CN2890861Y - 光纤声传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤声传感器的构成是：一光源模块和光纤合波元件的第一端口相连，该光纤导光元件的第三端口通过光纤和非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头相连，光纤导光元件的第二端口和光纤分束器的第一端口相连，该光纤分束器的第二端口与可调谐光纤带通滤波器相连，该可调谐光纤带通滤波器与第一光电探测单元相连，该光纤分束器的第三端口与第二光电探测单元相连，所述的可调谐光纤带通滤波器的驱动器与信号处理及控制单元相连，所述的第一光电探测单元和第二光电探测单元均与所述的信号处理及控制单元相连。本实用新型是具有自动稳定正交工作点的声传感器。可以克服在先技术中传感器正交工作点漂移，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小的问题。

Description

光纤声传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感，特别是一种光纤声传感器，是一种非本征型光纤法布里珀罗声波传感器。

背景技术

光纤声传感器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，因而在水听器、材料特性分析、结构无损诊断、局部放电超声探测等方面得到了广泛应用。光纤声传感器就其技术而言，大体上可分为以下两大类：第一类是基于本征型光纤干涉技术，例如全光纤迈克尔逊干涉和马赫曾德干涉。第二类是基于非本征型法布里珀罗干涉技术。与第一类的光纤迈克尔逊干涉和马赫曾德干涉相比，非本征型法布里珀罗干涉声传感器结构紧凑，适合单点测量，而且，由于没有参考臂，具有共光路特性，随机偏振和相位漂移的影响大大减弱。因此，基于非本征型法布里珀罗干涉技术的声传感器得到了更多关注。在先技术[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，提出了一种工作在半个干涉条纹线性区域内的非本征型法布里珀罗干涉声传感器，这种工作在线性区域的传感技术消除了复杂的信号处理和条纹计数问题，具有信号处理简单，响应频率高的特点。然而，遗憾的是该传感技术面临一个突出的问题：传感器制备的误差、温度漂移、静态压力波动都会引起传感器正交工作点(或称为Q点)的偏离，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小。

发明内容

本实用新型为克服上述在先技术的不足，提供一种光纤声传感器，该光纤声传感器具有自动稳定正交工作点的非本征型光纤法布里珀罗声传感器。可以克服上述在先技术中传感器正交工作点漂移，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小的问题。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种光纤声传感器的构成是：一光源模块和光纤合波元件的第一端口相连，该光纤导光元件的第三端口通过光纤和非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头相连，光纤导光元件的第二端口和光纤分束器的第一端口相连，该光纤分束器的第二端口与可调谐光纤带通滤波器相连，该可调谐光纤带通滤波器与第一光电探测单元相连，该光纤分束器的第三端口与第二光电探测单元相连，所述的可调谐光纤带通滤波器的驱动器与信号处理及控制单元相连，所述的第一光电探测单元和第二光电探测单元均与所述的信号处理及控制单元相连。

所述的光源模块是声传感器测量光信号的发射源，它的光谱需要与可调谐光纤带通滤波器调谐范围和中心波长相匹配，并且带宽不小于30nm。所述的光源模块为超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺铒光纤放大自发辐射光源。

所述的光纤导光元件是光纤耦合器或者是光纤环行器。

所述的传输光纤为普通商用单模光纤或多模光纤。

所述的非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头的构成是一片石英圆振动膜和用来密封固定该圆振动膜和光纤的石英管构成，所述的石英管和光纤之间的粘合时，所述的光纤的端面与圆振动膜的内表面之间保持一定的间隙，该间隔使振动膜内表面的反射光束和由光纤端面直接反射的光束满足干涉条件。

所述的第一光电探测单元和第二光电探测单元各包括一个光电探测器和前置放大器。

从下面的分析可知，本实用新型具有以下特点和优点：

1)本实用新型引入可调谐滤波器和导频调制技术，可以自动稳定工作点，克服了上述先技术中传感器正交工作点漂移，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小的问题。

