光纖聲傳感器的製作方法

2023-07-21 01:06:31

專利名稱：光纖聲傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感，特別是一種光纖聲傳感器，是一種非本徵型光纖法布裡珀羅聲波傳感器。
背景技術：
光纖聲傳感器由於具有靈敏度高、抗電磁幹擾能力強、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、可構成光纖傳感網等諸多優點，因而在水聽器、材料特性分析、結構無損診斷、局部放電超聲探測等方面得到了廣泛應用。光纖聲傳感器就其技術而言，大體上可分為以下兩大類第一類是基於本徵型光纖幹涉技術，例如全光纖麥可遜幹涉和馬赫曾德幹涉。第二類是基於非本徵型法布裡珀羅幹涉技術。與第一類的光纖麥可遜幹涉和馬赫曾德幹涉相比，非本徵型法布裡珀羅幹涉聲傳感器結構緊湊，適合單點測量，而且，由於沒有參考臂，具有共光路特性，隨機偏振和相位漂移的影響大大減弱。因此，基於非本徵型法布裡珀羅幹涉技術的聲傳感器得到了更多關注。在先技術[J.Deng，H.Xiao，W，Huo，M.Luo，R.May，A.Wang，and Y.Liu，「Optical fiber sensor-based detection of partial discharges in power transformers，」Opt.Laser Technol.33，305-311，2001.]中，提出了一種工作在半個幹涉條紋線性區域內的非本徵型法布裡珀羅幹涉聲傳感器，這種工作在線性區域的傳感技術消除了複雜的信號處理和條紋計數問題，具有信號處理簡單，響應頻率高的特點。然而，遺憾的是該傳感技術面臨一個突出的問題傳感器製備的誤差、溫度漂移、靜態壓力波動都會引起傳感器正交工作點(或稱為Q點)的偏離，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小。

發明內容
本發明為克服上述在先技術的不足，提供一種光纖聲傳感器，該光纖聲傳感器具有自動穩定正交工作點的非本徵型光纖法布裡珀羅聲傳感器。可以克服上述在先技術中傳感器正交工作點漂移，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小的問題。
本發明的技術解決方案如下一種光纖聲傳感器的構成是一光源模塊和光纖合波元件的第一埠相連，該光纖導光元件的第三埠通過光纖和非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭相連，光纖導光元件的第二埠和光纖分束器的第一埠相連，該光纖分束器的第二埠與可調諧光纖帶通濾波器相連，該可調諧光纖帶通濾波器與第一光電探測單元相連，該光纖分束器的第三埠與第二光電探測單元相連，所述的可調諧光纖帶通濾波器的驅動器與信號處理及控制單元相連，所述的第一光電探測單元和第二光電探測單元均與所述的信號處理及控制單元相連。
所述的光源模塊是聲傳感器測量光信號的發射源，它的光譜需要與可調諧光纖帶通濾波器調諧範圍和中心波長相匹配，並且帶寬不小於30nm。所述的光源模塊為超輻射發光二極體、或發光二極體、或摻鉺光纖放大自發輻射光源。
所述的光纖導光元件是光纖耦合器或者是光纖環行器。
所述的傳輸光纖為普通商用單模光纖或多模光纖。
所述的非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭的構成是一片石英圓振動膜和用來密封固定該圓振動膜和光纖的石英管構成，所述的石英管和光纖之間的粘合時，所述的光纖的端面與圓振動膜的內表面之間保持一定的間隙，該間隔使振動膜內表面的反射光束和由光纖端面直接反射的光束滿足幹涉條件。
所述的第一光電探測單元和第二光電探測單元各包括一個光電探測器和前置放大器。
從下面的分析可知，本發明具有以下特點和優點1)本發明引入可調諧濾波器和導頻調製技術，可以自動穩定工作點，克服了上述先技術中傳感器正交工作點漂移，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小的問題。
2)本發明採用兩路具有不同譜寬的光信號進行差分，消除了光源功率波動和光路損耗變化帶來的不穩定性，誤差小，測量穩定性高。
3)本發明採用寬帶光源，可以有效消除光路中的寄生幹涉效應，噪聲低，測量準確性好


圖1本發明光纖聲傳感器的結構示意圖；圖2本發明光纖聲傳感器的幹涉傳感頭的典型結構示意圖；圖3本發明光纖聲傳感器的工作原理示意圖。
