摘 要

超声波广泛应用于测距、探伤和医疗成像等领域，利用超声波在气体中的声衰减来检测气体浓度还有很大的发展空间。由于测量超声波的诸多限制，我们希望寻找到测量频率范围宽、测量灵敏度高的超声波传感器。在目前主流的超声波传感系统中，超声波的检测核心是具有正、逆压电效应的压电陶瓷，超声波的发射和接收都是利用压电陶瓷的某一阶谐振频率，实现单一频率的超声波检测，其检测精度也容易受电路限制，这不利于多频率点的声衰减的精确测量。随着光纤超声传感器的发展，特别是水听器的发展，给我们提供了很多选择。光纤光栅超声传感器相较于其他光纤超声传感器，具有较高的信噪比，可测量的声波频率范围也远超目前可用于气体检测的超声波频率范围。寻找合适的光纤光栅高速解调系统也是光纤光栅超声传感器的一个重要内容。

本论文在了解光纤光栅超声传感的理论机理的基础上，建立光纤光栅反射波长与被测超声波参数的对应关系，寻找一种合适的光纤光栅高速解调系统，并进行仿真分析该系统的解调性能。

关键词：声衰减；动态解调；光纤光栅；超声波

Abstract

Ultrasonic wave is widely used in ranging, flaw detection and medical imaging, and there is still much room for the detection of gas concentration by ultrasonic sound attenuation in gas.Due to the limitations of ultrasonic measurement, we hope to find ultrasonic sensors with wide frequency range and high sensitivity. In the current mainstream of ultrasonic sensing system, the ultrasonic detecting core is a positive and inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic, ultrasonic transmitting and receiving is to use a order resonance frequency of piezoelectric ceramics, realize single frequency ultrasonic testing, its detection precision is easily restricted by circuit, which is not conducive to the precise measurement of the acoustic attenuation of frequency point. With the development of fiber optic ultrasonic sensors, especially the development of hydrophone, we have many choices. Fiber Bragg grating ultrasonic sensor is compared with other fiber optic ultrasonic sensors, with high signal-to-noise ratio, sound wave frequency range also far above the current can be measured ultrasonic frequency range can be used for gas detection. Finding a suitable high speed demodulation system of fiber grating is also an important content of fiber grating ultrasonic sensor.

In understanding this paper fiber Bragg grating, on the basis of the theory of ultrasonic sensing mechanism, establish a FBG reflected wavelength, the corresponding relationship between ultrasonic parameters being tested to find a suitable high speed optical fiber grating demodulation system, and carry on the simulation analysis of the demodulation performance of the system.

Key Words： The sound attenuation; Dynamic demodulation; Fiber grating; Ultrasonic

