基于Sagnac型的双光路平衡探测光纤声传感器

2013-04-25朱剑锋

电子科技 2013年9期

朱剑锋

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004)

与传统的电传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆等特点。光纤声传感器主要应用于传统电声传感器无法使用的环境，如应用于医用CT机、磁子共振室等强电磁干扰环境、长距离野外传输管线的安全监测等。它能在强腐蚀的化学或强电磁干扰的环境下完成传统电声传感器所不可能完成的任务［1－2］。

文中设计了一种基于3×3耦合器的干涉式光纤声传感器。使用3×3均分耦合器构建Sagnac干涉仪来获得2路具有恒定相位差的等幅干涉输出信号。当调制相位变化不大时，由于2路信号的交流项的幅度相同且相位相反，在对其做简单数学运算后即可减少在光路和电路中引入的扰动噪声，提高稳定性。

1 系统结构与原理

双光路平衡探测指在光路中利用器件使得两个探测器获得的光电流强度相同，其目的是为了提高系统的信噪比和抗干扰性。Sagnac型双光路平衡探测光纤声传感器系统如图1所示。从3×3耦合器输出的沿顺时针(2－4－7－8－6)、逆时针(2－6－8－7－4)两光束返回到耦合器时产生干涉，最后干涉光束经耦合器分别输出到两个完全相同的光电探测器中。

根据光纤耦合器的差频特性和线性对称耦合理论［3－4］，3×3耦合器直通臂与耦合臂的相位差是2π/3，则端口1和2处输出的光功率为

其中，P0为光源发出的光耦合到光纤的光功率;Δφ(t)为外界声压导致的相位变化。在光路中引入2π/3相位偏置，以提高系统的灵敏度和线性度。

图1 系统结构图

将两束干涉光接入两个相同的探测器和I－V转化器，那么A、B两路电压信号表达式为

式中，η为光电转化运算系数，其大小与光电探测器响应度以及I－V转换器互阻放大有关。

当光纤受到外加声场作用时，光纤的长度、芯径和折射率会发生变化，将导致光波相位的变化。光纤在外加声压作用下，根据光纤的光弹效应理论，光波相位变化［5］可以写成

式中，n为光纤的平均折射率;k为光纤材料固有性质参数;ξ为光纤应变系数;L为延迟光纤的长度;p(t)为作用于感应光纤上的声压大小。

当相位调制变化φ(t)较小(＜0.1)时，有cos［φ(t)±θ］≈∓sinθ·φ(t)+cosθ，则有

从式(4)可知，两路信号的直流项相同，交流信号幅度相等且相位相反。在一般情况下，纤芯折射率n、光纤材料的固有性质参数k和应变系数ξ均为稳定的常数。在一定的范围内，要提高系统的灵敏度，可以通过增大耦合功率P0，延长光纤延迟线的长度L以及改善感应光纤的拾音特性来实现。

将A、B两路平衡信号作差分处理，得

从式(5)可以看出，双光路平衡检测结构可以把直流项完全消除，而且使得有效信号幅度加倍。外部声压信号p(t)与输出的电压信号VC(t)呈线性关系，实现了语音信号的还原。

在光路中引入双光路平衡探测结构使得两路探减少光源引入的噪声，又间接消除光路和电路中产生的共模干扰信号。系统输出信号无需解调，使电路得到了简化，从而减少了电路噪声。

2 实验与结果

实验测试装置如图2所示。实验装置包括光源(SLD)，中心波长1 550 nm、频谱宽32 nm、功率1 mW，所用光纤全部是单模光纤，延迟线为带900μm保护套的1 km(缠绕在直径为20 cm的塑料工字环上)单模光纤，感应光纤为3 m的裸光纤;3×3光纤耦合器(分光比均分);两路PIN管和I－V转换器参数相同。测试环境选在消音室，将感应光纤和麦克风对称分布在扬声器对称轴前方两侧，感应光纤和麦克风相距10 cm，与扬声器之间相距1 m，使其满足远场条件要求。