[發明專利]一種基于F-P干涉的低諧振偏心光纖聲敏傳感裝置

在審

• 申請號: 201910400856.0
• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110057439A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 馬建國;徐立軍;馬向東;付博
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于F?P干涉的低諧振偏心光纖聲敏傳感裝置，包括以下內容：可調諧激光器發出的激光經過光纖耦合器后分成兩路，一路直接采集作為參考光，另一路經光纖環形器和單模光纖轉偏心光纖模塊進入偏心光纖聲敏傳感頭，反射的光經光纖環形器進入另一路光電轉換模塊。偏心光纖聲敏傳感頭是通過鍍膜技術在偏心光纖端面鍍上透明的有機分子膜和兩層金屬膜形成F?P諧振腔，利用光在光纖前端發生F?P干涉可以將聲音信號轉化為調制光信號。經光電轉換模塊與放大模塊后，采集并處理此信號以還原光纖端的聲信號。偏心光纖的設計大幅降低諧振，減少余振噪聲。本發明結構簡單，可靠性好，比傳統光纖傳感器具有更高的敏感性和信噪比，具有廣泛的應用前景。

(一)技術領域

本發明涉及一種基于F-P干涉的低諧振偏心光纖聲敏傳感裝置，具體利用F-P光學干涉來設計制作偏心光纖聲敏傳感器，可以獲得低諧振高精度和高分辨率的壓力信號檢測。

(二)背景技術

聲波檢測技術是一種通過檢測聲波在介質中反射的回波的波速、頻率和振幅變化來了解介質內部信息的技術，它可以在無損狀態下對生物體或原材料進行檢測，廣泛應用于生物醫學、航空航天等領域。聲波檢測技術的關鍵是聲敏傳感器，但是截至目前，傳統聲敏傳感器一般采用壓電材料采集振動信息，存在著諸如靈敏度低及帶寬受限等缺點。干涉型光纖聲敏傳感器通過光束之間的干涉來測量聲波信號的幅頻特性，是近年來發展起來的一種新型聲敏傳感器，它具有抗電磁干擾能力強、體積小、靈敏度高等優點，是聲敏傳感器一個重要的研究方向。根據原理不同，干涉型光纖聲敏傳感器可分為Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型、Sagnac干涉型以及F-P干涉型等光纖聲敏傳感器。Michelson干涉型光纖聲敏傳感器結構比較簡單，但是由于光在多路光纖中傳輸干涉時易受外界因素影響，這限制了其精度和應用環境。Mach-Zehnder干涉型光纖聲敏傳感器具有較大的檢測帶寬，但是其存在著穩定性差的缺點。Sagnac干涉型光纖聲敏傳感器具有較高的穩定性，但是其一般應用于角速度的測量，應用場景比較受限。在干涉型聲敏傳感器中基于F-P干涉的光纖聲敏傳感器因具有精度高、尺寸小以及穩定性高而備受重視，但這種傳感器存在較強的諧振以及較長的回響持續時間，這往往會導致較大的噪聲。為了克服這個缺點，本發明基于F-P干涉效應提出了一種偏心光纖聲敏傳感器，結果顯示這種新型的光纖聲敏傳感器在低諧振下具有較高的精度和信噪比。

(三)發明內容

本發明主要解決的問題是提供一種低諧振偏心光纖聲敏傳感裝置，采用光纖尖端鍍膜的方法設計F-P諧振腔，形成壓力敏感端面，在外界聲壓發生變換時腔長隨之產生變化，F-P干涉產生的反射信號發生變化，可以能夠獲得很高的測量精度。光纖纖芯的偏心設置可以降低光纖尖端的諧振，實現傳感頭在不降低測量精度的基礎上降低回響產生的噪聲。

為解決光纖聲敏傳感器的諧振問題，本發明采用的技術方案是：提供一種光纖聲敏傳感裝置，包括：可調諧激光器模塊、光纖耦合器、光纖環形器、偏心光纖聲敏傳感頭、光電轉換模塊、放大器模塊和信號處理單元。所述可調諧激光器發出的光通過光纖耦合器后分成兩路，一路由光纖環形器第一端口進入，從光纖環形器第二端口輸出到單模光纖轉偏心光纖模塊，然后再通過偏心光纖進入到偏心光纖聲敏傳感頭，另一路直接進入光電轉換模塊轉換為電信號作為強度對比信號。光進入光纖聲敏傳感頭后會在兩層金屬膜形成的諧振腔中產生F-P干涉，然后將干涉后的光再次傳回偏心光纖。當聲音傳輸到偏心光纖聲敏傳感頭時會引起金屬膜震動，造成F-P干涉產生變化，進而引起反射到偏心光纖中的光強發生變化。從偏心光纖中反射回的光經單模光纖轉偏心光纖模塊進入到光纖環形器第二端口，然后由第三端口輸出到光電轉換模塊。兩路光電轉換模塊輸出的電信號經放大器放大后傳給采集與信號處理單元，進而可完成對聲音信號的解調。

所述偏心光纖聲敏傳感裝置的核心是由F-P腔構成的偏心光纖聲敏傳感頭，傳感頭是光纖尖端的F-P諧振腔，由兩層金屬膜和中間一層有機高分子膜構成。金屬膜具有較高的反射率而有機高分子膜的透光率較高。聲音傳輸到諧振腔時會改變諧振腔的腔長，光在諧振腔的反射會隨之發生變化進而完成對聲壓的測量。