一種基于聚苯硫醚薄膜的高靈敏度光纖聲波傳感器*

劉 理，徐 來(lái)，毛莉莉，勞澤鋒，曾 偉

(1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.江蘇永鼎股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；3.九江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江西 九江 332005)

0 引 言

聲波是由物體振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播形成的, 包含豐富的目標(biāo)特征信息，因此,可以通過(guò)“聽(tīng)音號(hào)脈”的方式檢測(cè)一些特定的目標(biāo)信息。聲波檢測(cè)已經(jīng)被廣泛地用于自然災(zāi)害預(yù)警[1,2]、噪聲監(jiān)測(cè)[3]、無(wú)損檢測(cè)[4]和超聲成像[5]等諸多領(lǐng)域。電子式聲波傳感技術(shù)相對(duì)成熟，因具有高靈敏度、高信噪比、寬頻帶、工作性能可靠等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是電子式低頻聲波傳感器也出現(xiàn)了很多問(wèn)題。首先，比較突出的問(wèn)題包括電纜負(fù)載、連接電纜的共振效應(yīng)、低頻噪音大，穩(wěn)定性、可靠性較差，不易組網(wǎng)應(yīng)用等；其次，信號(hào)易受外界復(fù)雜環(huán)境電磁干擾；另外，壓電傳感器靈敏度低，無(wú)法感應(yīng)微弱聲波信號(hào)，不能遠(yuǎn)距離大容量傳輸；電容性傳感器線性響應(yīng)度差、容易出現(xiàn)溫漂、低頻測(cè)量阻抗匹配難度大等問(wèn)題[6]。這些問(wèn)題從本質(zhì)上都是由壓電、電容器件本身電氣特性所決定的。

光纖聲波傳感技術(shù)結(jié)合光纖直徑小、質(zhì)量輕、耐高溫、抗腐蝕、強(qiáng)抗電磁干擾、傳輸信號(hào)損耗小、集傳感與傳輸一體的特性來(lái)解決常規(guī)電子式聲波傳感器難以完全勝任的測(cè)量問(wèn)題。近年來(lái)，基于光纖干涉儀的聲波傳感技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也越來(lái)越完善。基于邁克爾遜干涉儀和馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x的聲波傳感器，通常是將干涉儀的一個(gè)干涉臂作為參考臂，一個(gè)干涉臂纏繞在傳感膜片上作為傳感臂，采用相位生成載波或者3×3耦合器解調(diào)算法進(jìn)行相位解調(diào)，這類(lèi)型聲波傳感器相位靈敏度非常高，但溫漂明顯、尺寸大、偏振噪聲高、解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜[7～9]。基于塞格納克(Sagnac)干涉儀的聲波傳感器是利用聲波擾動(dòng)光纖環(huán)，致使順時(shí)針和逆時(shí)針光路產(chǎn)生相位差，需要較長(zhǎng)的時(shí)延線，而且環(huán)路光纖要纏繞在增敏柱體上提高靈敏度，因此體積較大，并且頻率響應(yīng)不平坦[10～12]?；诜ú祭铩炅_(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)干涉儀的聲波傳感器通常是利用傳感膜片和光纖端面構(gòu)成F-P腔，通過(guò)膜片形變調(diào)制F-P腔長(zhǎng)，因具有響應(yīng)頻帶寬、體積小、解調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而備受研究者青睞。不同種類(lèi)的傳感薄膜，如紫外膠薄膜[13]、金膜[14,15]、銀膜[16]、硅膜[17]、石墨烯薄膜[18]、糖基薄膜[19]和聚合物薄膜[20]等，已被用于構(gòu)建F-P干涉型聲波探測(cè)器，但這些薄膜的制作工藝比較復(fù)雜，靈敏度還有待提高。

本文采用制作工藝十分成熟的鍍鎳聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)薄膜構(gòu)建F-P干涉儀用于高靈敏度聲波探測(cè)，通過(guò)優(yōu)化薄膜尺寸，實(shí)現(xiàn)了50 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的聲波探測(cè)，靈敏度高達(dá)549.8 mV/Pa，信噪比達(dá)57 dB，最小可探測(cè)聲壓為28 dB。