圖4本發明光纖聲傳感器用於測量聲波方位的原理示意5本發明光纖聲傳感器用於測量聲波速度的原理示意圖
具體實施例方式
先請參閱圖1，圖1為本發明光纖聲傳感器的結構示意圖。由圖可見，本發明光纖聲傳感器是一種非本徵型光纖法布裡珀羅聲傳感器，包括帶尾纖輸出的光源模塊1，特徵在於其構成是該光源模塊1和光纖合波元件2的第一埠201相連，該光纖導光元件2的第三埠203通過光纖3和非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭4相連，光纖導光元件2的第二埠202和光纖分束器5的第一埠501相連，該光纖分束器5的第二埠502與可調諧光纖帶通濾波器6相連，該可調諧光纖帶通濾波器6與第一光電探測單元7相連，該光纖分束器5的第三埠503與第二光電探測單元8相連，所述的可調諧光纖帶通濾波器6的驅動器9與信號處理及控制單元10相連，所述的第一光電探測單元7和第二光電探測單元8均與所述的信號處理及控制單元10相連。
所述的光源模塊1是聲傳感器測量光信號的發射源，它的光譜需要與可調諧光纖帶通濾波器6的調諧範圍和中心波長相匹配，並且帶寬不小於30nm。
所述的光源模塊1為超輻射發光二極體、或發光二極體、或摻鉺光纖放大自發輻射光源。
所述的光纖導光元件2是光纖耦合器或者是光纖環行器。
所述的傳輸光纖3為普通商用單模光纖或多模光纖。
所述的非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭4的構成是一片石英圓振動膜403和用來密封固定該圓振動膜403和光纖401的石英管402，所述的石英管402和光纖401之間粘合時，所述的光纖401的端面與圓振動膜403的內表面之間保持一定的間隙，該間隔使振動膜403內表面的反射光束和與光纖401端面直接反射的光束滿足幹涉條件。
所述的傳感頭4是本發明聲傳感器的聲波敏感元件。其基本結構如圖2所示，它包括一片石英圓振動膜403和用來密封固定圓振動膜403和光纖401的石英管402，石英管402和光纖401之間的粘合可以採用膠合方式(如環氧膠)或雷射熔合方式。光纖401的端面與圓振動膜403的內表面之間保持一定的間隙。當光源1發出的光信號，經光纖導光元件2和傳輸光纖3傳輸到達光纖401的端面，因菲涅耳效應其中很小部分光被反射回光纖401，而大部分的光出射到振動膜403的內表面並經反射後又有部分的光被返回光纖401，這一返回的光束與光纖端面直接反射的光束存在光程差，當滿足一定的相位條件就會產生幹涉。當置於聲場內的傳感頭4的圓石英振動膜403因受聲壓擾動使之產生強迫振動以致引起幹涉光程差(相位差)的變化，通過幹涉光程差的測量從而確定圓膜的振動，以此揭示聲波的特性，如頻率、幅度等。傳感頭4的結構和形狀以及採用的材質可根據測試環境以及聲波場的特性加以優化設計，其設計的基本原理可沿用材料彈性力學以及膜、板在介質中受迫振動方程等相關理論，並結合聲波在各介質傳播特性的研究結果。
所說的光纖分束器5，其功能是將光纖導光元件2發送的從傳感頭4反射回來的光信號以一定分束比分成兩束，其中一束經過可調諧光纖帶通濾波器6傳輸到第一光電探測單元7上，另一束進入第二光電探測單元8，使得可以利用兩個光電探測單元的信號進行差分處理，消除光源強度波動或其它線路損耗變化對測量的影響，提高傳感器的穩定性。其分束比應根據可調諧光纖帶通濾波器6的帶寬和損耗特性來加以優化，使得第一光電探測單元7和第二光電探測單元8接收到的光信號強度基本一致。
所說的可調諧光纖帶通濾波器6，其功能一方面是從寬帶光信號中提取一個窄帶光信號，該窄帶光信號的相干長度遠遠大於光纖401端面與圓振動膜403內表面之間的間隙，使得振動膜403內表面的反射光束和與光纖401端面直接反射的光束滿足幹涉條件，幹涉輸出由第一光電探測單元7探測。所說的可調諧光纖帶通濾波器6，其功能另一方面是利用其可調諧特性採用導頻調製技術進行動態波長調製，從而對幹涉信號的相位差進行動態調製，經第一光電探測單元7探測並由信號處理及控制單元10產生控制信號，通過驅動器9改變其中心波長位置，使得幹涉穩定發生在正交工作點，實現正交工作點自動穩定，克服先技術中傳感器正交工作點漂移，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小的問題。
