【摘 要】
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声压传感技术在地质勘探、环境检测等领域有着重要的应用。传统光纤声压传感技术采用的强度解调方法易受到光源光强抖动影响,使其难以一直稳定工作在正交相位点（Q点）,并且强度解调法探测范围是有限的,而相位解调方法则没有这些限制。论文结合膜片式光纤Fabry-Perot（F-P）声压传感单元和基于光学游标效应的相位解调算法,实现声压传感器测量性能的提升。论文从高灵敏度、微型声压传感需求出发,基于多光束干涉理
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声压传感技术在地质勘探、环境检测等领域有着重要的应用。传统光纤声压传感技术采用的强度解调方法易受到光源光强抖动影响,使其难以一直稳定工作在正交相位点（Q点）,并且强度解调法探测范围是有限的,而相位解调方法则没有这些限制。论文结合膜片式光纤Fabry-Perot（F-P）声压传感单元和基于光学游标效应的相位解调算法,实现声压传感器测量性能的提升。论文从高灵敏度、微型声压传感需求出发,基于多光束干涉理论设计了以厚度100 nm金膜为敏感膜片的光纤F-P声压传感单元;对传感单元的光学特性、膜片的振动特性和基于光学游标效应的解调算法进行了理论仿真分析;采用溶解牺牲层制备工艺,制作了光纤F-P声压传感单元;搭建实验系统对强度和相位两种解调方式的微腔声压传感特性进行了测试。论文主要工作包括:传感机理的理论分析与3×3耦合器相位解调法的改进。结合模式耦合理论,分析了端面反射率和腔长对光纤F-P干涉谱的影响,以及传感膜片的形变灵敏度和频率响应特性;对比分析了引入光学游标效应的光纤F-P和Michelson干涉仪（MI）中,腔长（臂长差）对系统干涉谱的影响。理论分析发现:端面反射率和腔长均会影响干涉谱的对比度;传感膜片的形变灵敏度随着频率的增加呈现先增加后减小的趋势,谐振频率对应的形变灵敏度最大;光纤F-P腔长影响系统干涉谱的包络,而MI臂长差则影响内部干涉谱的周期。基于椭圆拟合,改进了传统3×3耦合器解调算法,理论和实验分析证明该方法可以很好的克服3×3耦合器的插入损耗和相位差偏差对解调结果的影响。膜片特性分析与传感单元制备、测试。利用第一性原理和椭偏仪,计算并测量了不同厚度金膜的介电常数,验证了金膜达到一定厚度时的介电常数与体材料一致;理论分析了传感膜片的厚度、半径对声压响应特性的影响:传感膜片的灵敏度随膜片半径增加、厚度减小而增加;采用溶解牺牲层的制作工艺制备了光纤F-P声压传感单元;测量了腔长为68.3μm的传感单元在空气和水中的光谱与系统光谱,传感单元的干涉对比度分别为15.5 d B和12.6 d B,满足后续的解调需求。传感单元水声性能测试。通过振动液柱法水声测试系统,对比强度解调和相位解调在20-900 Hz频域的声压响应,测试结果表明:传感单元具有线性的声压响应;强度解调方法的频域响应较平坦;而相位解调方法在声频率为800 Hz,传感单元腔长为68.3μm时,对应的最小可探测声压为10.4 mPa/Hz1/2。
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