CN101504312A - 一种对声音探测的光纤声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对声音探测的光纤声传感器，该光纤声传感器包括有：光源(3)、敏感单元(1)、光源(3)、光电探测器(4)、信号处理电路(5)组成；光源(3)发出的光信号耦合进发射光纤(1A)中，通过发射光纤投射在反射振动膜片(2)上。反射振动膜片(2)敏感待测的振动信号，通过膜片(2)的振动对投射到其上的光信号进行强度调制，经膜片(2)反射后的光信号由接收光纤(1B)接收，并传导到后续的光电探测器(4)进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路(5)处理后还原成声音信号。在敏感单元中，利用反射振动膜片敏感待测声音信号，并对反射光信号的强度进行调制，通过光电探测器再将调制后的光强信号转换成电信号，从而实现声-光-电的转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤声传感器，更特别地说，是指一种能够将探测得到的声音进行声-光-电转换处理的光纤声传感器。
背景技术
光纤声传感器由于其结构简单、受外界环境影响较小，在强电磁干扰环境、强腐蚀环境，以及易燃易爆等高危险性环境中具有很广阔的应用前景。根据报道，该类声传感器已用于医疗CT及核磁共振成像等高电磁干扰环境中的通话，以及高电磁干扰环境中的无金属化语音侦听。同时将光纤声传感器用于输油管道监测、飞行器监测等无损探伤领域，也取得了一定的成果。目前，光纤声传感技术主要基于两种原理：干涉式和强度式。干涉式光纤声传感方法由于其易受环境的影响，外界温度、压力等因素很容易引起干涉光信号相位的改变，造成测量信号的漂移，因而很难满足在实际中的应用。强度式光纤声传感方法直接采用光强度调制，因而受环境影响较小。目前反射式强度调制型光纤声传感中接收光纤和发射光纤通常都采用平行式结构，该结构由于光信号耦合效率较低，因而构成的系统探测灵敏度和信噪比都较低，难以满足实际应用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够将探测的声音进行声-光-电转换处理的光纤声传感器，该光纤声传感器应用了反射式光强调制传感原理，通过敏感单元与光电探测器的组合将声音信号转化成光强信息，并对光强信息进行信号处理，从而还原出被测声音信号。
本发明的一种光纤声传感器是将光源发出的光信号耦合进发射光纤中，通过发射光纤投射在反射振动膜片上。反射振动膜片敏感待测的振动信号，通过膜片的振动对投射到其上的光信号进行强度调制，经膜片反射后的光信号由接收光纤接收，并传导到后续的光电探测器进行光电转换，转换后的电信号经信号处理电路处理后还原成声音信号。其中包括有：
一光源，是为光纤声传感器提供中心波长为850nm的出射光Pin；
一敏感单元，是通过发射光纤接收光源输出的出射光Pin，该出射光Pin经发射光纤入射到反射振动膜片上并形成反射光Pout，该反射光Pout由接收光纤接收并传输到光电探测器上；
一光电探测器，是将接收到的反射光Pout转换成表征光强信息的电压信号V输出给信号处理电路；
一信号处理电路，其由信号放大电路、滤波电路和音频输出电路组成，该信号处理电路用于实现将电信号转换成声信号，并输出。
所述的对声音探测的光纤声传感器，其敏感单元由上盖板、基座和反射振动膜片组成，上盖板安装在基座上形成夹紧两根光纤的夹具，该夹具与反射振动膜片的间距记为d，d＝10～200μm；反射振动膜片是一圆片，厚度为0.1～2μm；基座上设有A斜槽、B斜槽，该A斜槽、B斜槽能够保证发射光纤(1B)的发射终端与接收光纤的接收起端形成一个夹角，该夹角记为光纤夹角β，β＝30°～90°。
所述的对声音探测的光纤声传感器，其发射光纤采用芯径为62.5μm外径为125μm的多模光纤，接收光纤采用芯径为100μm外径为125μm的多模光纤。
本发明光纤声传感器的优点在于：
(1)在敏感单元中，利用反射振动膜片敏感待测声音信号，并对反射光信号的强度进行调制，通过光电探测器再将调制后的光强信号转换成电信号，从而实现声-光-电的转换。
