CN101769783A - 静压平衡型光纤超声传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静压平衡型光纤超声传感器阵列测量系统，该系统包括非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器、光源模块、波分复用器、可调谐窄带光滤波器、光电探测以及信号处理单元。光源模块和波分复用器的第一端口相连，波分复用器的第三端口通过传输光纤和光纤传感器相连，波分复用器的其它输出端口分别和不同的光纤传感器相连，这样不同波长范围的光束分别作用于不同的光纤传感器，同时有多个不同的干涉后的光束经波分复用器的第二端口至可调谐窄带光滤波器的第一端口，可调谐窄带光滤波器的第二端口输出一窄带光至光电探测管，光电探测管将光信号转换成电流信号送至信号处理单元。本发明的有益效果是：能自动消除静态压强变化和温度改变导致的传感器工作点的偏移，提高了该测量系统的波分复用能力。

Description

静压平衡型光纤超声传感器阵列

技术领域

本发明涉及光纤传感，是一种光纤传感器复用测量系统，具体地说是一种能消除静压强影响、能稳定工作点的非本征珐布里-珀罗光纤传感器组成的波分复用测量系统，用于水下超声波探测。

背景技术

光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能优良、抗电磁干扰、耐腐蚀等诸多优点，光纤声波及超声波传感器其主要应用是光纤水听器，就其实现技术而言，最成功的光纤超声传感器是基于干涉技术的。基于干涉技术的光纤水呼器其灵敏度比传统的压电式传感器高三个数量级，具有无可比拟的优势。其基本原理是将传感光纤作为传感器探头置于待测体中，当受到声波扰动时，传感光纤受声压作用导致光纤长度、直径或折射率发生变化而产生光波相位变化，测量传感光纤中光波相位的变化即可知相应的声压。因此这种传感器属于相位调制型，其中一束光受到声压的作用后相位发生变化，使两光束的相位差改变，从而导致两束光相干后的输出光强受到声波调制。

在干涉型传感器中，非本征珐布里-珀罗干涉型光纤传感器具有结构简单灵巧、体积小、成本低的优点。它相对于Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac等其它形式的干涉仪传感器还有如下优点：①光纤用料少，去光和回光可在同一根光纤中传输。②由于光程差很短，一般在10^-4m左右，所以不需要光源有很窄的线宽，降低对光源的要求，同时也减小了干涉相位噪声和偏振衰落的发生。③不需要对光纤本身进行增敏或去敏的处理。

目前对非本征珐布里-珀罗干涉仪传感器进行大规模阵列应用仍是需要亟待解决的技术难题。波分复用技术具有复用方式简单、光源功率利用率高等优点，但是一个需要解决的问题就是传感器工作点的偏移问题，工作点偏移大将严重影响复用数量。当传感器周围环境因素如静态压强变化或温度发生变化时，会导致非本征珐布里-珀罗干涉腔内外的压强差变化，从而引起传感器远离正交工作状态，造成单个传感器占用带宽过大，复用能力降低，同时也会使输出信号不稳定，甚至消隐；另外基于薄膜结构的非本征珐布里-珀罗干涉仪型传感器是靠弹性薄膜来感受声信号的，该类型的传感器用于水下测量时，还有一个突出的问题就是不能耐受很高的静压强。本发明正是为解决上述问题而进行的。

发明内容

本发明提供了一种由静压平衡型非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器组成的复用测量系统。

本发明具体的技术方案：

珐布里-珀罗光纤超声传感器复用测量系统的构成是：一光源模块和光纤波分复用器的第一端口相连，该波分复用器的第三、第四、第五...端口分别连接一个珐布里-珀罗光纤超声传感器，波分复用器的第二端口与可调谐光窄带滤波器相连，该可调谐光窄带滤波器的输出端口连接光电探测单元，所述光电探测单元与信号处理电路相连。

所述的光源模块是一宽带光源，其带宽不小于40nm，且其带宽范围与可调谐光窄带滤波器的调谐范围相匹配。所述光源模块可以是超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺饵光纤放大自发辐射光源。

