冠形的2-1/2; 對(duì)于突變式(4 求解復(fù)雜, 而且在聲壓作用下, 薄膜的彎曲并, 因而球冠面假設(shè)相當(dāng)于對(duì)真實(shí)的曲面圖2 接收光纖的等效圖加了一個(gè)微弱的約束, 使得求解結(jié)果會(huì)稍微偏高. 由于薄膜的位移#(0 為納米級(jí), 遠(yuǎn)小于薄膜厚度h(毫米級(jí) 和半徑R 0(毫米級(jí) , 即#(0 h, #(0 R 0, Fig. 2 Equivalent diag ram o f receiv ing o ptical fiber 而光纖模場(chǎng)直徑也遠(yuǎn)小于薄膜直徑, 即2#(0 2R 0 所以, 可以將薄膜反射近似等效為平面鏡成像, 如圖3所示.從圖3中可以看出, 當(dāng)薄膜與

9、發(fā)射光纖A 距離為d時(shí), 等效接收光纖B 和發(fā)射光纖關(guān)于薄膜成鏡像關(guān)系,即A 和B 的距離為2d. 結(jié)合高斯分布假設(shè)和能量守恒定律, 可得B 光纖的接收光強(qiáng)為220P(d =02exp -2! d ! =#(2d #(2d2201-ex p -0. 2#(2d 0#(5 圖3 等價(jià)光纖坐標(biāo)系統(tǒng)Fig. 3 Equiva lent co or dinatesy st em fo r o pt ical fiber 式(5 中:#(d =#0(2 當(dāng)d =0時(shí), #(d =20#0, 可得光纖端面處(即薄膜緊貼光纖端面! 時(shí) 的接收光強(qiáng)為P (0 = 0#02002ex p (-2 ! d ! =

10、1-exp(-2 200222(6由式(5 , (6 可得到歸一化的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)為201-exp -2Q(d =P(0 1-2 (7m 254華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2010年強(qiáng)幾乎全部被接收光纖所接收, 故接收光纖接收到的光強(qiáng)變化不明顯; 當(dāng)d>80 m 時(shí), 接收光強(qiáng)受到外界干擾的影響, 即光纖除接收光纖發(fā)射光強(qiáng)被薄膜反射的光以外, 還接收其他干擾光源被反射回的光, 光強(qiáng)變化變得不明顯.從仿真曲線看出, d >40 m 處為曲線的一個(gè)拐點(diǎn), 以此點(diǎn)為分界點(diǎn)對(duì)該曲線進(jìn)行最小二乘法擬合,擬合曲線如4圖中虛線所示. 在540 m 內(nèi), 擬合的線性度誤差e 為2. 92%, 而在40

11、85 m 內(nèi), 擬合的線性度誤差e 為1. 89%.由于薄膜的位移與聲音的壓力成正比, 所以在這兩個(gè)區(qū)間上接收光纖的光強(qiáng)與聲壓成線性關(guān)系.在進(jìn)行RIM FOAS 聲音傳感器設(shè)計(jì)時(shí), 薄膜和光纖圖4 理論歸一化曲線Fig. 4 T heor etical no rmalized cur ve端面距離應(yīng)選擇在540 m 或4085 m 區(qū)間范圍內(nèi), 精度要求高時(shí), 應(yīng)分段標(biāo)定.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析采用芯徑小的單模光纖, 纖芯直徑為11 m, 研究RIM FOAS 光強(qiáng)調(diào)制特性. 光源采用光譜寬度窄且能量相對(duì)集中的激光二極管, 波長(zhǎng)為1310nm. 使用精密位移工作臺(tái)作為光強(qiáng)調(diào)制特性研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái), 用

12、螺釘將光纖固定架固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上, 固定架上的4個(gè)螺釘用于調(diào)節(jié)光纖與反射薄膜的垂直度, 垂直度誤差為0. 1mm ; x , y 兩個(gè)千分頭分別用于兩個(gè)方向的微調(diào)進(jìn)給, 它們的最小刻度都是0. 01mm.實(shí)驗(yàn)時(shí), 對(duì)準(zhǔn)反射器并將光纖探頭與反射鏡間距調(diào)到0. 1m m, 調(diào)整x 方向的千分頭來(lái)改變光纖端面和反射薄膜之間的距離; 從零開始, 每次調(diào)節(jié)步距為10 m, 通過(guò)PIN 光功率計(jì)測(cè)量反射光路PIN 的輸出光強(qiáng). 為減小誤差, 實(shí)驗(yàn)中光電檢測(cè)輸出電壓的采樣頻率設(shè)為100H z, 采樣10s 取平均值 .光強(qiáng)調(diào)制特性的歸一化曲線, 如圖5所示 對(duì)于光強(qiáng)調(diào)制特性的歸一化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 求得其平均值2E

