光纤传声器的原理及发展前景

周成全

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南232001）

在通信级光纤试验获得成功之后，光纤传声器迅速发展起来，成为了一种新型传感器，与其他传感器比起来，光纤传声器除了具有抗电磁干扰能力强、体积小、简单、灵敏、低损耗和耐腐蚀、高温、高压、安全等特点之外，它在对温度、位移等的测量中也具有独特的性能。光纤传声器的研究，美英等国的研究开始于20世纪70年代，其中大量的研究工作主要集中于该装置的工程应用。目前，光纤传声器仍难以在工业过程中实现广泛应用，问题在于如何使得实用化光纤声传感器在设计、加工、使用方面做到与机电型传感器相当。我国的光纤传声器研究起步较晚，开始于20世纪80年代。由于研究条件和技术水平的限制，研究成果与国外相比还有一定的差距。

1 光纤传声器的原理及类型

光纤声传感器的原理图如下：

图1

图1我们给出了结构示意图。如图1所示，从LED灯管发出的光线经由光耦合器耦合至多模光纤中，再投射到位于探头部分的弹性膜片上，经弹性膜片反射后的部分光线被重新耦合进入多模光纤，再经过耦合器和接收光纤进行输出，被PIN管接收，外界产生的声压使弹性膜片受迫震动，从而可以对反射回多模光纤中的光进行调制，最后经过信号处理器进行信号处理过后的声音进入扬声器，就可以实现对声源进行还原。

光纤传声器目前主要有三种调制模式：光强调制型、相位调制型以及偏振调制型。

1.1 偏振调制型

偏振调制型的光纤传声器是基于改变光在光路中的偏振状态，并且使用偏振选择光来改变作用在光电二极管上的光强度来进行工作。由于所有的光电二极管都可以实现光强度响应，则任何光调制过程都需要发生光强的变化，并且在通过光电探测器后将光转换成电信号。

1.2 强度调制型

强度调制型光纤传声器是更为简单的一种类型，其基本原理为：由光源发出光线，通过光纤入射到金属涂层处理的膜片，当声音作用于膜片时，由于有声压的作用，膜片与光纤之间原本的距离发生变化，导致入射光被调制，反射后，再经由接收光纤传送到探测器上，解调后就可以还原为声音信号。

1.3 相位调制型

相位调制型传声器是通过光干涉来调制光路中的光强度，其优点是不易受光功率波动以及光纤的传输损耗变化等干扰的影响，保真度较高，更有利于实现对高精度声压的测量。

2 几种新型光纤传声器

2.1 基于MEMS技术的光纤传声器

该传声器基于微机械电子系统（MEMS）与光纤传感技术。与传统的机械传声器相比，MEMS光纤传声器具有很多特点。它具有高灵敏度，探测端口电绝缘，抗电磁干扰性能佳等诸多明显优势。

该传感器基于衍射光栅敏感结构的超声波传感器，利用硅光栅敏感膜自身发生形变后产生的精位相调制实现对超声信号进行检测，用MEMS工艺将工作点偏置到高灵敏度线性区域，其内部通过双光纤准直器实现了整体封装，保证仪器有较高灵敏度的同时也可以很好的解决均匀硅膜的频率受限。通过理论分析之后对硅薄膜的尺寸进行优化处理，调整了脊区厚度和周期结构参数。当谐振频率达到MHz级以上时，硅光栅薄膜的灵敏度仍可保持。该产品具有微型化，材料机械电气性能优良等特点。

2.2 反射式光纤声传感器

该传感器系统由光源、驱动电源、探头、光纤、光电检测电路、光探测器、耦合器等组成。

工作原理是：通过发射光纤将光源入射到振动薄膜上，由声音信号驱动薄膜产生振动，引起薄膜产生曲率、位移的变化。然后对反射回接收光纤的光强进行接收并调制，通过光电检测电路、光电探测器处理得到反映声音特征的电信号。其过程可分为三个阶段。

声—机转换。由声音信号引起的薄膜振动并且产生了位移，这个转换的关键在于把握薄膜的频率特性和灵敏度，即薄膜位移量与固有频率之间的关系。

机—光转换。薄膜由于声音信号产生位移后导致发射光纤发射回接收光纤的光线将受到调制。这一转换过程的主要特性是确定光强调制函数，即接收光强和薄膜与光纤端面距离的关系。

光—电转换。接收光纤接收的调制光经过光电探测器转换成为电流信号后，再经过光电检测电路就可以转化成电压信号。这一转换过程的主要特性是确定光电转换系数即输出电压与接收光强的关系。

2.3 萨格奈特（Sagnac）干涉式光纤声传感器

该传感器利用萨格奈特干涉仪结构的原理，进而来感知声音信号的。

由萨格奈特效应可知，当干涉仪没有外力作用时，在其中若有按顺、逆时针传播的两束光线，其光程差为0。当在非中心点的光纤回路某个位置上受到声音的作用时，就会导致顺、逆两束光到达声源扰动位置的时间不同，形成相位差。

本干涉器就是基于该效应原理对声音进行声光转换，并对声源扰动的位置进行确定。

3 发展前景

光纤传声器作为新一代声传感器，其具有的小型化，抗电磁干扰、使用寿命长、精度高等特点，将会在未来的传感器发展研究领域占有重要的位置。尤其是随着光纤制造水平的提升，各种新型高精度，高强度的光纤的引进，必将会为光纤传声器的发展增加技术支持与动力，相信在未来，改型传感器将会有更多学科交叉领域产品问世，在更多领域为国民经济的发展发挥作用。

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