光纖傳聲器的原理及發(fā)展前景

周成全

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

在通信級(jí)光纖試驗(yàn)獲得成功之后，光纖傳聲器迅速發(fā)展起來(lái)，成為了一種新型傳感器，與其他傳感器比起來(lái)，光纖傳聲器除了具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、簡(jiǎn)單、靈敏、低損耗和耐腐蝕、高溫、高壓、安全等特點(diǎn)之外，它在對(duì)溫度、位移等的測(cè)量中也具有獨(dú)特的性能。光纖傳聲器的研究，美英等國(guó)的研究開始于20世紀(jì)70年代，其中大量的研究工作主要集中于該裝置的工程應(yīng)用。目前，光纖傳聲器仍難以在工業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，問(wèn)題在于如何使得實(shí)用化光纖聲傳感器在設(shè)計(jì)、加工、使用方面做到與機(jī)電型傳感器相當(dāng)。我國(guó)的光纖傳聲器研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代。由于研究條件和技術(shù)水平的限制，研究成果與國(guó)外相比還有一定的差距。

1 光纖傳聲器的原理及類型

光纖聲傳感器的原理圖如下：

圖1

圖1我們給出了結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，從LED燈管發(fā)出的光線經(jīng)由光耦合器耦合至多模光纖中，再投射到位于探頭部分的彈性膜片上，經(jīng)彈性膜片反射后的部分光線被重新耦合進(jìn)入多模光纖，再經(jīng)過(guò)耦合器和接收光纖進(jìn)行輸出，被PIN管接收，外界產(chǎn)生的聲壓使彈性膜片受迫震動(dòng)，從而可以對(duì)反射回多模光纖中的光進(jìn)行調(diào)制，最后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理過(guò)后的聲音進(jìn)入揚(yáng)聲器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源進(jìn)行還原。

光纖傳聲器目前主要有三種調(diào)制模式：光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型以及偏振調(diào)制型。

1.1 偏振調(diào)制型

偏振調(diào)制型的光纖傳聲器是基于改變光在光路中的偏振狀態(tài)，并且使用偏振選擇光來(lái)改變作用在光電二極管上的光強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行工作。由于所有的光電二極管都可以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度響應(yīng)，則任何光調(diào)制過(guò)程都需要發(fā)生光強(qiáng)的變化，并且在通過(guò)光電探測(cè)器后將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

1.2 強(qiáng)度調(diào)制型

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳聲器是更為簡(jiǎn)單的一種類型，其基本原理為：由光源發(fā)出光線，通過(guò)光纖入射到金屬涂層處理的膜片，當(dāng)聲音作用于膜片時(shí)，由于有聲壓的作用，膜片與光纖之間原本的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致入射光被調(diào)制，反射后，再經(jīng)由接收光纖傳送到探測(cè)器上，解調(diào)后就可以還原為聲音信號(hào)。

1.3 相位調(diào)制型

相位調(diào)制型傳聲器是通過(guò)光干涉來(lái)調(diào)制光路中的光強(qiáng)度，其優(yōu)點(diǎn)是不易受光功率波動(dòng)以及光纖的傳輸損耗變化等干擾的影響，保真度較高，更有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度聲壓的測(cè)量。

2 幾種新型光纖傳聲器

2.1 基于MEMS技術(shù)的光纖傳聲器

該傳聲器基于微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）與光纖傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳聲器相比，MEMS光纖傳聲器具有很多特點(diǎn)。它具有高靈敏度，探測(cè)端口電絕緣，抗電磁干擾性能佳等諸多明顯優(yōu)勢(shì)。

該傳感器基于衍射光柵敏感結(jié)構(gòu)的超聲波傳感器，利用硅光柵敏感膜自身發(fā)生形變后產(chǎn)生的精位相調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，用MEMS工藝將工作點(diǎn)偏置到高靈敏度線性區(qū)域，其內(nèi)部通過(guò)雙光纖準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)了整體封裝，保證儀器有較高靈敏度的同時(shí)也可以很好的解決均勻硅膜的頻率受限。通過(guò)理論分析之后對(duì)硅薄膜的尺寸進(jìn)行優(yōu)化處理，調(diào)整了脊區(qū)厚度和周期結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)諧振頻率達(dá)到MHz級(jí)以上時(shí)，硅光柵薄膜的靈敏度仍可保持。該產(chǎn)品具有微型化，材料機(jī)械電氣性能優(yōu)良等特點(diǎn)。

2.2 反射式光纖聲傳感器

該傳感器系統(tǒng)由光源、驅(qū)動(dòng)電源、探頭、光纖、光電檢測(cè)電路、光探測(cè)器、耦合器等組成。

工作原理是：通過(guò)發(fā)射光纖將光源入射到振動(dòng)薄膜上，由聲音信號(hào)驅(qū)動(dòng)薄膜產(chǎn)生振動(dòng)，引起薄膜產(chǎn)生曲率、位移的變化。然后對(duì)反射回接收光纖的光強(qiáng)進(jìn)行接收并調(diào)制，通過(guò)光電檢測(cè)電路、光電探測(cè)器處理得到反映聲音特征的電信號(hào)。其過(guò)程可分為三個(gè)階段。

聲—機(jī)轉(zhuǎn)換。由聲音信號(hào)引起的薄膜振動(dòng)并且產(chǎn)生了位移，這個(gè)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于把握薄膜的頻率特性和靈敏度，即薄膜位移量與固有頻率之間的關(guān)系。

機(jī)—光轉(zhuǎn)換。薄膜由于聲音信號(hào)產(chǎn)生位移后導(dǎo)致發(fā)射光纖發(fā)射回接收光纖的光線將受到調(diào)制。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的主要特性是確定光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)，即接收光強(qiáng)和薄膜與光纖端面距離的關(guān)系。

光—電轉(zhuǎn)換。接收光纖接收的調(diào)制光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成為電流信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)電路就可以轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的主要特性是確定光電轉(zhuǎn)換系數(shù)即輸出電壓與接收光強(qiáng)的關(guān)系。

2.3 薩格奈特（Sagnac）干涉式光纖聲傳感器

該傳感器利用薩格奈特干涉儀結(jié)構(gòu)的原理，進(jìn)而來(lái)感知聲音信號(hào)的。

由薩格奈特效應(yīng)可知，當(dāng)干涉儀沒(méi)有外力作用時(shí)，在其中若有按順、逆時(shí)針傳播的兩束光線，其光程差為0。當(dāng)在非中心點(diǎn)的光纖回路某個(gè)位置上受到聲音的作用時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致順、逆兩束光到達(dá)聲源擾動(dòng)位置的時(shí)間不同，形成相位差。

本干涉器就是基于該效應(yīng)原理對(duì)聲音進(jìn)行聲光轉(zhuǎn)換，并對(duì)聲源擾動(dòng)的位置進(jìn)行確定。

3 發(fā)展前景

光纖傳聲器作為新一代聲傳感器，其具有的小型化，抗電磁干擾、使用壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)，將會(huì)在未來(lái)的傳感器發(fā)展研究領(lǐng)域占有重要的位置。尤其是隨著光纖制造水平的提升，各種新型高精度，高強(qiáng)度的光纖的引進(jìn)，必將會(huì)為光纖傳聲器的發(fā)展增加技術(shù)支持與動(dòng)力，相信在未來(lái)，改型傳感器將會(huì)有更多學(xué)科交叉領(lǐng)域產(chǎn)品問(wèn)世，在更多領(lǐng)域?yàn)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮作用。

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