1 傳感器設(shè)計(jì)與基本原理

本文設(shè)計(jì)的聲波傳感器如圖1所示，由陶瓷插芯、單模光纖、鋁制套管、防塵網(wǎng)、鋁制外殼、復(fù)合薄膜和銅環(huán)等部件按圖示結(jié)構(gòu)組成。防塵網(wǎng)起到保護(hù)傳感膜片的作用；外殼和套管是整個(gè)傳感器的支撐件，套管上有微小的氣孔用于平衡內(nèi)外氣壓；陶瓷插芯用于固定單模光纖；銅環(huán)用于固定傳感薄膜。單模光纖端面和復(fù)合薄膜的端面構(gòu)成F-P腔，當(dāng)復(fù)合薄膜感應(yīng)到聲波時(shí)，會(huì)發(fā)生形變從而調(diào)制F-P腔長(zhǎng)，弱反F-P干涉輸出為

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中A為直流分量，B為F-P干涉儀的調(diào)制幅度，λ為輸入激光波長(zhǎng)，n為空氣折射率，l0為F-P腔初始腔長(zhǎng)，s為復(fù)合薄膜聲壓響應(yīng)靈敏度，p和ω為作用在復(fù)合薄膜上聲壓的大小和角頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的波長(zhǎng)使得干涉儀的初始相位為

(2)

如果4πnsp/λ?1，F(xiàn)-P干涉輸出可近似表示為

(3)

因此，可以通過(guò)直接檢測(cè)干涉儀輸出強(qiáng)度變化即可實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)解調(diào)。

因?yàn)镻PS薄膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、難燃、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，本文采用2 μm厚PPS薄膜作為聲學(xué)感應(yīng)薄膜。對(duì)PPS薄膜邊緣施加一定的預(yù)應(yīng)力，通過(guò)膠水使其平整的固定在銅環(huán)上。為了增加PPS薄膜的反射率，采用磁控濺射的方法在其表面鍍上一層約100 nm厚的鎳膜，形成金屬—聚合物復(fù)合型薄膜，其優(yōu)點(diǎn)在于：不用嚴(yán)格保證光纖垂直于薄膜，便于傳感器的制作；提高F-P干涉條紋對(duì)比度，增加傳感器的靈敏度。本文制作的傳感器典型干涉譜如圖2所示，F(xiàn)-P腔長(zhǎng)約160 μm，干涉條紋消光比可達(dá)12 dB, 可保證傳感器高靈敏度輸出。

圖2 F-P干涉譜

本文通過(guò)PPS薄膜實(shí)現(xiàn)高效聲光換能，薄膜的一階諧振頻率為

(4)

式中h和ρ分別為薄膜的厚度和密度，r為薄膜的半徑，T為薄膜邊緣受到的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)作用在薄膜上的聲波頻率遠(yuǎn)小于薄膜一階諧振頻率時(shí)，薄膜中心位置發(fā)生的形變量為

(5)

結(jié)合等式(4)和式(5)可知，薄膜半徑越小，靈敏度越高，但諧振頻率越低，工作頻率范圍越窄；薄膜邊緣所受的預(yù)應(yīng)力越大，靈敏度越低，但諧振頻率越高，工作頻率越寬。為了保證設(shè)計(jì)的傳感器既具有高的靈敏度和寬的頻率工作范圍，復(fù)合薄膜的有效工作半徑設(shè)置為2.3 mm；粘貼薄膜時(shí)，薄膜邊緣施加的預(yù)應(yīng)力設(shè)置為20 N/m。本文通過(guò)COMSOL軟件對(duì)薄膜聲學(xué)特性進(jìn)行模擬仿真，PPS薄膜的楊氏模量、泊松比和密度分別為3.8 GPa，0.1和1.32 g/cm3，銅環(huán)的內(nèi)、外直徑分別為4.6 mm和6 mm，1 Pa壓力下，傳感膜片中心位置的形變量為66.112 5 nm，如圖3(a)所示，計(jì)算出傳感膜片聲壓靈敏度為66.112 5 nm/Pa，與式(5)計(jì)算結(jié)果基本一致。同時(shí)對(duì)傳感薄膜的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，一階特征模態(tài)響應(yīng)如圖3(b)所示，一階諧振頻率為14 484 Hz，計(jì)算結(jié)果和式(4)計(jì)算結(jié)果一致。

