研究目的
展示一种采用光纤法布里-珀罗（FFP）腔的高灵敏度、高带宽光纤应变传感器，以实现卓越的灵敏度和高测量带宽。
研究成果
基于FFP腔的应变传感器展现出卓越的灵敏度和高带宽特性，应用范围涵盖乐器拾音器到医疗诊断领域。未来发展方向可聚焦于降低电子噪声以提升性能。
研究不足
测量中剩余的噪声源自电子源，这表明电子元件存在潜在的优化区域，以进一步提高动态范围。
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[IEEE 2019欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 光子吉他拾音器：一种高灵敏度、高带宽光纤应变传感器
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DOI：10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8872589
出版年份：2019
更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要：
光子吉他拾音器：一种高灵敏度、高带宽的光纤应变传感器。光纤应变传感器已广泛应用于从结构健康监测（振动检测）到压力与温度传感等诸多领域。这类传感器大多利用光纤布拉格光栅、λ相移光栅或其他波导器件的应变敏感反射波长特性，通常通过反射或透射光强的变化来推断应变值。但光强测量方法稳定性欠佳且精度存在固有局限。
我们提出采用基于光纤法布里-珀罗（FFP）腔的频率式应变测量方案，不仅能实现更高灵敏度，还能保持极高测量带宽。本文展示了一种基于FFP腔的光纤振动传感器，该系统由一对匹配的23分贝光纤布拉格光栅与定制信号处理电路组成。通过庞德-德雷弗-霍尔方案将激光二极管波长锁定在多个腔谐振峰之一上。实验证明这种应变传感器具有超宽动态检测范围（从低于1赫兹至近6兆赫的临床超声频段），其线性灵敏度范围覆盖1纳牛至2皮牛区间，动态响应极限高达12毫牛/秒。
为验证应变测量的高保真度，我们将FFP腔传感器安装在原声吉他面板上录制多首旋律。正如预期，该传感器系统基本不受光强波动噪声影响，在50分贝声功率动态范围内实现了从次声波（约8赫兹）到30千赫的无失真音频记录。测量残余噪声源自电子元件而非光学系统，这表明未来若有必要可进一步提升测量动态范围。
在其他实验中，我们将同款传感器分别固定于酒杯边缘和钢制悬臂梁侧面，监测这些机械谐振体对周期性光激发的（光）声响应。例如发现通过钼蓝络合物的光声激发检测正磷酸盐时，其检测限低于2ppm。最后将该传感器嵌入仿组织体模，验证其对低频（心跳）与高频（超声脉冲）的准确响应。最新版本采用树莓派微控制器驱动激光器和PDH电路，使传感器系统兼具紧凑性与经济性。我们认为基于PDH询问的FFP传感器头方案具有强健性与多功能性，适用于各类监测应用场景。
作者：
Jack A. Barnes，Hans-Peter Loock
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