2)本实用新型采用两路具有不同谱宽的光信号进行差分，消除了光源功率波动和光路损耗变化带来的不稳定性，误差小，测量稳定性高。

3)本实用新型采用宽带光源，可以有效消除光路中的寄生干涉效应，噪声低，测量准确性好

附图说明

图1本实用新型光纤声传感器的结构示意图；

图2本实用新型光纤声传感器的干涉传感头的典型结构示意图；

图3本实用新型光纤声传感器的工作原理示意图。

图4本实用新型光纤声传感器用于测量声波方位的原理示意图

图5本实用新型光纤声传感器用于测量声波速度的原理示意图

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本实用新型光纤声传感器的结构示意图。由图可见，本实用新型光纤声传感器是一种非本征型光纤法布里珀罗声传感器，包括带尾纤输出的光源模块1，特征在于其构成是：该光源模块1和光纤合波元件2的第一端口201相连，该光纤导光元件2的第三端口203通过光纤3和非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头4相连，光纤导光元件2的第二端口202和光纤分束器5的第一端口501相连，该光纤分束器5的第二端口502与可调谐光纤带通滤波器6相连，该可调谐光纤带通滤波器6与第一光电探测单元7相连，该光纤分束器5的第三端口503与第二光电探测单元8相连，所述的可调谐光纤带通滤波器6的驱动器9与信号处理及控制单元10相连，所述的第一光电探测单元7和第二光电探测单元8均与所述的信号处理及控制单元10相连。

所述的光源模块1是声传感器测量光信号的发射源，它的光谱需要与可调谐光纤带通滤波器6的调谐范围和中心波长相匹配，并且带宽不小于30nm。

所述的光源模块1为超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺铒光纤放大自发辐射光源。

所述的光纤导光元件2是光纤耦合器或者是光纤环行器。

所述的传输光纤3为普通商用单模光纤或多模光纤。

所述的非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头4的构成是一片石英圆振动膜403和用来密封固定该圆振动膜403和光纤401的石英管402，所述的石英管402和光纤401之间粘合时，所述的光纤401的端面与圆振动膜403的内表面之间保持一定的间隙，该间隔使振动膜403内表面的反射光束和与光纤401端面直接反射的光束满足干涉条件。

所述的传感头4是本实用新型声传感器的声波敏感元件。其基本结构如图2所示，它包括一片石英圆振动膜403和用来密封固定圆振动膜403和光纤401的石英管402，石英管402和光纤401之间的粘合可以采用胶合方式(如环氧胶)或激光熔合方式。光纤401的端面与圆振动膜403的内表面之间保持一定的间隙。当光源1发出的光信号，经光纤导光元件2和传输光纤3传输到达光纤401的端面，因菲涅耳效应其中很小部分光被反射回光纤401，而大部分的光出射到振动膜403的内表面并经反射后又有部分的光被返回光纤401，这一返回的光束与光纤端面直接反射的光束存在光程差，当满足一定的相位条件就会产生干涉。当置于声场内的传感头4的圆石英振动膜403因受声压扰动使之产生强迫振动以致引起干涉光程差(相位差)的变化，通过干涉光程差的测量从而确定圆膜的振动，以此揭示声波的特性，如频率、幅度等。传感头4的结构和形状以及采用的材质可根据测试环境以及声波场的特性加以优化设计，其设计的基本原理可沿用材料弹性力学以及膜、板在介质中受迫振动方程等相关理论，并结合声波在各介质传播特性的研究结果。

所说的光纤分束器5，其功能是将光纤导光元件2发送的从传感头4反射回来的光信号以一定分束比分成两束，其中一束经过可调谐光纤带通滤波器6传输到第一光电探测单元7上，另一束进入第二光电探测单元8，使得可以利用两个光电探测单元的信号进行差分处理，消除光源强度波动或其它线路损耗变化对测量的影响，提高传感器的稳定性。其分束比应根据可调谐光纤带通滤波器6的带宽和损耗特性来加以优化，使得第一光电探测单元7和第二光电探测单元8接收到的光信号强度基本一致。

所说的可调谐光纤带通滤波器6，其功能一方面是从宽带光信号中提取一个窄带光信号，该窄带光信号的相干长度远远大于光纤401端面与圆振动膜403内表面之间的间隙，使得振动膜403内表面的反射光束和与光纤401端面直接反射的光束满足干涉条件，干涉输出由第一光电探测单元7探测。所说的可调谐光纤带通滤波器6，其功能另一方面是利用其可调谐特性采用导频调制技术进行动态波长调制，从而对干涉信号的相位差进行动态调制，经第一光电探测单元7探测并由信号处理及控制单元10产生控制信号，通过驱动器9改变其中心波长位置，使得干涉稳定发生在正交工作点，实现正交工作点自动稳定，克服先技术中传感器正交工作点漂移，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小的问题。

所说的第一光电探测单元7和第二光电探测单元8的功能是将光信号转换为电信号并进行放大，因此，各包括一个光电探测器和前置放大器等。光电探测器的响应波长应在光源模块1发射的光信号的波段，它们可以是光电二极管，或是光电池等。