圖3 膜片聲學(xué)性能仿真

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文采用圖4所示方案，測(cè)試傳感器的性能，光源采用Alnair Labs TLG—200 窄線寬可調(diào)諧激光器作為光源，工作波長(zhǎng)設(shè)置為1 544.5，使得干涉儀初始相位為(π/2+2πm)，功率為10 dBm。激光器發(fā)出的光通過(guò)環(huán)形器入射至傳感器，然后通過(guò)Newport 1623光電探頭接收反射光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后通過(guò)OWON EDS102E示波器檢測(cè)時(shí)域波形變化。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出特定頻率的聲波信號(hào)，利用標(biāo)準(zhǔn)聲級(jí)計(jì)標(biāo)定聲壓大小。

圖4 傳感器性能測(cè)試方案

將信號(hào)發(fā)生器的頻率設(shè)置為3 902 Hz，改變驅(qū)動(dòng)電壓，使得聲壓由66 dB增加至90 dB, 每隔3 dB記錄示波器輸出波形變化，結(jié)果如圖5(a)所示，隨著聲壓的增大，輸出信號(hào)頻率不變，幅值逐漸增大。圖5(b)展示了傳感器輸出信號(hào)幅值與聲壓大小線性擬合曲線，傳感器輸出信號(hào)幅值與聲壓大小呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，線性擬合度為0.990 76，通過(guò)計(jì)算線性擬合曲線的斜率可知,本文設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度高達(dá)549.8 mV/Pa。

圖5 不同聲壓下傳感器的響應(yīng)變化

改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，使得喇叭發(fā)出的聲波頻率從50 Hz變到20 kHz，聲壓大小保持為75 dB不變，計(jì)算不同頻率下傳感器的響應(yīng)變化如圖6所示，傳感器在50 Hz～10 kHz內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度約27 dB(re 1 mV/Pa)，靈敏度抖動(dòng)小于±0.8 dB。傳感器響應(yīng)諧振頻率約為141 32 Hz，與理論仿真計(jì)算值14 484 Hz基本一致。

圖6 傳感器頻率響應(yīng)曲線

圖7為50，3 902，20 000 Hz頻率下，聲壓為85 dB時(shí)，傳感器輸出信號(hào)頻域圖。不同頻率下，傳感器都有很好的響應(yīng)，信噪比高達(dá)57 dB，最小可探測(cè)聲壓為28 dB @ 3902 Hz。低頻段的噪聲有所增加，一部分是由于環(huán)境噪聲引入的，另一部分是溫漂和光源不穩(wěn)噪聲導(dǎo)致的，可采用負(fù)反饋的方式調(diào)制光源輸出波長(zhǎng)，降低低頻噪聲。

圖7 不同頻率聲波作用時(shí)，傳感器輸出頻域圖

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于F-P干涉儀的高靈敏度聲波傳感器，通過(guò)光纖端面和PPS薄膜構(gòu)成F-P腔。復(fù)合薄膜感應(yīng)聲壓發(fā)生形變，周期性調(diào)制F-P的腔長(zhǎng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)F-P干涉儀輸出強(qiáng)度變化直接解調(diào)出聲波信號(hào)，靈敏度高達(dá)549.8 mV/Pa，50 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，此范圍內(nèi)靈敏度抖動(dòng)小于±0.8 dB，信噪比高達(dá)57 dB，最小可探測(cè)聲壓為28 dB(re 20 μPa)。本文設(shè)計(jì)的光纖聲波傳感器可用于噪聲監(jiān)測(cè)、管道泄露檢測(cè)和火災(zāi)探測(cè)等領(lǐng)域。