单模光纤在声波作用下应变的研究开题报告

全文总字数：5153字

1. 研究目的与意义（文献综述）

声传感器广泛应用于海底探潜、医疗成像和结构健康监测等领域。光纤声传感器随着声传感器的热潮而得到发展，目前虽然已经有大量关于光纤声传感器的研究报道，但是主流的声传感器仍然是电学类型的声传感器,电学类型的声传感器一般只能实现20hz-20khz频率范围的声波的传感，其中的超声传感器则是基于压电陶瓷且单一器件只能实现单一频率的检测。而与电学类型的声传感器相比，基于光纤激光器的声传感器可以达到mhz级别的检测带宽，适用于宽频带微弱信号检测。另外光纤声传感器具有灵敏度高、隐蔽性好、抗电磁干扰以及结构元件无金属化等优点，使得光纤声传感器可以用于一些极端环境。例如在nmr检测中的病人,若要和医生联系时,除光纤声传感器外,其他任一款式传声器都不能胜任。

光纤声传感器其本质是光纤在声波作用下的应变传感，而引起光纤应变的原因有的是声波直接作用于光纤而产生形变，还有一部分是通过声波作用于光纤传感器探头上的膜片引起变动，从而带动光纤的变形完成光纤对声波的传感。单模光纤在声压下发生的形变可以调制在光纤内传播的光信号的强度、波长、相位、偏振态等参数，根据这一基本原理，大部分光纤声波传感器可简单分为强度调制型、干涉型和光纤光栅型。

强度调制型光纤传感器是指通过调制光纤中传输光的强度从而达到测量声波信号的目的。1977年，nelson等人将光纤弯曲放置于u形装置内，并将一端固定，弯曲段的中间点粘贴于薄膜上，环境中的声波引起薄膜振动，进而改变光纤中传播的光强。通过解调单元获得强度变化的幅频特性, 实现频率为 1163 hz的声波探测，但是此传感器感知声波的灵敏度和频率决定于光纤的初始弯曲和薄膜的特性。基于这一研究结果，1979年, sheem和cole提出,利用经腐蚀处理的双光纤缠绕制作出耦合器,这一改进使得传感器可以灵敏探测声波引起的环境折射率变化及光纤间隔变化,在实验测试中,该传感器可感2khz的声波信号。此后对于光纤强度调制型声波传感器的研究不断发展，2005年nessaiver等人采用一块散射透镜和麦克风膜片两种结构制作了光麦克风，该麦克风基于光强度调制原理，当声波调制反射膜片时，系统腔长发生改变，通过后台对于调制后的光进行采集分析还原声波。光纤强度调制型的声波传感器在前期的一些研究工作中, 虽然在探测声波方面已表现出较高的灵敏度及宽频带的响应,但是其容易受到光源波动，且传感系统自身的光强度损耗较大,另外仅适应于单点声波感测，这使其后期的研究应用受到局限。

2. 研究的基本内容与方案

设计的基本内容：本次毕业设计的工作将是首先在仿真软件上模拟仿真出单模光纤在声波作用下的应变，通过分析声压的变化对应的光纤应变量的变化情况，以及一些理论数据的理论性计算结果，与在真实实验中出现的现象作对比，分析单模光纤对声波的响应特性，并且通过改变参数设置进一步判断不同参数的单模光纤对声波的响应特性。

设计完成的主要任务：

（1查阅文献了解光纤声传感器的发展现状，熟悉各类光纤声传感器的基本原理，重点掌握光纤激光器进行声传感的相关知识。（2）学习有关仿真软件，对单模光纤在声波作用下的应变进行仿真，分析单模光纤对不同频率声波的响应特性。（3）研究不同直径的单模光纤对声波的响应特性，设计基于光纤激光器的高灵敏度的声传感结构。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解所需的光纤激光器的传感机理。确定方案，完成开题报告。

第4 - 6周：完成英文文献翻译，进一步明确研究目标，利用光纤激光器，研究光纤在不同频率声波作用下的应变。

第7 - 9周：研究不同参数的单模光纤对声波的响应特性，设计基于光纤激光器的高灵敏度的声传感结构。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] guo j, yang c. ultrasonic lambwave detection based on a tunable, narrow-linewidth, and frequency-locked fiberlaser[j]. ieee photonics journal, 2017, 9(4):1-8.

[2] cranch g a,flockhart g m h, kirkendall c k. distributed feedback fiber laser strainsensors[j]. ieee sensors journal, 2008,8(7):1161-1172.

[3] 马丽娜. 光纤激光水听器技术[d]. 国防科学技术大学, 2010.