CN103200510B - 基于fp干涉原理的光纤传声器的波分复用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于包括：由ASE宽谱光源和DWDM密波分复用器构成的激光器，由n个传声器探头构成的传声器探头阵列；DWDM密波分复用器的输出端通过光纤分别连接在对应的单向导光单元的端口I上；各路单色光经过相对应的单向导光单元的端口I进入相对应的单向导光单元，在通过相对应的单向导光单元的端口II进入相对应的传声器探头中进行声音振动感应；各传声器探头产生的FP干涉光从同其相对应的单向导光单元的端口II进入单向导光单元中，再从单向导光单元的端口III射出进入同该传声器探头相对应的PIN光电二极管中。该波分复用装置具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、易于复用形成阵列的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置。
背景技术
传声器是一种用于接收声音信号，并最终转换为电信号的器件。目前广泛应用的有电容传声器，这种传声器由导电振膜和金属背电极组成的电容拾取声音信号，其原理为：声音振动引起导电振膜振动，导致电容两极间距离发生变化，保持电容两极间电位不变，则声音引起电容存储电量发生变化，从而将声信号转换为电信号。由于此电容值很小，其阻抗很大，因此这种传声器必须配一前置放大电路，用作阻抗变换，以保证传声器能与其他电路相连接。虽然电容传声器具有极好的频率响应特性和较高的灵敏度，但是由其工作原理可知，这种传声器容易受到电磁信号干扰，因此不适合在复杂的电磁环境下工作。
为解决复杂电磁环境下声音信号拾取的问题，提出了基于光纤传感技术的光纤传声器。光纤传声器的基本原理是声音信号首先调制光信号，载有声音信号的光信号经过光电转换，最终变成电信号，完成了声音信号的拾取。由于声信号调光信号过程不受电磁干扰，因此光纤传声器具有极强的抗电磁干扰能力，能够在复杂的电磁环境正常工作。
目前较成熟光纤传声器产品主要是强度式的，如以色列Optoacoustics公司产品，再如实用新型专利CN2834067Y中记载了一种光纤麦克风。这些光纤传声器的结构虽然不同，但是都是采用宽谱LED光源，基于反射强度式原理。这导致这些传声器受外界干扰大，复用困难等问题。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置。本发明采用的技术手段如下：
一种基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于包括：由ASE宽谱光源和DWDM密波分复用器构成的激光器，由n个传声器探头构成的传声器探头阵列，以及同n个传声器探头相对应的n个单向导光单元和n个PIN光电二极管，其中n为自然数；
所述DWDM密波分复用器的输出端通过光纤分别连接在对应的单向导光单元的端口I上；所述ASE宽谱光源连接到DWDM密波分复用器的入口，经DWDM密波分复用器分成n路单色光，各路单色光经过相对应的单向导光单元的端口I进入相对应的单向导光单元，在通过相对应的单向导光单元的端口II进入相对应的传声器探头中进行声音振动感应；
各传声器探头产生的FP干涉光从同其相对应的单向导光单元的端口II进入单向导光单元中，再从单向导光单元的端口III射出进入同该传声器探头相对应的PIN光电二极管中进行光信号转换为电信号处理。
所述传声器探头包括：用于感应声音振动的振膜、外壳和内芯；所述振膜安装在外壳的前端，并在振膜的前端设有对振膜进行保护的前罩；所述内芯安装在外壳的容纳腔内，且内芯上的内芯光纤前端的内芯光纤端面与振膜形成有FP干涉腔。所述传声器探头还包括设置在外壳的容纳腔内用于调节内芯探入的深度，以调节内芯光纤前端的内芯光纤端面与振膜的距离的垫片；且所述垫片的厚度为1-1000微米。所述振膜的反光面设有金纳米反光层，且金纳米反光层的厚度为10-500纳米。所述振膜为钛箔、不锈钢箔、镍箔或硅微振膜；振膜的厚度为1-10微米。所述内芯末端依次安装有弹簧垫片和锁环，通过锁环与外壳相固定连接，将内芯固定在外壳的容纳腔内。
所述单向导光单元为环形器，或由隔离器和耦合器构成的单项导光单元。所述n个PIN光电二极管的输出端还分别连接有前置放大电路。所述光纤为单模光纤。