13、 =0. 5548, 方差 =0. 0759. 與仿真曲線的數(shù)學(xué)期2望值E 0=0. 5442和方差 0=0. 0505相比, 實(shí)驗(yàn)值略大于理論值. 這是由于在小撓度區(qū)域, 薄膜有一定的抗彎效應(yīng), 而平面鏡成像則忽略了彎曲效應(yīng).實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也存在一定的誤差, 究其原因主要有如下4點(diǎn) (1 光纖端面出射的激光在空氣中傳輸會(huì)損耗 (2 理論分析中假設(shè)發(fā)射光纖和反射薄膜相互垂直, 但是在實(shí)際的安裝中, 光纖與薄膜不可能絕對(duì)垂直. (3 實(shí)驗(yàn)中的精密位移工作臺(tái)本身存在制造誤差 (4 光源光功率的波動(dòng).圖5中, 實(shí)線和虛線分別為實(shí)驗(yàn)和理論分析的光強(qiáng)調(diào)制特性歸一化曲線 從圖5可以看出, 兩條圖5 光強(qiáng)調(diào)制特

14、性的歸一化曲線F ig. 5 N o rmalized cur ve of lig ht int ensity modulating char acter istic曲線基本吻合, 且實(shí)驗(yàn)值略大于理論值. 當(dāng)薄膜和光纖端面距離在4090 m 的區(qū)間上, 光強(qiáng)的變化與聲壓變化具有較好的線性關(guān)系, 且線性度誤差小. 這表明, 理論研究中對(duì)纖端光強(qiáng)分布的簡(jiǎn)化和基于平面鏡成像的推導(dǎo)是合理的.4 結(jié)束語(yǔ)提出一種建立反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性函數(shù)的方法, 其光強(qiáng)調(diào)制特性的,第3期 蔡潔, 等:反射式強(qiáng)度型光纖聲音傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性255器的設(shè)計(jì)、制造具有很好的指導(dǎo)意義. 在進(jìn)一步的研究

15、中, 如果考慮到纖端出射光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布, 是由不同權(quán)重下的高斯分布和平面波場(chǎng)的圓孔衍射分布疊加的結(jié)果, 建立的光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)將會(huì)更加準(zhǔn)確. 參考文獻(xiàn):1 廖延彪. 光纖光學(xué)M . 北京:清華大學(xué)出版社, 2000:37 48, 165 168.2 徐志保. 反射式光纖聲音傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究D. 泉州:華僑大學(xué), 2007.3 楊華勇. 反射式強(qiáng)度型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制特性的數(shù)學(xué)模型與關(guān)鍵技術(shù)的研究D. 長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2002.4 李亞非, 董樹信. 一種反射式光纖傳感器的受光特性分析J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 26(2 :115 120.5 李學(xué)金, 張百鋼, 姚建銓, 等. 一

16、種光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)理論分析J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 17(1 :133 135.6 李艷萍, 張麗紅, 倫翠芬, 等. 反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器的研究J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2005, 18(1 :180 183.7 郝愛(ài)花, 毛智禮, 葛海波. 聲光技術(shù)在激光技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究J. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 10(3 :111 114.8 H OO GEN BO OM L. T heo retical and ex per imental analy sis of a fiber o pt ic prox imity pr obeJ SP IE, 1984, 478:46

17、57.9 F ARI A J B. A theo retica l analy sis o f the bifurcated fiber bundle displacement sensor J.IEEE T ransactions o n Instrumentat ion and M easurement, 1998, 47(3 :742 747.Research on Light Intensity Modulating C haracteristicof Reflective Intensity ModulatingFiber Optical Acoustic SensorCA I Ji

18、e, ZH A NG Ren cheng,WU Shi ping, ZH AN G L iang(College of M echanical Engineering and Au tomation, Huaqiao University, Quanzhou 362021, Ch inaAbstract: T he light intensity mo dulating funct ion of the f iber o ptical acoustic senso r is built o n the basis that the lig ht intensit y distributio n

19、 o f the ex it end of the emitting optical fiber is assumed as the Gauss distributio n and t he principle o f plane m irr or imag ing and the principle of ener gy conserv ation is satisfied, also the funct ion is simulated and analy zed. T he ex perimental cur ve of the light mo dulat ing characterist ic closely fits the result o f theo retical analy sis, in which the mem brane ! s displacement is pr oport ional to the aco ustic str ess fo r the intensity modul