無膜片全光纖拾音器傳感探頭、傳感探頭組及傳感方法
2023-12-09 14:06:56 2
無膜片全光纖拾音器傳感探頭、傳感探頭組及傳感方法
【專利摘要】本發明公開了無膜片全光纖拾音器傳感探頭、傳感探頭組及傳感方法，無膜片全光纖拾音器傳感探頭包括傳感部件，傳感部件為光纖軸，光纖軸由軸體、光纖和對聲音產生形變的聲音敏感材料組成，光纖有輸入端和輸出端，聲音敏感材料附於軸體外表面，光纖纏繞於聲音敏感材料上；傳感探頭之間通過連接光纖可以實現串並聯；置於聲音環境中對聲音產生的光相位變化進行解調。本發明的有益效果為通過對光纖拾音器傳感探頭採用聲音敏感材料和光纖實現了在聲音作用下光脈衝的相位變化，擺脫了現有光纖拾音器傳感探頭對膜片或者彈片的質量依賴，從而使得成本低廉，使用壽命長，並且製作工藝簡單化，降低了製作要求。
【專利說明】無膜片全光纖拾音器傳感探頭、傳感探頭組及傳感方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖拾音器【技術領域】，具體涉及無膜片全光纖拾音器的傳感探頭、傳感探頭組及傳感方法。
【背景技術】
[0002]光纖拾音器是一種將光纖傳感應用於聲音探測的設備，具有光纖傳感的一系列優勢，如抗電磁幹擾、耐腐蝕、安全可靠、結構簡單等。同時，它還具有體積小、靈敏度高、隱蔽性強等特點，而且其測量動態範圍廣、音質好。因此，光纖拾音器及其變形器件備受研究者們的青睞。
[0003]在先技術一介紹了一種反射式光纖麥克風傳感探頭。該探頭是採用簡單的強度解調方式，精度有限。而且，聲音的再現效果很大程度上取決於彈片的質量以及彈片與多模光纖的位置。因此，其製作過程的要求會非常嚴格。此外，該傳感頭只能單獨使用，無法進行串並聯° 參照:Zhang Hongju, Yao Shengli, Mi Lei, Theoretical analysis ofsensing probe in fiber microphone, Journal of Applied Optics,2008, Vol.29,N0.5,pp812_814。
[0004]在先技術二提出了一種基於MZ幹涉儀的全光纖麥克風,將膜片的振動轉換為光路相位的調製，解調精度提高。但是，與上述先技術一類似，聲音的效果取決於膜片的質量和位置。並且，無法實現多個麥克風的串並聯，大大限制了光纖拾音器的應用範圍。參照:WuDongfang, Jia Bo, Theoretical and Experimental Research of All Fiber MicrophoneBased on M-Z Interferometer, CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS,2007,Vol.20, N0.7，ppl528-1530。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是:現有的光纖拾音器傳感探頭對膜片質量依賴性強，製作工藝複雜、製作要求嚴格，成本高，並且難於實現對傳感探頭的串並聯。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的一種無膜片全光纖拾音器傳感探頭，包括傳感部件，所述傳感部件為光纖軸，光纖軸由軸體、光纖和對聲音產生形變的聲音敏感材料組成，光纖有輸入端和輸出端，聲音敏感材料附於軸體外表面，光纖纏繞於聲音敏感材料上。
[0007]聲音敏感材料是一類對聲音敏感的材料，在聲音作用下，其會發生形變，進而引起纏繞在其外部的光纖被拉伸。此為現有材料。
[0008]本發明一種無膜片全光纖拾音器傳感探頭的工作原理為:
[0009]傳感探頭置於聲音環境中，在聲音的作用下，附在光纖軸軸體上的聲音敏感材料發生形變，從而使得纏繞在聲音敏感材料上的光纖被拉伸。光纖拉伸時，其纖芯的折射率會發生變化，從而引起光纖中光脈衝的相位變化。外部的解調系統解調出無膜片全光纖拾音器傳感探頭處的相位-時間變化，從而獲得該處的聲音信息。傳感方法的詳細原理如下:
[0010]將所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭置於所需探測的環境中，聲音敏感材料在聲音的作用下發生形變，該形變引起聲音敏感材料外部光纖的變化。光纖內注入的光為窄線寬相干光脈衝，其相位對應變、溫度等非常靈敏。應變會通過改變折射率和光纖長度引起光程的變化AL，記作:
[0011]nl-n010 =AL
[0012]其中，nO和η分別是變化前後的折射率，10和I則為變化前後的光纖長度，Λ L為光程的變化。