所述静压平衡型非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器包括粗石英管、细石英管、镀膜光纤、铝薄膜、安全气囊和边孔光纤。所述的细石英管和光纤之间粘合，粗石英管和细石英管粘合，粗石英管端面粘合铝薄膜，并使光纤端面和铝薄膜之间保持一定的间隙，该间隙使薄膜内表面的反射光束和由光纤端面反射的光束满足干涉条件。当声压作用于传感器时，铝薄膜随声波振动，两光束的光程差改变，导致输出光强变化，从而得到声信号。所述的安全气囊安装于细石英管外，边孔光纤固定于粗、细石英管之间，通过边孔光纤来平衡干涉腔与气囊内的压强。

本发明的有益效果：①本发明之光纤传感器具有自动稳定工作点的功能，传感器工作点的稳定又使其可采用密集波分复用技术实现阵列测量。②本发明之测量系统采用宽带光源与可调谐光纤窄带滤波器相结合的方式，可以有效避免寄生干涉效应，噪声低，复用能力强。③本发明之光纤传感器可以在高静压下工作，即可以进行深水超声探测，为薄膜式非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器的应用开创了新的领域。

附图说明

图1为静压平衡型光纤超声传感器波分多路复用系统示意图

图2为非本征珐布里-珀罗光纤超声传感头结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明：

本发明所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列系统如图1所示，由图可见，该系统包括所述非本征珐布里-珀罗光纤传感器4、光源模块1、波分复用器2、传输光纤3、可调谐窄带光滤波器5、光电探测管6以及信号处理单元7。光源模块1和波分复用器2的第一端口201相连，波分复用器2的第三端口203通过传输光纤3和非本征珐布里-珀罗光纤传感器4相连，波分复用器2的其它输出端口分别和不同的非本征珐布里-珀罗光纤传感器相连，这样不同波长范围的光束分别作用于不同的光纤传感器，同时有多个不同的干涉后的光束经波分复用器2的第二端口至可调谐窄带光滤波器5的第一端口501，可调谐窄带光滤波器5的第二端口502输出一窄带光至光电探测管6，光电探测管6将光信号转换成电流信号送至信号处理单元7。

所述的非本征珐布里-珀罗光纤传感器4的结构如图2所示，它是由镀膜光纤401、细石英管402、粗石英管403、铝薄膜404、安全气囊405和边孔光纤407构成的。光纤401的外径为125μm，细石英管402的内径126μm，粗石英管403的内径是2mm，铝薄膜404的有效直径也就为2mm。两个石英管之间、镀膜光纤401与细石英管402之间、粗石英管403端面与铝薄膜404之间可以用胶(如353胶)粘接在一起，并使镀膜光纤401端面和铝薄膜404之间的距离在几十到几百微米之间，中间为干涉腔(空气腔)408，这样光纤端面和铝薄膜就构成了珐布里-珀罗干涉仪的两个反射面，两束反射光在镀膜光纤401中形成干涉。当传感头4位于声场中时，铝薄膜404因受声压扰动而产生振动，相当于珐布里-珀罗干涉腔的腔长受到外界信号的调制，解调出腔长的变化规律，就可得到被测信号。其中振动薄膜的材质、半径和厚度等参量可根据被测量的特性以及测试环境的特点加以优化设计，其设计原理可参照材料的弹性力学及圆形弹性薄板理论。

设干涉腔的腔长是d，当周围有均匀压强分布的情况下，圆形铝薄膜的轴向位移量：

$\mathrm{\Δd}=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2){(a^2-r^2)}^2}{16{\mathrm{Eh}}^3}\mathrm{\ΔP}---\left(1\right)$

其中，a和h分别是薄膜的半径和厚度；r是所求点偏离中心点的距离；E和μ分别是薄膜材料的杨氏模量和泊松比。

把薄膜看作一个圆盘状的自由振动体，它的自然频率可以表示为：

$f=\frac{\mathrm{\α}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{Eg}}{3\mathrm{\ω}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}}\left(\frac{h}{a^2}\right)---\left(2\right)$

