1.1 光纤FPI声波传感器研究

在光纤FPI声波传感器研究方面，本人已掌握了声波传播与耦合理论、声波敏感膜材料制备、传感器结构和光学探测等关键技术。本项目组前期先后研制了基于聚对苯二甲酸乙二酯醇(PET)膜、银膜和Parylene-C膜的的光纤声波传感器，其中当磁控溅射的银膜厚度为500nm，直径为6mm时，研制的光纤声波传感器的等效噪声声压可以达到40μPa/Hz^1/2，1.6kHz频率下的压力灵敏度达到5.97nm/Pa（High-sensitivity fiber-optic acoustic sensor for photoacoustic spectroscopy based traces gas detection. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 247: 290-295.）。设计的基于500nm厚度的Parylene-C膜的光纤声波传感器在次声波段具有极高的响应度，可达到2.2μm/Pa，等效噪声声压为22.1μPa/Hz^1/2。（High-sensitivity Fabry-Perot interferometric acoustic sensor for low-frequency acoustic pressure detections. Journal of Lightwave Technology, 2017, 35(24): 5276-5279.）

图1 基于不锈钢悬臂梁的光纤声波传感器实物图

图2 光纤悬臂梁声波传感器的频率响应

光纤悬臂梁声波传感器是本项目组的最新研究成果，其在稳定性、检测灵敏度和线性度方面相比膜片式声波传感器具有明显的优势（Chen K, Gong Z, Guo M, et al. Fiber-optic Fabry-Perot interferometer based high sensitive cantilever microphone[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2018.）。图1是本项目组在近期研制的基于不锈钢悬臂梁的光纤声波传感器实物图，悬臂梁尺寸为1.5 mm×0.8 mm，厚度为10 μm。图2是光纤悬臂梁声波传感器的频率响应，在1kHz频率附近的灵敏度超过200 nm/Pa。

1.2 光纤FPI声波传感器解调技术研究

为解决传统干涉-强度解调法和迈克尔逊干涉解调法存在的稳定性差和精度低等问题，提出了一种基于光纤白光干涉仪（WLI）的F-P腔长高速动态解调法（A fiber-optic Fabry-Perot accelerometer based on high-speed white light interferometry demodulation. Journal of Lightwave Technology, 2017, 36(9): 1562-1567.）。在此基础上，设计了如图3所示的基于高速光谱解调的光纤悬臂梁声波传感器，大幅度提高了声波探测的灵敏度、动态范围和稳定性，1kHz频率下腔长解调的噪声密度低至1.06 pm/Hz^1/2。在10 mPa声压下，与世界领先的微音器制造商英国Brüel & Kjær公司生产的4189型电容式微音器的对比实验结果如图4所示，新型光纤悬臂梁声波传感器探测的声波信号的信噪比比电容式微音器高出1个数量级，在1kHz下的等效噪声声压达到5μPa/Hz^1/2，是目前已知的最好水平（Chen K, Yu Z, Yu Q, et al. Fast demodulated white-light interferometry-based fiber-optic Fabry–Perot cantilever microphone[J]. Optics letters, 2018, 43(14): 3417-3420.）。

图3 基于高速光谱解调的光纤悬臂梁声波传感器解调系统

图4 光纤悬臂梁声波传感器和电容式微音器探测的声波信号的频谱对比图

4通道光纤FBG/F-P传感器解调仪

最新科研成果：采用FPGA进行信号处理，实现20kHz高速解调；F-P腔长解调分辨率：约30pm；信噪比相比电麦克高1-2个数量级；结合硅基悬臂梁，最小可检测声压达到0.5μPa/√Hz