所说的驱动器9根据信号处理及控制单元10的指令控制可调谐光纤带通滤波器的工作状态，如直流工作方式、交流工作方式、波长调制频率、波长调制幅度、中心波长位置等。

所说的信号处理及控制单元10负责采集第一光电探测器7和第二光电探测器8产生的电信号，发送指令控制驱动器9，根据传感测量原理建立的计算数学模型和处理方法，最终给出声波的诸如频率，强度，传速，方位等物理量。这样本单元包括A/D变换(数采卡)，微处理器系统、软件系统及显示等。

本实用新型的光纤声传感器的工作原理和基本工作过程描述如下：

如图3所示，本实用新型的光纤声传感器的工作过程分为两个阶段，第一个阶段为可调谐光纤带通滤波器6的导频调制阶段，此阶段的功能是稳定正交工作点；第二个阶段为可调谐光纤带通滤波器的直流工作阶段，此阶段的功能是测量声波信号。

第一阶段：

信号处理及控制单元10发出指令使得驱动器9处于交流工作方式，驱动器9产生的驱动电压为V(t)＝V₀+Mcos(ω_ct)，其中M为电压调制幅度，ω_c为电压调制频率，V₀为直流电压。可调谐光纤带通滤波器6的波长受此驱动信号调制，表示为λ(t)＝λ₀+Δλcos(ω_ct)，λ₀为中心波长，Δλ为波长调制幅度，ω_c为波长调制频率。此时，光电探测单元7检测得到的干涉信号为，

I₁＝A+Bcos[(φ_DC+Ccos(ω_ct))+φ_g]                         (1)

其中φ_DC+Ccos(ω_ct)为可调谐光纤带通滤波器6调制引起的光相位变化，φ_g为环境(温度、压力等)引起的初始相位变化。在信号处理及控制单元10中，将公式(1)和Gcos(ω_ct)相乘，G为常数，并经过低通滤波得到-KGJ₁(C)sin(φ_DC+φ_g)，K为常数，通过反馈控制可调谐光纤低通滤波器6的直流偏压V₀，使得φ_DC+φ_g＝0，就使得干涉仪稳定在正交工作点，此时传感器灵敏度达到最大。

第二阶段：

一旦工作点稳定在正交点，信号处理及控制单元10发出指令使得驱动器9处于直流工作方式，这时可调谐光纤带通滤波器6的工作状态为直流状态，如图3所示。这时，传感器开始测量声波信号。当声源辐射所产生的声压p(t)＝p₀sin(ω_pt)作用于传感探头中的声换能器-振动膜403时，振动膜403的变形为 $y\left(p\right)=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16E{h}^3}{a}^{4}p,$

其中p₀为声压强度，ω_p为声压频率，μ、E、a、h分别为振动膜403的泊松比、杨氏弹性模量、半径和厚度。变形y(p)引起干涉相位差的变化为Δφ：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}y\left(p\right)=\frac{3\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{4\mathrm{\λE}{h}^3}{a}^{4}p=\frac{3\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{4\mathrm{\λE}{h}^3}{a}^4\·p_0\sin \left({\mathrm{\ω}}_{p}t\right)---\left(2\right)$

此时光电探测单元7检测得到的信号为：

$I_7=K{\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}_{s7}\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)]---\left(3\right)$

其中，I_s7(λ)为光源模块1发出的宽带光信号经过可调谐光纤带通滤波器6滤波后的光功率谱密度。当I_s7(λ)的谱宽足够小，使得相干长度远远大于光纤401的端面与圆振动膜403的内表面之间的间隙d时，I₇为一具有高条纹对比度的干涉信号，公式(3)可以进一步简化为：

I₇＝KI₇₀[1+γcos(Δφ)]                  (4)

其中I₇₀为光电探测器7接收到的平均光功率，K为常数，γ为干涉信号的条纹对比度。

光电探测单元8检测得到的信号为

$I_8=K^{\′}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{I}_{s8}\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)]---\left(5\right)$

其中，I_s8(λ)为光源模块1发出的宽带光信号的光功率谱密度，K′为常数。当I_s8(λ)的的谱宽足够大，使得相干长度远远小于光纤401的端面与圆振动膜403的内表面之间的间隙d时，I₈为一直流信号，公式(5)可以进一步简化为：

I₈＝K′I₈₀                 (6)