所說的第一光電探測單元7和第二光電探測單元8的功能是將光信號轉換為電信號並進行放大，因此，各包括一個光電探測器和前置放大器等。光電探測器的響應波長應在光源模塊1發射的光信號的波段，它們可以是光電二極體，或是光電池等。
所說的驅動器9根據信號處理及控制單元10的指令控制可調諧光纖帶通濾波器的工作狀態，如直流工作方式、交流工作方式、波長調製頻率、波長調製幅度、中心波長位置等。
所說的信號處理及控制單元10負責採集第一光電探測器7和第二光電探測器8產生的電信號，發送指令控制驅動器9，根據傳感測量原理建立的計算數學模型和處理方法，最終給出聲波的諸如頻率，強度，傳速，方位等物理量。這樣本單元包括A/D變換(數採卡)，微處理器系統、軟體系統及顯示等。
本發明的光纖聲傳感器的工作原理和基本工作過程描述如下如圖3所示，本發明的光纖聲傳感器的工作過程分為兩個階段，第一個階段為可調諧光纖帶通濾波器6的導頻調製階段，此階段的功能是穩定正交工作點；第二個階段為可調諧光纖帶通濾波器的直流工作階段，此階段的功能是測量聲波信號。
第一階段信號處理及控制單元10發出指令使得驅動器9處於交流工作方式，驅動器9產生的驅動電壓為V(t)＝V0+Mcos(ωct)，其中M為電壓調製幅度，ωc為電壓調製頻率，V0為直流電壓。可調諧光纖帶通濾波器6的波長受此驅動信號調製，表示為λ(t)＝λ0+Δλcos(ωct)，λ0為中心波長，Δλ為波長調製幅度，ωc為波長調製頻率。此時，光電探測單元7檢測得到的幹涉信號為，I1＝A+Bcos[(φDC+Ccos(ωct))+φg](1)其中φDC+Ccos(ωct)為可調諧光纖帶通濾波器6調製引起的光相位變化，φg為環境(溫度、壓力等)引起的初始相位變化。在信號處理及控制單元10中，將公式(1)和Gcos(ωct)相乘，G為常數，並經過低通濾波得到-KGJ1(C)sin(φDC+φg)，K為常數，通過反饋控制可調諧光纖低通濾波器6的直流偏壓V0，使得φDC+φg＝0，就使得幹涉儀穩定在正交工作點，此時傳感器靈敏度達到最大。
第二階段一旦工作點穩定在正交點，信號處理及控制單元10發出指令使得驅動器9處於直流工作方式，這時可調諧光纖帶通濾波器6的工作狀態為直流狀態，如圖3所示。這時，傳感器開始測量聲波信號。當聲源輻射所產生的聲壓p(t)＝p0sin(ωpt)作用於傳感探頭中的聲換能器—振動膜403時，振動膜403的變形為y(p)=3(1-2)16Eh3a4p,]]>其中p0為聲壓強度，ωp為聲壓頻率，μ、E、a、h分別為振動膜403的泊松比、楊氏彈性模量、半徑和厚度。變形y(p)引起幹涉相位差的變化為Δφ=4y(p)=3(1-2)4h3a4p=3(1-2)4h3a4p0sin(pt)---(2)]]>此時光電探測單元7檢測得到的信號為
I7=K-Is7[1+cos]---(3)]]>其中，Is7(λ)為光源模塊1發出的寬帶光信號經過可調諧光纖帶通濾波器6濾波後的光功率譜密度。當Is7(λ)的譜寬足夠小，使得相干長度遠遠大於光纖401的端面與圓振動膜403的內表面之間的間隙d時，I7為一具有高條紋對比度的幹涉信號，公式(3)可以進一步簡化為I7＝KI70[1+γcos(Δφ)] (4)其中I70為光電探測器7接收到的平均光功率，K為常數，γ為幹涉信號的條紋對比度。
光電探測單元8檢測得到的信號為I8=K-Is8[1+cos]---(5)]]>其中，Is8(λ)為光源模塊1發出的寬帶光信號的光功率譜密度，K′為常數。當Is8(λ)的的譜寬足夠大，使得相干長度遠遠小於光纖401的端面與圓振動膜403的內表面之間的間隙d時，I8為一直流信號，公式(5)可以進一步簡化為I8＝KI80(6)其中I80為光電探測器7接收到的平均光功率。
取公式(6)和公式(4)的比值，得到S=KI70KI80[1+cos]---(7)]]>由於I70和I80來自相同的光源，經過相同的傳輸光路，它們記錄了相同的光源功率波導信息和光路損耗變化信息，因此，比值S僅僅取決於相位信號Δφ，也就是聲壓信號。由此，由信號處理及控制單元10通過計算處理從公式(7)和公式(2)可以得到待測的聲壓信號的強度p0和頻率ωp。
