安泰ATA-2021B高压放大器在光纤超声传感器中的应用

实验名称：超声传感性能研究

测试目的：

光纤马赫-曾德尔干涉仪是一种灵敏度高、结构灵活的传感结构。当在MZI上施加超声波信号时，会影响所涉及的干涉光之间的光程差，并导致干涉光谱的漂移。由于模式耦合是基于MZI的光纤传感器的关键元件，因此产生了各种光纤耦合技术，如光纤锥、多模光纤和错位熔接。单模-多模-单模光纤结构是应用最广泛的一种兼具强模式耦合机制和高环境参数感知的光纤马赫-曾德尔干涉仪。目前已经研制了多种SMS光纤结构，如直接熔接、错位熔接、锥形熔接、与光纤布拉格光栅级联等。SMS光纤结构已成功应用于光纤滤波器、折射率和湿度传感，但其在超声传感方面的研究鲜有报道。本章提出了一种基于SMF-粗锥(Bitaper)-MMF-Bitaper-SMF光纤结构的超声传感器。通过在SMF和MMF连接处熔接两个Bitaper，该传感器结构坚固，有效利用SMS光纤结构的高灵敏度和高耐受性，实现了多方向的超声探测。

测试设备：ATA-2021B高压放大器、信号发生器、PZT、数字示波器、传感器等。

实验过程：

图1：不同方向超声波作用传感器示意图

图1为传感器在不同方向超声波作用的示意图。当超声从A或者F方向作用传感器时，①处收缩，②处拉伸；当超声从C或者D方向作用传感器时，①处拉伸，②处收缩；当超声从B作用传感器时，①处和②处上侧收缩，下侧拉伸；当超声从E作用传感器时，①处和②处上侧拉伸，下侧收缩；利用有限元软件对传感器进行声学仿真，以模拟该超声波传感器的性能，相应的模拟结果分别如图2(a)、(b)和(c)所示。图2(a)为球形总声压场的XZ截面图，可以很明显看出声波是从哪个方向入射到域内。图2(b)为该传感器结构对应超声信号的应力图，由于两端单模被固定，中间的传感光纤部分受到一定的应力，为在1pa左右，对应入射超声波信号的压力幅值。图2(c)为球形声场的声压级以及传感器对应的位移图，结果显示在Bitaper处位移较大，最大位移约为8×10的-8立方mm。Bitaper部分还具有集中的声压级，声压级最大可达120dB，这说明Bitaper更容易探测到超声信号。当传感器结构接收超声信号时，Bitaper的形变会影响到传感器长度L的变化以及传输模式的有效折射率的变化，从而检测输出光谱的变化。

图2：传感器的超声场仿真：(a)总声压场；(b)应力；(c)声压级和位移

实验所建立的水下光纤超声探测系统如图3所示，系统主要包括超声产生和超声检测两部分。超声波产生系统由信号发生器、高压放大器和PZT组成。PZT由峰值电压为20V的信号发生器和最高电压为200Vp-p的高压放大器(ATA-2021B)驱动，提供正弦脉冲超声波。超声波检测系统由可调谐激光器、传感器、光电探测器和数字示波器组成。TSL-710的波长带宽为160nm，线宽为100kHz，分辨率为0.1pm。采用水下环境下的方法对超声信号进行检测，以降低超声信号的传播损失，增强超声信号与传感器的耦合性。在实验中，PZT与传感器分别浸入水箱中，间隔2cm，水平放置后固定。水箱的尺寸为45cm(长)*15cm(宽)*10cm(高)。当超声波作用于传感器时，导致反射谱漂移。利用边带滤波解调技术，将谱移转换为光强变化，并通过光电探测器转换为电压信号输出至示波器显示。为获得最佳的超声响应，将输出光束的检测波长设置在干涉光谱的3dB处。

图3：光纤超声检测系统原理图

实验结果：

图4：(a)传感器在110kHz脉冲超声信号的时域响应；(b)FFT变换后的频谱

实验研究了MMF长度为2cm的传感器对110kHz脉冲正弦信号的响应，结果如图4(a)所示，可见传感器成功检测了超声信号。传感器的实时响应平滑，绝对电压约为0.013V，信噪比为21dB。空间频率是一个光场信号在单位时间内周期性重复的次数。对图4(a)进行FFT变化得到传感器的频谱，如图4(b)所示，可见频谱的中心频率为110kHz，与超声信号发射频率吻合较好。

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图：ATA-2021B高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