首页 > 论文 > 激光与光电子学进展 > 56卷 > 15期(pp:150603--1)

光纤干涉次声传感器研制

Preparation of Fiber-Optic Interferometer Based Infrasound Sensor

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

设计并制作了一种基于光纤干涉仪的低频声传感器,用于检测频率小于20 Hz的次声信号。该传感器利用厚度为5 μm,半径为1/2 inch(1 inch=2. 54 cm)的圆形镍膜作为振膜,该振膜被平整地固定在金属腔体的一个端口,呈周边拉伸式。伸入腔室的单模光纤的端面与振膜内表面构成一个非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪(EFPI),用于检测由声音导致的振膜的振动。为了优化传感器性能,基于弹性力学原理和有限元仿真软件,分析了振膜预应力和振膜厚度对传感器一阶谐振频率的影响。仿真结果表明在一定的膜厚范围内,一阶谐振频率对预应力非常敏感而对膜厚不敏感。利用B&K 4193-L-004型标准声传感器和42AE型标准次声发射腔对所制光纤次声传感器进行了测试,结果表明该传感器在0.1~20 Hz范围内具有良好的频率响应特性,对1 Hz声波的灵敏度高达285 mV/Pa。

Abstract

A low-frequency acoustic sensor based on fiber optic interferometer was designed and fabricated for detection of infrasound signals with a frequency less than 20 Hz. The sensor contains a metallic diaphragm that is a circular nickel membrane with a thickness of 5 μm and a radius of 1/2 inch (1 inch=2.54 cm), and the diaphragm is flatly fixed to a port of the metal cylinder in a peripherally stretched manner. The end face of the single-mode fiber protruding into the cylinder and the inner surface of the diaphragm constitute an extrinsic fiber Fabry-Perot interferometer (EFPI) for detecting the diaphragm''s vibration caused by sound. In order to optimize the sensor performance, the effects of the prestress applied to the diaphragm and the diaphragm thickness on the first-order resonant frequency of the sensor are analyzed based on the principle of elastic mechanics and finite element simulation software. The simulation results show that the first-order resonant frequency is sensitive to prestress rather than to the diaphragm thickness under the condition of the diaphragm thickness being within a certain small range. The above-prepared fiber optic infrasound sensor was characterized with the B&K 4193-L-004 standard acoustic sensor and the 42AE standard infrasound source. The results show that the sensor has good frequency response in the range from 0.1 Hz to 20 Hz and the sensitivity to 1 Hz sound is as high as 285 mV/Pa.

Newport宣传-MKS新实验室计划
补充资料

DOI:10.3788/LOP56.150603

所属栏目:光纤光学与光通信

基金项目:国家自然科学基金(61501425,61601436,61801456);

收稿日期:2019-01-28

修改稿日期:2019-03-11

网络出版日期:2019-08-01

作者单位    点击查看

李汉正:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
吴高米:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
马振钧:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
任迪鹏:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
张萌颖:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190
高然:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190
祁志美:中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049

联系人作者:祁志美(zhimei-qi@mail.ie.ac.cn)

备注:国家自然科学基金(61501425,61601436,61801456);

【1】Jiang H. A study of the direction of infrasonic origin on earthquake forecast. Beijing: Beijing University of Technology. 1-4(2002).
蒋灏. 地震预报中次声波声源方向的研究. 北京: 北京工业大学. 1-4(2002).

【2】Xia Y Q, Cui X Y, Li J Z et al. Research of abnormal infrasound signals before worldwide earthquakes. Journal of Beijing University of Technology. 37(3), 463-469(2011).
夏雅琴, 崔晓艳, 李均之 等. 震前次声波异常信号的研究. 北京工业大学学报. 37(3), 463-469(2011).

【3】Guo Q. Research of infrasound sensor and detecting technology. Qingdao: Shandong University of Science and Technology. 2-4(2009).
郭泉. 次声传感器及次声检测技术研究. 青岛: 山东科技大学. 2-4(2009).

【4】Gong Z F, Chen K, Zhou X L et al. High-sensitivity Fabry-Perot interferometric acoustic sensor for low-frequency acoustic pressure detections. Journal of Lightwave Technology. 35(24), 5276-5279(2017).

【5】Jiang B L, Yang K T, Wang J A et al. Design and experimental research of the MOEMS low frequency sensor. Laser & Infrared. 40(10), 1096-1100(2010).
蒋冰莉, 杨坤涛, 王江安 等. MOEMS低频声传感器的设计与实验研究. 激光与红外. 40(10), 1096-1100(2010).

【6】Li S J, Liang J S, Wang F J et al. Experiment of a single-mode fiber acoustic sensor based on Mach-Zehnder interferometer. College Physics. 30(6), 52-56(2011).
李双佶, 梁景舒, 王福娟 等. 基于Mach-Zehnder干涉仪的单模光纤声波传感器的研究. 大学物理. 30(6), 52-56(2011).

【7】Wang S. Research and application of fiber-optic low-frequency acoustic sensing technology. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology. 73-76(2016).
王顺. 光纤低频声波传感技术研究及应用. 武汉: 华中科技大学. 73-76(2016).

【8】Chen W M, Lei X H, Zhang W et al. Recent progress of optical fiber Fabry-Perot sensors. Acta Optica Sinica. 38(3), (2018).
陈伟民, 雷小华, 张伟 等. 光纤法布里-珀罗传感器研究进展. 光学学报. 38(3), (2018).

【9】Liu J P, Wang Y and Liu J H. Temperature characterization of extrinsic fiber Fabry-Perot interferometric sensor. Laser & Optoelectronics Progress. 54(11), (2017).
刘加萍, 王彦, 刘吉虹. 非本征光纤法布里-珀罗干涉传感器的温度特性. 激光与光电子学进展. 54(11), (2017).

【10】Zhu J L, Wang M, Cai D Y et al. A fiber Fabry-Perot micro pressure sensor. Acta Optica Sinica. 34(4), (2014).
朱佳利, 王鸣, 蔡东艳 等. 光纤法布里-珀罗微压传感器. 光学学报. 34(4), (2014).

【11】Xu Z B. Research on key technology of reflective optical fiber acoustic sensor. Quanzhou: Huaqiao University. 17-19(2008).
徐志保. 反射式光纤声音传感器的关键技术研究. 泉州: 华侨大学. 17-19(2008).

【12】Du G H, Zhu Z M and Gong X F. Fundamentals of acoustics. 62-63(2012).
杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础. 62-63(2012).

引用该论文

Li Hanzheng,Wu Gaomi,Ma Zhenjun,Ren Dipeng,Zhang Mengying,Gao Ran,Qi Zhimei. Preparation of Fiber-Optic Interferometer Based Infrasound Sensor[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(15): 150603

李汉正,吴高米,马振钧,任迪鹏,张萌颖,高然,祁志美. 光纤干涉次声传感器研制[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(15): 150603

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF