實驗名稱：超聲傳感性能研究
測試目的：
光纖馬赫-曾德爾干涉儀是一種靈敏度高、結(jié)構(gòu)靈活的傳感結(jié)構(gòu)。當在MZI上施加超聲波信號時，會影響所涉及的干涉光之間的光程差，并導(dǎo)致干涉光譜的漂移。由于模式耦合是基于MZI的光纖傳感器的關(guān)鍵元件，因此產(chǎn)生了各種光纖耦合技術(shù)，如光纖錐、多模光纖和錯位熔接。單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的一種兼具強模式耦合機制和高環(huán)境參數(shù)感知的光纖馬赫-曾德爾干涉儀。目前已經(jīng)研制了多種SMS光纖結(jié)構(gòu)，如直接熔接、錯位熔接、錐形熔接、與光纖布拉格光柵級聯(lián)等。SMS光纖結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于光纖濾波器、折射率和濕度傳感，但其在超聲傳感方面的研究鮮有報道。本章提出了一種基于SMF-粗錐(Bitaper)-MMF-Bitaper-SMF光纖結(jié)構(gòu)的超聲傳感器。通過在SMF和MMF連接處熔接兩個Bitaper，該傳感器結(jié)構(gòu)堅固，有效利用SMS光纖結(jié)構(gòu)的高靈敏度和高耐受性，實現(xiàn)了多方向的超聲探測。
測試設(shè)備：ATA-2021B高壓放大器、信號發(fā)生器、PZT、數(shù)字示波器、傳感器等。
實驗過程：
圖1為傳感器在不同方向超聲波作用的示意圖。當超聲從A或者F方向作用傳感器時，①處收縮，②處拉伸；當超聲從C或者D方向作用傳感器時，①處拉伸，②處收縮；當超聲從B作用傳感器時，①處和②處上側(cè)收縮，下側(cè)拉伸；當超聲從E作用傳感器時，①處和②處上側(cè)拉伸，下側(cè)收縮；利用有限元軟件對傳感器進行聲學(xué)仿真，以模擬該超聲波傳感器的性能，相應(yīng)的模擬結(jié)果分別如圖2(a)、(b)和(c)所示。圖2(a)為球形總聲壓場的XZ截面圖，可以很明顯看出聲波是從哪個方向入射到域內(nèi)。圖2(b)為該傳感器結(jié)構(gòu)對應(yīng)超聲信號的應(yīng)力圖，由于兩端單模被固定，中間的傳感光纖部分受到一定的應(yīng)力，為在1pa左右，對應(yīng)入射超聲波信號的壓力幅值。圖2(c)為球形聲場的聲壓級以及傳感器對應(yīng)的位移圖，結(jié)果顯示在Bitaper處位移較大，最大位移約為8×10的-8立方mm。Bitaper部分還具有集中的聲壓級，聲壓級最大可達120dB，這說明Bitaper更容易探測到超聲信號。當傳感器結(jié)構(gòu)接收超聲信號時，Bitaper的形變會影響到傳感器長度L的變化以及傳輸模式的有效折射率的變化，從而檢測輸出光譜的變化。
圖2：傳感器的超聲場仿真：(a)總聲壓場；(b)應(yīng)力；(c)聲壓級和位移
實驗結(jié)果：
圖4：(a)傳感器在110kHz脈沖超聲信號的時域響應(yīng)；(b)FFT變換后的頻譜
高壓放大器推薦：ATA-2021B
圖：ATA-2021B高壓放大器指標參數(shù)
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