CN103644961B - 声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统。声压测量传感器包括金属圆桶、薄膜和光纤；金属圆桶的侧壁中部有开孔，内壁设有吸音棉；薄膜位于金属圆桶的上端开口处，形成密封结构；光纤两端固定，呈紧绷状态，中部粘贴在薄膜的表面。多纵模光纤激光器声压测量系统包括980nm泵浦光源、多纵模激光谐振腔、光纤隔离器、光电转换模块和频谱分析仪；多纵模激光谐振腔包括声压测量传感器、波分复用器、掺铒光纤、可饱和吸收体、光纤全反镜和半透半反模块。该测量系统利用声压测量传感器，通过测量多纵模拍频的漂移得到外界声压变化，灵敏度高，且稳定性和测量精度较高，制作工艺简单，成本低，易于实现批量生产。

Description

声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统。

背景技术

准确的声压测量在光纤通信和光纤传感系统中非常重要。最常用的声压测量手段是使用电子型声级计（SoundLeverMet），其工作原理是由传声器（即话筒）将声压信号转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权，然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器，在指示表头上给出声压声级的数值。电子型声级计工作时易受电磁干扰，稳定性较差，容易带来误差。

基于光纤激光声压传感技术的测量系统由于其具有体积小、动态范围广、抗电磁干扰能力强、可在恶劣环境下工作、稳定性好且易于调谐等优点而受到广泛关注。光纤激光声压传感技术可基本概括为三大方法领域：光纤分布反馈（DistributedFeedback,DFB）激光声压传感器、光纤分布布拉格反射（DistributedBraggReflector,DBR）激光声压传感器、光纤激光偏振拍频声压传感器。

其中，光纤DFB激光声压传感器尺寸小、灵敏度高，但制作困难、成本较高。光纤DBR激光声压传感器制作简单、易于实现，但受温度影响大，稳定性较差。光纤激光偏振拍频声压传感器在频域工作，解调方便，易于实现复用，但其灵敏度相对较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统，该测量系统利用声压测量传感器，通过测量多纵模拍频的漂移得到外界声压变化，灵敏度高，且稳定性和测量精度较高，制作工艺简单，成本低，易于实现批量生产。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声压测量传感器，其特征在于，包括金属圆桶、薄膜和光纤；所述金属圆桶的侧壁中部有开孔，内壁设有吸音棉；所述薄膜位于所述金属圆桶的上端开口处，形成密封结构；所述光纤两端固定，呈紧绷状态，中部粘贴在所述薄膜的表面。

优选地，所述开孔的直径为1mm。

优选地，所述吸音棉的厚度为5～10mm。

优选地，所述薄膜为直径为8～12cm、厚度为40～60um的圆形聚合物薄膜。

按照本发明的另一方面，提供了一种多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，包括980nm泵浦光源、多纵模激光谐振腔、光纤隔离器、光电转换模块和频谱分析仪；所述多纵模激光谐振腔包括如权利要求1至4中任一项所述的声压测量传感器、波分复用器、掺铒光纤、可饱和吸收体、光纤全反镜和半透半反模块；所述980nm泵浦光源连接所述波分复用器的输入端，所述波分复用器的一个输出端依次串接所述掺铒光纤、所述声压测量传感器、所述可饱和吸收体和所述光纤全反镜，所述波分复用器的另一个输出端连接所述半透半反模块的输入端，所述半透半反模块的输出端通过所述光纤隔离器依次串接所述光电转换模块和所述频谱分析仪。

优选地，还包括1×2光纤耦合器和光谱仪，所述1×2光纤耦合器的输入端连接所述半透半反模块的输出端，所述1×2光纤耦合器的一个输出端连接所述光谱仪，另一个输出端依次串接所述光电转换模块和所述频谱分析仪。