式中α是与薄膜振动模式相关的常数；g是重力加速度常数；ω是薄膜材料的密度；E、u、h、a参数同式(1)。

为了提高传感器4的灵敏度，由式(1)可知，选取的铝薄膜404的厚度要很小，这里仅为10μm。当传感器4位于液体中的位置不断变化时，外界压强也在不断随之变化；当环境温度改变时，传感器4内部气体的热胀冷缩，引起内部压强变化。以上这两种情况均表现为传感器内外压强差的改变，此变化量影响了传感器的腔长，表现为传感器工作点的漂移，为此，我们设计了一个安全气囊结构405。当传感器4处于液体中时，周围压强均匀分布，外界压强会通过软质材料的气囊405传递到干涉腔408内，使铝薄膜404两面受到的压强趋于一致，也就是说环境因素不再影响干涉腔的腔长，因此它消除了由环境干扰引入的传感器工作点的漂移。

所述的珐布里-珀罗光纤传感器4的干涉腔是一空气腔，只靠一层铝薄膜404承受外部压强，导致其耐受高静压的能力不足。如果将传感器4用于水下声探测，水中静态压强相对于所测的声压是非常大的，会使铝薄膜404损坏。而传感头的安全气囊结构405的作用就是消除干涉腔408内外的压强差，可见安全气囊405在稳定了传感器的工作点的同时，也解决传感器耐受静压问题。经实验验证，安全气囊结构405使传感器4的工作最高静压从0.3MPa提高到10MPa以上。

为了让安全气囊405不影响传感器4的低频特性，在干涉腔408与气囊406之间用一根特种边孔光纤407联系起来，气囊内空气406与干涉腔408内的空气流通是通过光纤中的小孔来进行，小孔的直径仅32μm，所以缓慢的压强变化，如水深、温度等的变化都是缓变量，可以通过此孔平衡腔内外的压强，但对于交变的超声信号则无影响。

所述的光源模块是一宽带光源，其带宽不小于40nm，且其带宽范围与可调谐光纤窄带滤波器的调谐范围相匹配。所述光源模块可以是超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺饵光纤放大自发辐射光源。

所述可调谐窄带光滤波器5输出的带宽要小于波分复用器2的每一输出带宽，同时其相干长度要大于两倍腔长，以使其输出的光经光纤传感器4后产生干涉。当可调谐窄带光滤波器5在整个光源光谱范围内扫描一遍后，就是完成了对所有传感器查询，输出相应光强，以波长量为地址来区分相应的传感器。正是由于带有安全气囊405的非本征珐布里-珀罗光纤传感器4具有稳定工作点的功效，所以波分复用器2可以采用密集波分复用器，提高了测量系统的复用能力。

所述的信号处理单元7包括低噪声前置放大电路、复用识别电路、数据分析处理与存储、显示电路以及控制电路等。

Claims (6)

1.一种静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：它是一个光纤超声传感器复用测量系统，该系统包括若干个非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器4、光源模块1、波分复用器2、传输光纤3、可调谐窄带光滤波器5、光电探测管6以及信号处理单元7。光源模块1和波分复用器2的第一端口201相连，波分复用器2的第三端口203通过传输光纤3和非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器4相连，波分复用器2的第二端口和可调谐窄带光滤波器5的第一端口501相连，波分复用器2的其它输出端口分别和不同的非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器相连，可调谐窄带光滤波器5的第二端口502和光电探测管6相连，光电探测管6和信号处理单元7相连。

2.根据权利要求1所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：它包括镀膜光纤401、安全气囊405、细石英管402、粗石英管403、铝薄膜404、边孔光纤407。镀膜光纤401粘合于细石英管402内，铝薄膜404粘合于粗石英管403的端面上，边孔光纤407粘合于细石英管402与粗石英403之间，同时细石英管402与粗石英403粘合固定，并使镀膜光纤401的端面与铝薄膜404之间相距一定的间隙。

3.根据权利要求2所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：安全气囊405是软质材料，使其一端固定于粗石英管403外表面、另一端固定于细石英管402的外表面，并将大部分细石英管包含其中。

4.根据权利要求1所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：光源模块1是一宽带光源，其带宽不小于40nm，它可以是超辐射发光二极管、或发光二极管、或掺饵光纤放大自发辐射光源。

5.根据权利要求1所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：波分复用器2的波长范围要与光源模块1的波长范围相对应，其波分数量不小于8。

6.根据权利要求1所述的静压平衡型光纤超声传感器阵列，其特征在于：可调谐窄带光滤波器5的调谐范围要与光源模块1的波长范围相对应。

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