本发明同现有技术相比，其优点是显而易见的：基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置中的光纤传声器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、易于复用形成阵列的特点，可应用于语音通讯、声音探测、及噪声测量等领域，该波分复用组成传声器阵列可用于声源识别和定位。另外，由于该复用装置的结构简单，便于生产，而且成本低廉适于广泛推广。
附图说明
图1是单个基于FP干涉原理的光纤传声器结构示意图；
图2是光纤传声器探头结构示意图；
图3是本发明的光纤传声器工作原理示意图；
图4是光纤传声器波分复用装置示意图。
具体实施方式
如图1所示的为单个基于FP干涉原理的光纤传声器的结构，包括：基于FP干涉原理以感应声音振动的传声器探头1；能够发射出单色光的激光器2；分别同传声器探头1和激光器2相连接的单向导光单元3；所述激光器2发射的单色光经光纤从单向导光单元3的端口I进入单向导光单元3中，从单向导光单元3的端口II射出进入传声器探头1内进行声音振动感应，FP干涉光从单向导光单元3的端口II进入单向导光单元3，再从单向导光单元3的端口III射出进入PIN光电二极管4中进行光信号转换为电信号处理(所述单向导光单元为环形器，或由隔离器和耦合器构成的单项导光单元)。
如图2所示传声器探头1包括：用于感应声音振动的振膜102、外壳103和内芯105；所述振膜102安装在外壳103的前端，并在振膜103的前端设有对振膜103进行保护的前罩101；所述内芯105安装在外壳103的容纳腔内，且内芯105上的内芯光纤108前端的内芯光纤端面109与振膜102形成有FP干涉腔。传声器探头1还包括设置在外壳103的容纳腔内用于调节内芯105探入的深度，以调节内芯光纤108前端的内芯光纤端面109与振膜102的距离的垫片104(通常在内芯105放入外壳103的容纳腔之前，将垫片104放入外壳103的容纳腔内，卡在容纳腔内壁上或卡在容纳腔内的突起上，再插入内芯105，通过调节放入垫片104的厚度，已达到调节内芯光纤端面109与振膜102的距离)。所述内芯105末端依次安装有弹簧垫片106和锁环107，通过锁环107与外壳103相固定连接，将内芯105固定在外壳103的容纳腔内，保证传声器探头1的结构稳定性。所述PIN光电二极管4的输出端还连接有前置放大电路。传声器采用LD激光器作为光源，内芯光纤108是单模光纤，工作过程如下：LD激光器发射的激光进入内芯光纤108中，光在内芯光纤端面109反射一部分光，从内芯光纤端面109透射的光经振膜102反射后，一部分反射光重新进入到内芯光纤108中。内芯光纤端面109反射的光和振膜102反射重新进入到内芯光纤108中的光发生FP干涉，将干涉光光信号转换为电信号，即实现声音信号的拾取。
其中振膜由钛箔、不锈钢箔或镍箔通过激光焊接技术形成，或者由MEMS技术制作的硅微振膜。振膜的厚度为1-10微米。振膜的反光面由磁控溅射技术制作有金纳米反光层，以提高对红外光的反射，从而提高光纤传声器的灵敏度。金纳米反光层的厚度为10-500纳米。为保证光纤传声器探头性能的一致性，采用简化结构设计和灵活调节设计。在结构简化方面，设计了一体结构的内芯105，在灵活调节方面，设计了采用可更换垫片104来控制内芯光纤端面109与振膜102的距离。在组装光纤传声器探头过程中是，可通过不同厚度的垫片104来调节光纤传声器的灵敏度和相位，从而保证光纤探头性能的一致性。垫片104的厚度为1-1000微米。
如图3所示为本发明的光纤传声器是基于FP干涉原理：激光器2(LD激光器)发射的单色光从内芯光纤108进入内芯光纤端面109和振膜102形成的FP腔，并形成干涉光信号，设振膜在平衡位置时干涉光的强度在图3中Q点处，当声音引起振膜振动时，导致FP腔长发生变化，声波引起的FP腔长变化很小，使干涉光强度在Q点附近来回变化，经过光电转换，将变化的光强信号变成电信号，此电信号即为声音信号。
如图4所示为本发明所述基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，该波分复用装置包括：由ASE宽谱光源和DWDM密波分复用器构成的激光器，由n个传声器探头1构成的传声器探头阵列9，以及同n个传声器探头相对应的n个单向导光单元(所述单向导光单元为环形器，或由隔离器和耦合器构成的单项导光单元)和n个PIN光电二极管，其中n为自然数；所述DWDM密波分复用器的输出端通过光纤分别连接在对应的单向导光单元的端口I上；所述ASE宽谱光源连接到DWDM密波分复用器的入口，经DWDM密波分复用器分成n路单色光，各路单色光经过相对应的单向导光单元的端口I进入相对应的单向导光单元，在通过相对应的单向导光单元的端口II进入相对应的传声器探头中进行声音振动感应；各传声器探头产生的FP干涉光从同其相对应的单向导光单元的端口II进入单向导光单元中，再从单向导光单元的端口III射出进入同该传声器探头相对应的PIN光电二极管中进行光信号转换为电信号处理；所述n个PIN光电二极管的输出端还分别连接有前置放大电路。