优选地，将2×2光纤耦合器一端的两个端口连接，形成所述半透半反模块。

优选地，所述掺铒光纤的长度为3～8m。

优选地，所述多纵模激光谐振腔的腔长为10m。

优选地，所述可饱和吸收体由碳纳米管构成，用于锁模稳频。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）声压测量传感器将声压变化信息转化为光纤的长度变化，进而改变多纵模谐振腔腔长，最终引起多纵模拍频的漂移，通过测量多纵模拍频的漂移即可得到外界声压变化。因此，该测量系统具有较高的灵敏度。

（2）在激光谐振腔中利用可饱和吸收体实现多纵模锁模，使测量系统的稳定性大幅提高。

（3）通过频谱分析仪跟踪光源的纵模间隔不稳定带来的测量漂移问题，测量精度较高。

（4）该测量系统的制作工艺简单，成本低，易于实现批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例的多纵模光纤激光器声压测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的声压测量传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例的半透半反模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-980nm泵浦光源，2-波分复用器，3-掺铒光纤，4-声压测量传感器，5-可饱和吸收体，6-光纤全反镜，7-半透半反模块，8-光纤隔离器，9-1×2光纤耦合器，10-光电转换模块，11-频谱分析仪，12-光谱仪，13-第一夹具，14-第二夹具，15-薄膜，16-光纤，17-铝质圆桶，18-2×2光纤耦合器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的多纵模光纤激光器声压测量系统包括：980nm泵浦光源1、多纵模激光谐振腔、光纤隔离器8、光电转换模块10和频谱分析仪11。其中，多纵模激光谐振腔包括波分复用器2、掺铒光纤3、声压测量传感器4、可饱和吸收体5、光纤全反镜6和半透半反模块7。

980nm泵浦光源1连接波分复用器2的输入端。波分复用器2的一个输出端依次串接掺铒光纤3、声压测量传感器4、可饱和吸收体5和光纤全反镜6，波分复用器2的另一个输出端连接半透半反模块7的输入端，从而在光纤全反镜6与半透半反模块7之间形成了光纤锁模线性多纵模激光谐振腔。半透半反模块7的输出端通过光纤隔离器8依次串接光电转换模块10和频谱分析仪11。具体地，半透半反模块7的另一端通过光纤隔离器8连接1×2光纤耦合器9的输入端，1×2光纤耦合器9的一个输出端连接光谱仪12，另一个输出端依次串接光电转换模块10和频谱分析仪11。

其中，可饱和吸收体5由碳纳米管构成，在多纵模激光谐振腔中用于锁模稳频。1×2光纤耦合器9为单模光纤耦合器，分光比为50:50。掺铒光纤3的长度为3～8m。多纵模激光谐振腔的腔长约为10m。980nm泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、声压测量传感器4、可饱和吸收体5、光纤全反镜6、半透半反模块7、光纤隔离器8和1×2光纤耦合器9之间通过熔接方式连接。1×2光纤耦合器9的两个输出端分别与光谱仪12和光电转换模块10用FC/APC光纤接头通过法兰盘对接。

如图2所示，本发明实施例的声压测量传感器包括铝质圆桶17、薄膜15、光纤16、第一夹具13和第二夹具14。薄膜15粘贴于铝质圆桶17的上端开口处形成密封结构，光纤16两端用第一夹具13和第二夹具14固定，呈紧绷状态，中部用紫外胶粘贴在薄膜15的表面。铝质圆桶17的侧壁中部开有直径约为1mm的小孔，用于平衡铝质圆桶17的内外气压差。铝质圆桶17的内壁设有厚度为5～10mm的吸音棉（图中未示出），用于减弱铝质圆桶17内的混响声压对声压测量传感器的影响，提高测量准确性。

具体地，薄膜15为直径为8～12cm、厚度为40～60um的圆形聚合物薄膜，用于将声压变化信息转化为光纤16的长度变化，进而改变多纵模激光谐振腔的腔长，最终引起多纵模激光拍频的漂移。光纤16为折射率已知的单模光纤。

