CN101660939A - 光纤声压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤声压传感器，包括正交偏振双频光纤激光器，设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力的施力构件，以及设置在光纤激光器侧面且与施力构件相对的支承构件。本发明利用正交偏振双频光纤激光器作为传感单元，正交偏振双频光纤激光器在无线电射频域产生一个拍频信号，将声压信号转换为此拍频信号频率的变化，通过检测拍频信号频率来实现对声压的测量，灵敏度高、解调简单、易于复用。

Description

光纤声压传感器

技术领域

本发明涉及一种用于检测声压信号的传感器，特别涉及一种基于光纤技术检测声压信号的传感器。

背景技术

现有的声压传感器主要是基于电学原理设计制作而成的，例如压电陶瓷和压电聚合物声压传感器，将声压信号转换为电压信号，通过电子学手段测得电压大小，由此实现声压信号测量。其缺点是，易受电磁干扰，灵敏度比较低。特别是，电子学器件一般需要本地仪器，不适合于在水下部署阵列水听器以及遥感应用。

光纤传感器技术可弥补传统电子式声学传感器的上述不足。相对于传统的电类传感器，光纤传感器具有以下优点：灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、易于组网等，在众多领域已经取代传统的电类传感器，具有更广泛的应用前景。

在光纤声压传感器开发方面，已经进行了多种尝试。例如，文献“Overviewof High performance Fiber-Optic Sensing”(参见C.K.Kirkendall and A.Dandridge，J.Phys.D：Appl.Phys.37，R197-R216，2004.)描述了基于光纤干涉仪结构的光纤水听器。这类基于光纤干涉仪的声学传感器一般具有较高的灵敏度，但是其复用能力差，需要非常复杂的技术才能够实现传感器组网，阵列部署时成本十分昂贵。

再如，文献“Characteristics of fiber Bragg grating hydrophone”(参见N.Takahashi et al.，IEICE Trans.Electron.，E83-C，275-281，2000.)描述了基于光纤光栅的水听器，中国发明专利申请“声压传感器”(公开号CN101065652A，公开日2007/10/31)描述了一种基于光纤激光器的水听器。这两类传感器分别将声压转换为光纤光栅或光纤激光器的工作波长的变化，通过检测波长变化获知声压信息。这两类传感器易于复用，但是由于只有当声压信号比较大时才能够引起波长的变化，因此灵敏度比较低，而且需要波长解调，解调设备昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种解调成本低廉、易于组网的光纤声压传感器。本发明利用正交偏振双频光纤激光器作为传感单元，正交偏振双频光纤激光器在无线电射频域产生一个拍频信号，它将声压信号转换为此拍频信号频率的变化，通过检测拍频信号频率来实现对声压的测量，灵敏度高、解调简单、易于复用。

本发明的目的可以通过下述技术方案实现：光纤声压传感器，包括光纤激光器，还包括设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力的施力构件，以及设置在光纤激光器侧面且与施力构件相对的支承构件；所述光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器。

所述施力构件上设有第一硬体单元，所述施力构件通过第一硬体单元向光纤激光器施加侧向作用力；所述支承构件上设有第二硬体单元，所述支承构件通过第二硬体单元支承光纤激光器。

所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器或者为分布反馈光纤激光器。

所述第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，或者为直接在施力构件或支承构件上所沉积的硅材料。

所述第一硬体单元、第二硬体单元与光纤激光器线接触。

所述施力构件为与支承构件一起装配在圆筒状结构中的活塞，圆筒状结构上设有开孔，光纤激光器从所述开孔中引出；所述施力构件或者为弹性膜片，弹性膜片的边缘固定在支承构件上。

本发明的目的还可以通过下述技术方案实现：光纤声压传感器，包括光纤激光器，还包括相向地设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加相向的侧向作用力的第一施力构件、第二施力构件；所述光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器。

所述第一施力构件、第二施力构件上分别设有第一硬体单元、第二硬体单元，第一施力构件、第二施力构件分别通过第一硬体单元、第二硬体单元向光纤激光器施加相向的侧向作用力。

所述第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，或者为直接沉积在第一施力构件、第二施力构件上的硅材料。

所述第一施力构件、第二施力构件均为弹性膜片；第一施力构件、第二施力构件的边缘均直接固定在一框架上，或者分别通过第一柔性构件、第二柔性构件固定在一框架上。

本发明的工作原理如下：利用正交偏振双频光纤激光器作为传感单元，光纤激光器的两个偏振模式在无线电射频域产生一个拍频信号，此拍频信号的频率对作用于光纤激光器的侧向压力极为敏感。弹性膜片或活塞将声压信号转化为作用于光纤激光器的侧向压力，从而导致拍频信号的频率发生变化。因此，通过检测拍频信号能够实现对声压的测量。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：与传统的电类传感器相比，具有不受电磁干扰等优点；与现有光纤声压传感器相比，将声压信号转换为在无线电频段的拍频信号，它具有灵敏度高、解调简单、解调成本低廉、易于复用等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例3的结构示意图；

图5也是本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、2所示，在本实施例中，光纤激光器1夹在施力构件2和支承构件3之间，施力构件2设置在光纤激光器1的侧面从而在声压信号作用下向光纤激光器1施加侧向作用力，从而改变光纤双折射。光纤激光器1为正交偏振双频激光器，当光纤双折射发生变化时，光纤激光器的偏振拍频信号的频率发生变化，故而，光纤激光器的偏振拍频随声压信号而变化。