[0013]而相位的變化可以按照如下公式進行計算:
[0014]
【權利要求】
1.一種無膜片全光纖拾音器傳感探頭，包括傳感部件，其特徵在於:所述傳感部件為光纖軸(6),光纖軸(6)由軸體(6-1)、光纖(6-5)和對聲音產生形變的聲音敏感材料(6-2)組成，光纖(6-5)有輸入端(6-3)和輸出端(6-4),聲音敏感材料(6-2)附於軸體(6_1)外表面，光纖(6-5)纏繞於聲音敏感材料(6-2)上。
2.根據權利要求1所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:還包括防護外殼(5)和底座(4),所述光纖軸(6)置於底座(4)上,防護外殼(5)設於光纖軸(6)外部,所述防護外殼上設有聲孔(7)。
3.根據權利要求2所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:所述底座(4)包括光纖軸底座(4-3)、輸入端光纖底座(4-1)和輸出端光纖底座(4-2),其中輸入端光纖底座(4-1)和輸出端光纖底座(4-2)分別設有光纖槽,所述防護外殼(5)由光纖軸外殼(5-3)、左翼外殼(5-1)和右翼外殼(5-2)組成，光纖軸外殼(5-3)、左翼外殼(5-1)和右翼外殼(5-2 )分別罩在光纖軸底座(4-3 )、輸入端光纖底座(4-1)和輸出端光纖底座(4-2 )外部，所述光纖軸(6)置於所述光纖軸底座(4-3)上,所述聲孔(7)設於光纖軸外殼(5-3)上,所述光纖輸入端(6-3)與輸出端(6-4)分別通過緊固件(3)固定在輸入端光纖底座(4-1)和輸出端光纖底座(4-2)的光纖槽中。
4.根據權利要求3所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:所述聲孔(7)位於所述光纖軸外殼(5-3)的側面和/或上面。
5.根據權利要求1至4任一項所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:所述軸體(6-1)為柱形。
6.根據權利要求5所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:所述軸體(6-1)橫截面為圓形、梅花形、三葉草形或蝶形。`
7.根據權利要求1至4任一項所述的無膜片全光纖拾音器傳感探頭，其特徵在於:所述軸體(6-1)為球體。
8.一種基於權利要求1至4任一項所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭的無膜片全光纖拾音器傳感探頭組，其特徵在於:包括兩個以上無膜片全光纖拾音器傳感探頭，所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭之間通過連接光纖串聯、並聯或串並聯。
9.一種基於權利要求1所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭的傳感方法，其特徵在於: 將所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭置於所需探測的環境中，聲音敏感材料在聲音的作用下發生形變，該形變引起聲音敏感材料外部光纖的變化； 具體為光纖折射率和光纖長度發生變化，進而引起光程發生變化，公式為 nl-n010 =AL 其中，nO和η分別是變化前後的折射率，10和I則為變化前後的光纖長度，AL為光程的變化； 相位的變化按照如下公式進行計算:Αφ = ^χ{ηΙ-ηοΙο) = ^
AA 其中—是相位變化，λ是光在真空中的波長； 光程的變化AL在um量級時，即產生幾個λ的相位差；解調系統解調出探頭處的相位-時間變化，獲得該處的聲音信息。
10.一種基於權利要求8所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭組的傳感方法，其特徵在於: 將所述無膜片全光纖拾音器傳感探頭組與光源及解調系統連接後置於所需探測的環境中； 光源及解調系統發出的光依次通過各無膜片全光纖拾音器傳感探頭； 光在傳輸的過程中產生後向瑞利散射，後向的散射光將沿原路返回至光源及解調系統； 根據光時域反射計的原理確定每一個探頭處的位置，然後解調出相應位置信號的時間變化，最後獲得所有探頭或者指定探頭處`的聲音信息。
【文檔編號】G01H9/00GK103884417SQ201410098502
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】蔡聖聞, 殷磊, 姜曉冰, 邵世海, 馬康 申請人:南京派光信息技術有限公司