如图3所示，将2×2光纤耦合器18一端的两个端口c、d连接形成半透半反模块7，2×2光纤耦合器18另一端的两个端口a、b分别为半透半反模块7的输入端和输出端。从输入端a输入的光部分被反射回输入端a，进入多纵模激光谐振腔中振荡，部分透射后从输出端b输出，当980nm泵浦光源1的能量达到阈值时，输出端b将出射稳定的激光。具体地，2×2光纤耦合器18的分光比为54:46。

本发明实施例的多纵模光纤激光器声压测量系统的工作原理如下。

980nm泵浦光源1输出的泵浦光通过波分复用器2耦合到掺铒光纤3中，使掺铒光纤3处于粒子束反转状态，从而激发出1550nm通信波段的激光用于信号传感。该激光束通过声压测量传感器4、可饱和吸收体5和光纤全反镜6后，发生全反射，到达光纤半透半反模块7，发生部分反射，部分透射，如此往复在多纵模谐振激光腔内谐振。光纤半透半反模块7输出的光经光纤隔离器8实现光的单向传输，得到稳定的多纵模激光输出。输出的多纵模激光通过1×2光纤耦合器9分为两路，一路到达光谱仪12，用于观察判断多纵模激光是否稳定激射，一路通过光电转换模块10转化为电信号后，输入到频谱分析仪11中，用于实时动态扫描多纵模激光输出的多纵模拍频。

当外界声压信息变化时，声压测量传感器4的光纤长度发生变化，使多纵模激光谐振腔的腔长相应改变，最终引起多纵模激光拍频的漂移。通过频谱分析仪11测量到多纵模激光拍频漂移，便可计算出多纵模激光谐振腔的腔长变化，由于腔长变化与外界声压变化存在对应关系，可进一步得到外界声压变化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声压测量传感器，其特征在于，包括金属圆桶、薄膜和光纤；

所述金属圆桶的侧壁中部有开孔，内壁设有吸音棉；

所述薄膜位于所述金属圆桶的上端开口处，形成密封结构；

所述光纤两端固定，呈紧绷状态，中部粘贴在所述薄膜的表面；

工作时，所述声压测量传感器设置在多纵模激光谐振腔中，用于将声压变化信息转化为所述光纤的长度变化，进而改变多纵模激光谐振腔的腔长，最终引起多纵模拍频的漂移。

2.如权利要求1所述的声压测量传感器，其特征在于，所述开孔的直径为1mm。

3.如权利要求1或2所述的声压测量传感器，其特征在于，所述吸音棉的厚度为5～10mm。

4.如权利要求1或2所述的声压测量传感器，其特征在于，所述薄膜为直径为8～12cm、厚度为40～60um的圆形聚合物薄膜。

5.一种多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，包括980nm泵浦光源、多纵模激光谐振腔、光纤隔离器、光电转换模块和频谱分析仪；

所述多纵模激光谐振腔包括如权利要求1至4中任一项所述的声压测量传感器、波分复用器、掺铒光纤、可饱和吸收体、光纤全反镜和半透半反模块；

所述980nm泵浦光源连接所述波分复用器的输入端，所述波分复用器的一个输出端依次串接所述掺铒光纤、所述声压测量传感器、所述可饱和吸收体和所述光纤全反镜，所述波分复用器的另一个输出端连接所述半透半反模块的输入端，所述半透半反模块的输出端通过所述光纤隔离器依次串接所述光电转换模块和所述频谱分析仪。

6.如权利要求5所述的多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，还包括1×2光纤耦合器和光谱仪，所述1×2光纤耦合器的输入端连接所述半透半反模块的输出端，所述1×2光纤耦合器的一个输出端连接所述光谱仪，另一个输出端依次串接所述光电转换模块和所述频谱分析仪。

7.如权利要求5或6所述的多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，将2×2光纤耦合器一端的两个端口连接，形成所述半透半反模块。

8.如权利要求5所述的多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，所述掺铒光纤的长度为3～8m。

9.如权利要求5所述的多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，所述多纵模激光谐振腔的腔长为10m。

10.如权利要求5所述的多纵模光纤激光器声压测量系统，其特征在于，所述可饱和吸收体由碳纳米管构成，用于锁模稳频。