目 录

第1章 绪论 1

1.1超声波传感现状及应用 1

1.2 超声波检测技术及发展概述 1

1.2.1 传统超声波检测技术 1

1.2.2 光纤超声传感器检测技术 2

1.3 纤超声传感的类型及特点 3

1.3.1 强度调制型光纤超声传感器 3

1.3.2 相位调制型光纤超声传感器 4

1.3.3 波长调制型光纤超声传感器 5

1.4 光纤光栅的应用优势 5

1.5 毕业设计主要工作及论文结构安排 6

第2章 光纤光栅超声传感器原理 7

2.1 超声波传播特性 7

2.1.1 超声波的波形特性 7

2.1.2 超声波传播及超声场特性 8

2.2 光纤布拉格光栅特性及传感原理 9

2.3 超声波激励下的光纤布拉格光栅响应特性 10

2.5 解调原理及方法 11

2.6本章小结 12

第3章 光纤光栅超声传感系统的设计和仿真 13

3.1 传感系统设计 13

3.2 光纤光栅参数的仿真 14

3.3 信号解调系统的设计和仿真 15

3.4 本章小结 16

第4章 系统误差分析 17

4.1 FBG超声传感器调制部分的误差估计 17

4.2 FBG超声传感器解调部分的误差估计 17

4.3 本章小结 18

第5章 总结与展望 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1超声波传感现状及应用

人类进入信息化时代以来，各种围绕信息获取、传输及处理的技术手段研究不断深入，目前传感器行业正在蓬勃发展，超声波的应用也占据着一席之地。超声波是高于20kHz的声波，可以在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，并且具有能量集中的特点。超声波的波长比一般声波波长要短，只有几厘米，甚至到千分之几毫米，在均匀介质中传播时，由于其衍射性弱，使得在传播过程中具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。比较常见的超声波传感器有超声波物位计、超声波液位计和超声波流量计，利用了声波的反射、衍射和多普勒效应。某些频率的超声波会引起物体的共振，这一特点会限制薄膜类型的声传感器测量的声频率上限。超声波能量大的特点还使其广泛应用于清洗、碎石、焊接、杀菌消毒等领域。超声波在气体浓度检测方面也有很大的应用价值，但是超声波的测量精度在一定程度上限制了超声波在气体浓度检测方面的发展。

传统的声波测量器件，比如微音器（麦克风），基本都是利用薄膜状的敏感单元来感测声波，而且容易受敏感单元共振频率的限制，一般在可听声波波段具有平坦的频率响应曲线。可应用到超声波频段的麦克风极少，而且频率响应曲线极不平坦。目前主流的超声波传感器是采用了具有正压电效应和逆压电效应的压电陶瓷，利用其某一个谐振模式，发射和接收处于这个谐振频率的超声波，即只能实现单个频率的测量。高频超声波由于其振动频率过高，在空气中衰减非常快，传播距离极短。目前空气中可以利用的超声波频率最高到500kHz，目前很多超声波都应用在液体中，比如现在发展很成熟的水听器。光学方法的测量精度一般比电学方法高很多，也就出现了很多光纤超声传感器。测量的超声波频率上限很多都到了兆赫兹级别，其灵敏度也很高。

1.2 超声波检测技术及发展概述

1.2.1 传统超声波检测技术

长久以来，传感技术的基础都是材料和微电子技术，在超声波传感器领域也是如此。直到现在，超声波传感器的核心部件依然是基于压电效应的压电换能器(piezoelectric transducer, PZT)。压电效应是指压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷的现象，其电荷密度与外机械力成正比。超声波声场的声压与PZT产生机械共振，超声波信号由此转化为电信号，解调系统通过对电信号的处理完成对超声波信号的获取。图1.1为典型的PZT超声传感器结构。

图1.1 PZT超声传感器结构

得益于电子和材料技术的不断发展，基于PZT的超声波传感器的理论研究和应用已经相当完善，由于其自身物理原理及结构存在的限制，PZT超声波传感器的局限性也凸显出来，主要表现为以下方面：

（1）PZT利用的是其某一个谐振模式下的谐振频率，在该频率下其振动模式不会与其他谐振频率的振动模式发生耦合，形变也比较明显。所以只实现单一频率的发射和接收。

（2）由于PZT响应的方向性比较单一，在面对复杂声场探测时存在限制。

（3）易受到电磁干扰。

（4）复用性差，组网复杂。

（5）对高温、腐蚀等严苛环境的适应能力差。

1.2.2 光纤超声传感器检测技术

光纤传感技术是伴随光纤技术发展而迅速兴起的传感技术，1966 年, Kao 和Hockham 等报道了光纤的光通讯特性，同时，他们还研究了在光纤中传输的光波相关参量的调制特性，这为光纤传感器的研究打下了基础。在以电子学及微电子学为基础的传感研究和应用中，人们逐渐意识到由于电子的物理特性而越来越多的受到限制。以水听器为例，目前大规模应用的是以压电换能器(piezoelectric transducer, PZT)为核心的电子水听器，通过机械共振的方式将声压信号转化为可处理的电信号，其呈现响应带宽窄，抗干扰能力差，不易复用等特点。光纤传感技术的诞生，则很好地解决了电子物理极限带来的限制。光子的频率比电磁波高很多，光信号远距离传输衰减优于电信号，且不易受到电磁干扰的影响，载波密度及传输速度均优于电信号。以光纤超声传感器为例，其具有响应带宽大、灵敏度高、抗电磁干扰强、适应高温、腐蚀等复杂环境、易于复用组网等等优点。种种优势使得光纤传感成为目前传感技术研究和应用中的首选方向，光技术也成为突破传统电子技术限制的有效手段，在高精度、复杂环境、网络化传感等应用场景中，光纤传感器取代传统电子传感器也成为趋势。