结合基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置的工作过程如下：ASE宽谱光源7发射的宽谱光经DWDM密波分复用器8分成n路单色光，每路单色光驱动一路光纤传声器，每一路单色光经光纤从单向导光单元3的端口I进入单向导光单元3，从单向导光单元3的端口II出射进入内芯光纤108中，光在内芯光纤端面109反射一部分光，从内芯光纤端面109透射的光经振膜102反射后，一部分反射光重新进入到内芯光纤108中。内芯光纤端面109反射的光和振膜102反射重新进入到内芯光纤108中的光发生FP干涉，干涉光从单向导光单元3的端口II进入单向导光单元3，从单向导光单元3的端口III出射进入PIN光电二极管4，然后将光信号转换为电信号，实现声音信号的拾取。n路光纤传声器同时工作，互不干扰，形成了光纤传声器阵列。通常ASE宽谱光源的带宽可以达到30nm，DWDM密波分复用器的输出光波长间隔为0.4nm，因此基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置可以形成64阵元的光纤传声器阵列。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于包括：由ASE宽谱光源和DWDM密波分复用器构成的激光器，由n个传声器探头构成的传声器探头阵列，以及同n个传声器探头相对应的n个单向导光单元和n个PIN光电二极管，其中n为自然数；
所述DWDM密波分复用器的输出端通过光纤分别连接在对应的单向导光单元的端口I上；所述ASE宽谱光源连接到DWDM密波分复用器的入口，经DWDM密波分复用器分成n路单色光，各路单色光经过相对应的单向导光单元的端口I进入相对应的单向导光单元，在通过相对应的单向导光单元的端口II进入相对应的传声器探头中进行声音振动感应；
各传声器探头产生的FP干涉光从同其相对应的单向导光单元的端口II进入单向导光单元中，再从单向导光单元的端口III射出进入同该传声器探头相对应的PIN光电二极管中进行光信号转换为电信号处理；所述传声器探头包括：用于感应声音振动的振膜、外壳和内芯；
所述振膜安装在外壳的前端，并在振膜的前端设有对振膜进行保护的前罩；
所述内芯安装在外壳的容纳腔内，且内芯上的内芯光纤前端的内芯光纤端面与振膜形成有FP干涉腔；所述传声器探头还包括设置在外壳的容纳腔内用于调节内芯探入的深度，以调节内芯光纤前端的内芯光纤端面与振膜的距离的垫片；且所述垫片的厚度为1-1000微米。
2.根据权利要求1所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述振膜的反光面设有金纳米反光层，且金纳米反光层的厚度为10-500纳米。
3.根据权利要求2所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述振膜为钛箔、不锈钢箔、镍箔或硅微振膜；振膜的厚度为1-10微米。
4.根据权利要求1所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述内芯末端依次安装有弹簧垫片和锁环，通过锁环与外壳相固定连接，将内芯固定在外壳的容纳腔内。
5.根据权利要求1所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述单向导光单元为环形器，或由隔离器和耦合器构成的单项导光单元。
6.根据权利要求1所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述n个PIN光电二极管的输出端还分别连接有前置放大电路。
7.根据权利要求1所述的基于FP干涉原理的光纤传声器的波分复用装置，其特征在于所述光纤为单模光纤。
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