(2)在敏感单元中，利用夹角式光纤排列结构，以及调整夹具与膜片之间的间距，提升了传感器的探测灵敏度和信噪比，使本发明能够更好的满足实际应用要求。
(3)在传感领域中，中心波长为850nm的光源能够有较大的输出强度，因此本发明采用中心波长为850nm的光源，有利于通过强度提高光纤声传感器的灵敏度。
(4)采用光信号做为载体，使得本发明传感器不受电磁干扰影响。
(5)采用铌酸锂基片上刻蚀槽道安装光纤，采用光纤作为光信号的传导介质，有效地减小了本发明传感器的尺寸，减化了整体结构，实现了微小结构对于声音信号的高灵敏度探测。
附图说明
图1是本发明光纤声传感器的结构图。
图2是本发明敏感单元的结构分解图。
图2A是本发明敏感单元中两根光纤的夹角
图3A是本发明信号处理电路中信号放大电路的原理图。
图3B是本发明信号处理电路中滤波放大电路和音频输出电路的原理图。
图中： 1.敏感单元 1A.接收光纤 1B.发射光纤 11.上盖板12.基板 121.A斜槽 122.B斜槽 2.反射振动膜片3.光源 4.光电探测器 5.信号处理电路
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图2所示，本发明是一种能够将探测得到的声音进行声-光-电转换处理的光纤声传感器，该光纤声传感器包括有：
一光源3，是为光纤声传感器提供中心波长为850nm的出射光Pin。
一敏感单元1，是通过发射光纤1B接收光源3输出的出射光Pin，该出射光Pin经发射光纤1B入射到反射振动膜片2上并形成反射光Pout，该反射光Pout由接收光纤1A接收并传输到光电探测器4上。敏感单元1由上盖板11、基座12和反射振动膜片2组成，上盖板11安装在基座12上形成夹紧两根光纤的夹具，该夹具与反射振动膜片2的间距记为d，d＝10～200μm。反射振动膜片2是一圆片，厚度为0.1～2μm。反射振动膜片2可以采用如硅、银、金、镍、钛或铂加工成一定厚度的圆片结构。基座12上设有A斜槽121、B斜槽122，该A斜槽121、B斜槽122能够保证发射光纤1B的发射终端与接收光纤1A的接收端形成一个夹角，该夹角记为光纤夹角β，β＝30°～90°。发射光纤1B采用芯径为62.5μm外径为125μm的多模光纤，接收光纤1A采用芯径为100μm外径为125μm的多模光纤。基板12和上盖板11均采用铌酸锂(LiNbO3)材料加工。
一光电探测器4，是将接收到的反射光Pout转换成表征光强信息的电压信号V输出给信号处理电路5。
一信号处理电路5，其由信号放大电路、滤波电路和音频输出电路组成，该信号处理电路5用于实现将电信号转换成声信号，并输出。
在本发明中，信号处理电路5的具体电路为：编号N2A和编号N2B为一片型号为LM358的运算放大芯片(第一运算放大芯片)。编号N4A和编号N4B为另一片型号为LM358的运算放大芯片(第二运算放大芯片)。编号U7为一片型号为NE5532的音频放大芯片。
从光电探测器4中输出的电压信号V经电容C1、电阻R1后连接到第一运算放大芯片的2端，电容C19与电阻R8并联在第一运算放大芯片的2端与1端上，8端接5V电压为第一运算放大芯片供电，且5V电压通过并联的电容C11、电容C17后接地，以减小纹波，3端和4端接地，第一运算放大芯片1端经电容C21、电阻R9后与第一运算放大芯片的6端相联，电容C20与电阻R10并联在第一运算放大芯片的6端与7端上，5端接5V电压为第一运算放大芯片参考电压，且5V电压通过并联的电容C12、电阻R14后接地，以减小纹波，运算放大后的放大信号V1经电容C13后连接到滤波电路中，即7端连接在第一级低通滤波电路上。
第一级低通滤波电路由电阻R15、电阻R22、电容C23和电容C25构成，5V电压与电阻R16和电阻R17构成抬升信号的直流电压(即5V电压经电阻R16连接在电容C23与电阻R22之间，经电阻R16后的5V电压再经电阻R17接地)。放大信号V1顺次经电阻R15、电容C23、电阻R22、电阻R23流入第二运算放大芯片的3端。
