高压放大器在环形谐振腔的声传感测试中的应用

实验名称：环形谐振腔的声传感测试

测试设备：高压放大器、信号发生器、示波器、锁定放大器、光电检测器、相位调制器、频谱分析仪等。

实验过程：

图1：(a)环形谐振腔的实验测试系统：PM，相位调制器；SG，信号发生器；PD，光电探测器；LIA，锁定放大器；PI，锁定频率控制器；HVA，高压放大器；OSC，示波器；SA，频谱分析仪；PA，功率放大器。这里，蓝线是光路，黑线是电路；(b)传感器2的环形谐振腔的光谱线和频率锁定曲线；（c）传感器2的解调信号在加入声信号时的响应

构建了基于相位调制光谱技术的声信号检测系统，如图1所示。声信号的频率响应范围被划分为由扬声器产生的50Hz-20kHz和由压电陶瓷产生的20kHz以上的频率。由于声源频率限制，通过切换到压电陶瓷来测试20kHz以上的超声信号。在频率响应测试实验中，SG的输出幅度保持在10V，以保持声源所产生声压的稳定性。在40kHz下校准了聚合物环形谐振腔]的性能，在40kHz、58kHz、200kHz和300kHz下测试了SOI微环形谐振腔产生的响应频率点，以表明频率范围。在此基础上，我们减小了频率间隔，在50Hz到100Hz的范围内，间隔缩小至10Hz。在100Hz到1kHz范围内的间隔为100Hz，1kHz到20kHz的范围内的间隔为1kHz。适当地增加超声频率范围以测试所设计的传感器能够响应的频率范围。使用频谱分析仪测试环形谐振腔的频率响应范围：在某一频率点采集声信号响应数据，直到声信号的幅值无法与背景噪声区分。测试结果如图2所示。每个传感器的平坦度均为2dB，最宽频率范围达到160kHz。当Q值更高时，谐振腔性能更好，实现了更宽的频率响应。然而，在超声频率测量过程中，仍可以观察到某些高频响应，振幅稳定，但无法与背景噪声信号区分。因此高频率缺失而难以测试的原因可能是系统噪音大、电气连接密集、信噪比太小导致，之后可以通过数字信号处理模块进行后续的降噪处理。

图2：传感器的频率响应和平坦度。（a）扬声器的频率响应；（b）压电陶瓷的频率响应

实验结果：

图3：声传感器灵敏度对比图

信号发生器产生1kHz正弦信号并保持不变，经功率放大器放大后，信号连接到声源系统。通过控制SG的振幅，声源输出不同声压级的信号。实验中，SG振幅以1V的步长从1-10V依次递增。分别记录示波器上传感器的电压输出和标准声级计的声压值。如图3所示，随着声源驱动电压的增加，声压级逐渐增强从而导致空气折射率产生明显变化，检测电压幅值升高。实验结果表明，所有R2都大于0.97，线性度很好。此外，Q值更高，传感器的输出电压将呈现大幅增长的趋势。因此，Q值为3.44*10的6次方的传感器具有60.075mV/Pa的高灵敏度。电声传感器的灵敏度很高，但频率响应受膜片谐振特性的限制，基于膜片的光纤声传感器也与此相类似。目前，尽管基于检测声压引起的空气折射率变化的环形谐振腔的传感技术不如膜片式声学传感器灵敏度高，但其优点在于线性响应频率良好，无频率依赖性和机械共振频率的影响。

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审核编辑 黄宇