光纤中的光线在传播的过程中包含了相当丰富的光波特征参量，超声波作用下的光纤实现了对这些特征参量（相位、偏振态、振幅、波长）的编码，解调出参量变化即可实现对超声波信息的获取。

1977年，动态应变光纤传感器首次被报道，其运用机械波对光纤弯曲程度的影响实现对光强度的调制，运用这一装置，Nelson实现了对频率为1163Hz的声波的探测。后续报道中还出现了双光纤耦合的改进方案，强度调制型光纤传感器已经在实验中证明可以用于超声波的探测，并出现了运用对光波偏振态调制实现强度调制的方法。另外一种重要的方案为对光波的相位进行调制，通过干涉检测相位变化实现对声波的传感，例如2016年Sun等报道的该类结构传感器实现了为25kHz的超声波传感。而目前最具研究和应用前景的是光纤光栅传感器，超声波传播过程中，声场的动态变化对光纤光栅施加影响，导致其光纤布拉格中心波长改变，解调波长变化即可获得超声波的频率和强度信息。

超声波具有的独特优势使其在越来越多的领域得到应用，其使用场景呈现复杂化等趋势对传感系统也提出了越来越高的要求，目前来看，光纤传感器是适应这些要求的最好选择，广阔的应用前景必然会推动光纤超声传感器的研究和应用。

1.3 纤超声传感的类型及特点

光纤中传播的光波存在丰富的可编码的光波参量，目前的报道中围绕所选取的编码参量可将光纤超声传感器分为以下几种类型。

1.3.1 强度调制型光纤超声传感器

此类光纤超声传感器的机理为超声波作用于光纤，使光纤中传输的光信号的强度发生变化，检测出光信号的变化量即可实现对超声波的测量。改变光强的方法比较多样，如在应力传感中常见的改变光纤微弯状态的结构就最早用于声波探测的尝试。另外，包括透射式和反射式强度调制结构也被应用，其结构如图1.2及图1.3所示。两种结构的共同点是存在定纤部分及接收声波扰动的动端，声波对传感器动端的机械扰动导致光纤耦合效率的变化，从而导致光强的变化。以上结构的光纤传感器依然是通过机械波共振的方法实现对超声波的测量，优点在于原理及结构相对简单，缺点也比较明显，除了精度较低外，还存在与PZT相同的无法探测声波方向、不易复用等固有限制，此外，对结构精密度要求较高、光源稳定性要求高等特点使其成本居高不下。

图1.2 透射式强度调制传感结构

图1.3 反射式强度调制传感结构

为了进一步提高强度调制结构的探测精度，后续的报道中出现了通过超声波影响光纤或环境折射率分布调制光纤传输损耗的方法来调制光强的研究案例，且出现了多模光纤替代单模光纤的方式来增强光场共振重叠等改进方案来提高探测的灵敏度。

由于超声波可以引起传输介质的形变，在具有双折射特征的介质中，超声波将会引起双折射的改变。基于这个原理，出现了通过偏振态调制间接调制光强的传感结构。利用偏振态滤波器将经过调制的两种偏振态滤出，对两束光的强度的探测可以提高探测的灵敏度和信噪比，这种结构在实验中成功实现了对频率为100Hz至2kHz的声波的探测。

1.3.2 相位调制型光纤超声传感器

此类传感器的机理为超声波作用于光纤导致光纤的弹性形变、折射率改变，使得光纤中传输的光线的相位发生变化，通过干涉解调出相位变化来获得超声波的信息。最早应用于超声波探测的相位调制型光纤传感器基于MZI构成，通过参考臂与传感臂的信号干涉来探测水中的超声波信号。其典型结构如图1.4所示。