其中I₈₀为光电探测器7接收到的平均光功率。

取公式(6)和公式(4)的比值，得到：

$S=\frac{{\mathrm{KI}}_{70}}{K^{\′}{I}_{80}}[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right)]---\left(7\right)$

由于I₇₀和I₈₀来自相同的光源，经过相同的传输光路，它们记录了相同的光源功率波导信息和光路损耗变化信息，因此，比值S仅仅取决于相位信号Δφ，也就是声压信号。由此，由信号处理及控制单元10通过计算处理从公式(7)和公式(2)可以得到待测的声压信号的强度p₀和频率ω_p。

由于本实用新型的光纤声传感器只对沿其传感头4中的声换能器-振动膜403表面的垂直方向传播的声波敏感，而对平行方向传播的声波不敏感，所以本实用新型的光纤声传感器还可以用来测量声波的传播方位。如图4所示，声源0处于直角坐标系的原点，沿着与x轴夹角为θ的方向发出声波p(t)，为测出其方位θ，可简单地沿着x轴和y轴设置两个光纤声传感器Sx和Sy，其中光纤声传感器Sx的声波敏感方向为x轴方向，光纤声传感器Sy的声波敏感方向为y轴方向。则光纤声传感器Sx测得到的信号为px＝p(t)cos(θ)，光纤声传感器Sy测得到的信号为py＝p(t)sin(θ)，由此可得声源O发出的声波的方位 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{py}}{\mathrm{px}}\right).$

由于本实用新型的光纤声传感器具有响应频率高的优点，因此本实用新型的光纤声传感器还可以用来测量声波传播的速度。如图5所示，沿声源O发出的脉冲声波的传播方向设置两个本实用新型光纤声传感器S1和S2，传感器间的距离为l。光纤声传感器S1在时刻t1探测到声波信号，光纤声传感器S2在时刻t2探测到声波信号，则声源O声波的传播速度v＝l/(t2-t1)。

从上述可知，本实用新型具有以下特点和优点：

4)本实用新型引入可调谐滤波器和导频调制技术，可以自动稳定工作点，克服了上述先技术中传感器正交工作点漂移，造成传感器灵敏度下降和测量范围减小的问题。

5)本实用新型采用两路具有不同谱宽的光信号进行差分，消除了光源功率波动和光路损耗变化带来的不稳定性，误差小，测量稳定性高。

6)本实用新型采用宽带光源，可以有效消除光路中的寄生干涉效应，噪声低，测量准确性好。

Claims (6)

1、一种光纤声传感器，包括带尾纤输出的光源模块(1)，特征在于其构成是：该光源模块(1)和光纤合波元件(2)的第一端口(201)相连，该光纤导光元件(2)的第三端口(203)通过光纤(3)和非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头(4)相连，光纤导光元件(2)的第二端口(202)和光纤分束器(5)的第一端口(501)相连，该光纤分束器(5)的第二端口(502)与可调谐光纤带通滤波器(6)相连，该可调谐光纤带通滤波器(6)与第一光电探测单元(7)相连，该光纤分束器(5)的第三端口(503)与第二光电探测单元(8)相连，所述的可调谐光纤带通滤波器(6)的驱动器(9)与信号处理及控制单元(10)相连，所述的第一光电探测单元(7)和第二光电探测单元(8)均与所述的信号处理及控制单元(10)相连。

2、根据权利要求1所述的光纤声传感器，其特征在于所述的光源模块(1)是声传感器测量光信号的发射源，它的光谱需要与可调谐光纤带通滤波器6的调谐范围和中心波长相匹配，并且带宽不小于30nm。

3、根据权利要求2所述的光纤声传感器，其特征在于所述的光源模块(1)为超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺铒光纤放大自发辐射光源。

4、根据权利要求1所述的光纤声传感器，其特征在于所述的光纤导光元件(2)是光纤耦合器或者是光纤环行器。

5、根据权利要求1所述的光纤声传感器，其特征在于所述的传输光纤(3)为普通商用单模光纤或多模光纤。

6、根据权利要求1所述的光纤声传感器，其特征在于所述的非本征型光纤法布里珀罗干涉传感头(4)的构成是一片石英圆振动膜(403)和用来密封固定该圆振动膜(403)和光纤(401)的石英管(402)，所述的石英管(402)和光纤(401)之间的粘合时，所述的光纤(401)的端面与圆振动膜(403)的内表面之间保持一定的间隙，该间隔使振动膜(403)内表面的反射光束和与光纤(401)端面直接反射的光束满足干涉条件。

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