由於本發明的光纖聲傳感器只對沿其傳感頭4中的聲換能器—振動膜403表面的垂直方向傳播的聲波敏感，而對平行方向傳播的聲波不敏感，所以本發明的光纖聲傳感器還可以用來測量聲波的傳播方位。如圖4所示，聲源0處於直角坐標系的原點，沿著與x軸夾角為θ的方向發出聲波p(t)，為測出其方位θ，可簡單地沿著x軸和y軸設置兩個光纖聲傳感器Sx和Sy，其中光纖聲傳感器Sx的聲波敏感方向為x軸方向，光纖聲傳感器Sy的聲波敏感方向為y軸方向。則光纖聲傳感器Sx測得到的信號為px＝p(t)cos(θ)，光纖聲傳感器Sy測得到的信號為py＝p(t)sin(θ)，由此可得聲源0發出的聲波的方位=arctg(pypx).]]>由於本發明的光纖聲傳感器具有響應頻率高的優點，因此本發明的光纖聲傳感器還可以用來測量聲波傳播的速度。如圖5所示，沿聲源O發出的脈衝聲波的傳播方向設置兩個本發明光纖聲傳感器S1和S2，傳感器間的距離為l。光纖聲傳感器S1在時刻t1探測到聲波信號，光纖聲傳感器S2在時刻t2探測到聲波信號，則聲源O聲波的傳播速度v＝l/(t2-t1)。
從上述可知，本發明具有以下特點和優點4)本發明引入可調諧濾波器和導頻調製技術，可以自動穩定工作點，克服了上述先技術中傳感器正交工作點漂移，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小的問題。
5)本發明採用兩路具有不同譜寬的光信號進行差分，消除了光源功率波動和光路損耗變化帶來的不穩定性，誤差小，測量穩定性高。
6)本發明採用寬帶光源，可以有效消除光路中的寄生幹涉效應，噪聲低，測量準確性好。
權利要求
1.一種光纖聲傳感器，包括帶尾纖輸出的光源模塊(1)，特徵在於其構成是該光源模塊(1)和光纖合波元件(2)的第一埠(201)相連，該光纖導光元件(2)的第三埠(203)通過光纖(3)和非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭(4)相連，光纖導光元件(2)的第二埠(202)和光纖分束器(5)的第一埠(501)相連，該光纖分束器(5)的第二埠(502)與可調諧光纖帶通濾波器(6)相連，該可調諧光纖帶通濾波器(6)與第一光電探測單元(7)相連，該光纖分束器(5)的第三埠(503)與第二光電探測單元(8)相連，所述的可調諧光纖帶通濾波器(6)的驅動器(9)與信號處理及控制單元(10)相連，所述的第一光電探測單元(7)和第二光電探測單元(8)均與所述的信號處理及控制單元(10)相連。
2.根據權利要求1所述的光纖聲傳感器，其特徵在於所述的光源模塊(1)是聲傳感器測量光信號的發射源，它的光譜需要與可調諧光纖帶通濾波器6的調諧範圍和中心波長相匹配，並且帶寬不小於30nm。
3.根據權利要求2所述的光纖聲傳感器，其特徵在於所述的光源模塊(1)為超輻射發光二極體、或發光二極體、或摻鉺光纖放大自發輻射光源。
4.根據權利要求1所述的光纖聲傳感器，其特徵在於所述的光纖導光元件(2)是光纖耦合器或者是光纖環行器。
5.根據權利要求1所述的光纖聲傳感器，其特徵在於所述的傳輸光纖(3)為普通商用單模光纖或多模光纖。
6.根據權利要求1所述的光纖聲傳感器，其特徵在於所述的非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭(4)的構成是一片石英圓振動膜(403)和用來密封固定該圓振動膜(403)和光纖(401)的石英管(402)，所述的石英管(402)和光纖(401)之間的粘合時，所述的光纖(401)的端面與圓振動膜(403)的內表面之間保持一定的間隙，該間隔使振動膜(403)內表面的反射光束和與光纖(401)端面直接反射的光束滿足幹涉條件。
全文摘要
一種光纖聲傳感器的構成是一光源模塊和光纖合波元件的第一埠相連，該光纖導光元件的第三埠通過光纖和非本徵型光纖法布裡珀羅幹涉傳感頭相連，光纖導光元件的第二埠和光纖分束器的第一埠相連，該光纖分束器的第二埠與可調諧光纖帶通濾波器相連，該可調諧光纖帶通濾波器與第一光電探測單元相連，該光纖分束器的第三埠與第二光電探測單元相連，所述的可調諧光纖帶通濾波器的驅動器與信號處理及控制單元相連，所述的第一光電探測單元和第二光電探測單元均與所述的信號處理及控制單元相連。本發明是具有自動穩定正交工作點的聲傳感器。可以克服在先技術中傳感器正交工作點漂移，造成傳感器靈敏度下降和測量範圍減小的問題。
文檔編號G01H9/00GK1821727SQ20061002495
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月22日 優先權日2006年3月22日
發明者蔡海文, 陳高庭, 方祖捷 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所