第二运算放大芯片的2端与3端之间接有电容C26，2端与1端联接，3端经电容C27接地，8端接5V电压为第二运算放大芯片供电，且5V电压通过并联的电容C14、电容C18后接地，以减小纹波，4端接地，1端输出的去除高频噪声信号V2流入第一级高通滤波电路中，即第二运算放大芯片的1端与第一级高通滤波电路的电阻R25连接。
第一级高通滤波电路由电阻R25、电阻R28、电容C41和电容C43构成，5V电压与电阻R18和电阻R19构成抬升信号的直流电压(即5V电压经电阻R18连接在电容C46与第二运算放大芯片的5端之间，经电阻R18后的5V电压再经电阻R19接地)。去除高频噪声信号V2顺次经电容C41、电容C43、电容C46流入到第二运算放大芯片的5端。6端与5端之间通过电阻R31、电容C46连接，6端与7端相连，7端输出的去除低频噪声信号V3经电容C24流入音频放大电路。
音频放大电路由音频放大芯片NE5532及其外围电路构成，去除低频噪声信号V3顺次经电容C24、电阻R32、电容C47、电容C48流入音频放大芯片的3端，电阻R32、电容C47、可调电阻RP1构成分压电路(电阻R32的一端与可调电阻RP1的一端相联，可调电阻RP1的另一端接地，在可调电阻RP1的滑变端与电阻R32之间并联有电容C47)。
音频放大芯片的8端接5V供电，电容C49与电容C50并联，起到纹波作用，且8端经电阻R34、电阻R33接地。3端经电阻R20、电阻R33接地，2端经电阻R27、电容C52接地，同时2端也经电阻R51、电阻R221、电阻R48接地，在电阻R221上并联电容C53，经音频放大后的信号V4从7端输出。音频放大信号V4经电容C51与外部接口J4相接，实现音频放大信号V4的输出。
参见图2、图2A所示，敏感单元中夹具与反射振动膜片2的工作原理为：发射光纤1B发射的中心波长为850nm的光信号经反射振动膜片2反射后形成反射光场，该反射光场投射到接收光纤1A的端面上，由接收光纤1A接收。当有声音信号作用在反射振动膜片2上，并引起反射振动膜片2振动时，反射光场的强度分布发生变化，进而引起接收光纤1A接收到的光强度发生变化。
在本发明中，光源3用于提供中心波长为850nm的非相干光信号，光源3为出纤功率大于200μm的扁平式发光二级管。
在本发明中，光电探测器采用安捷伦HFBR2416T光电探测模块。
本发明的能够将探测得到的声音进行声-光-电转换处理的光纤声传感器，其工作流程为：光源3出射的光信号耦合进发射光纤1B中，并从敏感单元1中的发射光纤1B的端面出射，投射到反射振动膜片2的表面，反射后的光信号由接收光纤1A接收。当待测的声音信号通过传输介质作用在反射振动膜片2上，带动反射振动膜片2发生振动，引起距离d的变化。此时，反射光信号在接收光纤1A端面形成的反射光场强度分布发生变化，进而接收到的光信号强度也发生变化。接收到的光信号经光电探测器被转换成电信号，再通过放大、滤波处理，通过音频输出模块输出成能被听到的声音信号。
Claims (7)
1、一种对声音探测的光纤声传感器，其特征在于该光纤声传感器包括有：
一光源(3)，是为光纤声传感器提供中心波长为850nm的出射光Pin；
一敏感单元(1)，是通过发射光纤(1B)接收光源(3)输出的出射光Pin，该出射光Pin经发射光纤(1B)入射到反射振动膜片(2)上并形成反射光Pout，该反射光Pout由接收光纤(1A)接收并传输到光电探测器(4)上；
一光电探测器(4)，是将接收到的反射光Pout转换成表征光强信息的电压信号V输出给信号处理电路(5)；
一信号处理电路(5)，其由信号放大电路、滤波电路和音频输出电路组成，该信号处理电路(5)用于实现将电信号转换成声信号，并输出。
2、根据权利要求1所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：敏感单元(1)由上盖板(11)、基座(12)和反射振动膜片(2)组成，上盖板(11)安装在基座(12)上形成夹紧两根光纤的夹具，该夹具与反射振动膜片(2)的间距记为d，d＝10～200μm；反射振动膜片(2)是一圆片，厚度为0.1～2μm；基座(12)上设有A斜槽(121)、B斜槽(122)，该A斜槽(121)、B斜槽(122)能够保证发射光纤(1B)的发射终端与接收光纤(1A)的接收起端形成一个夹角，该夹角记为光纤夹角β，β＝30°～90°。