图1.4 光纤MZI相位调制型超声传感系统

光纤MZI相位调制型超声传感系统在实验中已经实现40-400kHz的超声波探测，且出现了将光纤形变与表面压力作用叠加的方式提高系统灵敏度的方案。该结构存在的问题包括传感器不易微型化、参考臂容易受到低频振动的影响，另外，该系统复用性也相对较差。

另外一类典型的结构为光纤FPI干涉仪相位调制型传感器。FPI的结构如图1.5所示，因为弹光效应，超声波作用于FPI时，干涉腔中传输的光相位被调制，通过探测输出功率和输入功率得到相位差信息。

相对于强度调制型光纤光栅传感器，相位调制型传感器具有更好的微型化潜力，也具有更高的响应频带及探测灵敏度。但该类结构也存在复用差、易受干扰（低频振动、温度等）等缺点，相对而言系统也更加复杂。

图1.5光纤FPI结构示意图

1.3.3 波长调制型光纤超声传感器

采用此种原理的典型结构为光纤光栅超声传感器，传感机理为超声波作用于光纤光栅，导致光纤光栅布拉格中心波长改变，解调出波长变化即可得到超声波的频率和强度信息。在有效控制光纤光栅的写入技术前提下，光纤光栅超声波传感器可以实现高精度的超声波检测，且此类结构传感器具有极佳的复用和组网潜力，在以往的文章中有使用光纤光栅传感器在波分复用机制下实现水下超声波多点探测的报道。此外，由于沿光纤光栅轴向的声波作用敏感性远大于其他方向，这使得光纤光栅超声传感器有着很高的方向敏感性，可通过多个FBG超声传感器组网构成的系统实现对声源位置的判断。

与以上三种类型的光纤超声传感器相比，光纤光栅超声传感器具有抗干扰能力强、易于复用和组网、结构简单、易于微型化等优点，加之目前光纤光栅的写入工艺已经相当成熟，规模化的生产比较容易实现，因此具有很高的研究价值和广阔的应用前景。当然，光纤光栅超声传感器还存在波长漂移检测困难和需要大功率宽带光源或可调谐光源、成本控制困难等问题。

1.4 光纤光栅的应用优势

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤布拉格光栅的原理是由于纤芯去折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。超声波作用下布拉格光栅的等效折射率和光栅常数发生变化，超声波对反射波长的调制完成。

光纤光栅超声传感器以波长为绝对参量，具有很高的可靠性和稳定性。目前横向紫外曝光刻写技术应用已经比较成熟，规模生产比较方便，这是光纤光栅应用超声波传感的重要优势。

1.5 毕业设计主要工作及论文结构安排。

由于超声波的频率高于20kHz，光纤光栅传感系统中常见的强度解调、可调谐窄带光源检测和边沿滤波等典型的传感解调技术不再适用于高频信号解调。本次毕业设计的主要工作是通过查阅文献了解各类光纤超声传感器，对比分析各类传感器的优劣；掌握光纤光栅超声传感器的基本工作原理，尝试理论分析并建立光纤光栅反射波长与被测超声波参数的对应关系。通过仿真和理论分析找出一种合理的可以实现高速动态解调的光纤光栅超声传感系统。

第1章介绍了超声波的相关应用，并对目前超声传感器进行了简单的对比分析，特别是光纤光栅超声传感器的优势，无论是其可以进行宽频率范围的超声波检测，还是其较高的灵敏度。

第2章主要介绍了光纤光栅超声传感器对超声波检测的原理，对超声波的基本波形和传播特性进行了分析，并分析了光纤光栅在超声波作用下的响应特性。最后，对主要的几种解调系统做了介绍和比较。

第3章在前面讨论的基础上，选择合适的结构完成设计，用Optigrating软件对光纤光栅参数进行了仿真，并用Matlab对解调系统做了仿真分析。

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