本领域技术人员很容易想到：在具体实施中，施力构件2可以采用活塞，可以将活塞与支承构件3一起装配在圆筒状结构中，圆筒状结构上设有两个位于同一直径上的开孔，光纤激光器1从该两个开孔中引出。施力构件2也可以采用弹性膜片；膜片边缘可以固定在支承构件3上，从而使弹性模片更稳固，不易脱落。本领域技术人员亦会想到：光纤激光器1既可以采用分布布拉格反射(DBR)结构，也可以采用分布反馈(DFB)结构；增益光纤既可以采用掺铒光纤，也可以采用Er/Yb共掺光纤。

实施例2

如图3所示，在本实施例中，在施力构件2上装配有第一硬体单元4，在支承构件3上装配有第二硬体单元5，且第一硬体单元4的全部或一部分落在第二硬体单元5的上方；施力构件2通过第一硬体单元4向光纤激光器1施加侧向作用力，支承构件3通过第二硬体单元5支承光纤激光器1。第一硬体单元4、第二硬体单元5都可以采用硅片等，也都可以是直接在施力构件2或支承构件3上所沉积的硅材料。第一硬体单元4、第二硬体单元5具有光滑平整的表面，以保证光纤激光器1受力均匀，达到良好的施力效果；另一方面，第一硬体单元4、第二硬体单元5的尺寸决定了侧向力作用长度，优化第一硬体单元、第二硬体单元的尺寸能够提高响应灵敏度。当第一硬体单元4、第二硬体单元5与光纤激光器1线接触时，光纤声压传感器的灵敏度最理想。

在本实施例中，光纤激光器1采用分布布拉格反射(DBR)光纤激光器，高反光栅长度为10mm，低反光栅长度为6mm，两光栅端到端距离为10mm；第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，其长度为8mm，刚好压在高反光栅与低反光栅之间的谐振腔区域。

实施例3

当水听器部署在移动或拖曳阵列应用时，为了避免加速度作用引起测量噪声，要求水听器对加速度不敏感。在本实施例中，为了降低加速度灵敏度，用第二施力构件6替代实施例2中的支承构件3，如图4所示。施力构件2作为第一施力构件，与第二施力构件6分别设置在光纤激光器1的两个相对侧面。在声压信号作用下，施力构件2与第二施力构件6向光纤激光器1施加相向的侧向作用力，即施力构件2和第二施力构件6从相反方向对光纤激光器1施加侧向作用力。在加速度作用下，二者共同被加速，几乎不会对光纤激光器1产生作用力。

本实施例的第一硬体单元4、第二硬体单元5的位置及结构均与实施例2的相同，在此不赘述。

本领域技术人员会想到，在具体实施中，如图5所示，施力构件2和第二施力构件6均可采用弹性膜片。作为施力构件2的弹性膜片的边缘可以直接固定在框架7上，或者通过第一柔性构件8固定在框架7上；同理，作为第二施力构件6的弹性膜片的边缘也可以直接固定在框架7上，或者通过第二柔性构件9固定在框架7上。框架7可以是一个环形框架，环形框架上设有两个位于同一直径上的开孔，光纤激光器1从该两个开孔中引出；相应地，第一柔性构件8、第二柔性构件9也是环形的，第一施力构件2、第二施力构件6是圆形的。

所述光纤激光器1可以去掉涂覆层，然后夹持在施力构件2和第二施力构件6之间，这样更有利于灵敏度的提高。

本领域技术人员会想到，可以把不同工作波长和不同拍频的多个正交偏振双频光纤激光器串接在一根光纤里，实现传感器复用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光纤声压传感器，包括光纤激光器，其特征在于：还包括设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加侧向作用力的施力构件，以及设置在光纤激光器侧面且与施力构件相对的支承构件；所述光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器。

2.根据权利要求1所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述施力构件上设有第一硬体单元，所述施力构件通过第一硬体单元向光纤激光器施加侧向作用力；所述支承构件上设有第二硬体单元，所述支承构件通过第二硬体单元支承光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器或者为分布反馈光纤激光器。

4.根据权利要求2所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，或者为直接在施力构件或支承构件上所沉积的硅材料。

5.根据权利要求2所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述第一硬体单元、第二硬体单元与光纤激光器线接触。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述施力构件为与支承构件一起装配在圆筒状结构中的活塞，圆筒状结构上设有开孔，光纤激光器从所述开孔中引出；所述施力构件或者为弹性膜片，弹性膜片的边缘固定在支承构件上。

7.光纤声压传感器，包括光纤激光器，其特征在于：还包括相向地设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加相向的侧向作用力的第一施力构件、第二施力构件；所述光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器。

8.根据权利要求7所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述第一施力构件、第二施力构件上分别设有第一硬体单元、第二硬体单元，第一施力构件、第二施力构件分别通过第一硬体单元、第二硬体单元向光纤激光器施加相向的侧向作用力。

9.根据权利要求7所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，或者为直接沉积在第一施力构件、第二施力构件上的硅材料。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的光纤声压传感器，其特征在于：所述第一施力构件、第二施力构件均为弹性膜片；第一施力构件、第二施力构件的边缘均直接固定在一框架上，或者分别通过第一柔性构件、第二柔性构件固定在一框架上。

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