3、根据权利要求1所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：反射振动膜片(2)采用如硅、银、金、镍、钛或铂加工成一定厚度的圆片结构。
4、根据权利要求1所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：发射光纤(1B)采用芯径为62.5μm外径为125μm的多模光纤，接收光纤(1A)采用芯径为100μm外径为125μm的多模光纤。
5、根据权利要求1所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：基板(12)和上盖板(11)均采用铌酸锂材料加工。
6、根据权利要求1所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：信号处理电路(5)的具体电路为：编号N2A和编号N2B为一片型号为LM358的第一运算放大芯片，编号N4A和编号N4B为另一片型号为LM358的第二运算放大芯片，编号U7为一片型号为NE5532的音频放大芯片。
7、根据权利要求6所述的对声音探测的光纤声传感器，其特征在于：从光电探测器(4)中输出的电压信号V经电容C1、电阻R1后连接到第一运算放大芯片的2端，电容C19与电阻R8并联在第一运算放大芯片的2端与1端上，8端接5V电压为第一运算放大芯片供电，且5V电压通过并联的电容C11、电容C17后接地，以减小纹波，3端和4端接地，第一运算放大芯片1端经电容C21、电阻R9后与第一运算放大芯片的6端相联，电容C20与电阻R10并联在第一运算放大芯片的6端与7端上，5端接5V电压为第一运算放大芯片参考电压，且5V电压通过并联的电容C12、电阻R14后接地，以减小纹波，运算放大后的放大信号V1经电容C13后连接到滤波电路中，即7端连接在第一级低通滤波电路上；
第一级低通滤波电路由电阻R15、电阻R22、电容C23和电容C25构成，5V电压与电阻R16和电阻R17构成抬升信号的直流电压；放大信号V1顺次经电阻R15、电容C23、电阻R22、电阻R23流入第二运算放大芯片的3端；
第二运算放大芯片的2端与3端之间接有电容C26，2端与1端联接，3端经电容C27接地，8端接5V电压为第二运算放大芯片供电，且5V电压通过并联的电容C14、电容C18后接地，以减小纹波，4端接地，1端输出的去除高频噪声信号V2流入第一级高通滤波电路中，即第二运算放大芯片的1端与第一级高通滤波电路的电阻R25连接；
第一级高通滤波电路由电阻R25、电阻R28、电容C41和电容C43构成，5V电压与电阻R18和电阻R19构成抬升信号的直流电压；去除高频噪声信号V2顺次经电容C41、电容C43、电容C46流入到第二运算放大芯片的5端。6端与5端之间通过电阻R31、电容C46连接，6端与7端相连，7端输出的去除低频噪声信号V3经电容C24流入音频放大电路；
音频放大电路由音频放大芯片NE5532及其外围电路构成，去除低频噪声信号V3顺次经电容C24、电阻R32、电容C47、电容C48流入音频放大芯片的3端，电阻R32、电容C47、可调电阻RP1构成分压电路；
音频放大芯片的8的端接5V供电，电容C49与电容C50并联，起到纹波作用，且8端经电阻R34、电阻R34接地；3端经电阻R20、电阻R34接地，2端经电阻R27、电容C52接地，且2端经电阻R51、电阻R221、电阻R48接地，电容C53与电阻R221并联，经音频放大后的信号V4从7端输出；音频放大信号V4经电容C51与外部接口J4相接，实现音频放大信号V4的输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110406 Termination date: 20120316 |