CN103884417A - 无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法 - Google Patents
无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法，无膜片全光纤拾音器传感探头包括传感部件，传感部件为光纤轴，光纤轴由轴体、光纤和对声音产生形变的声音敏感材料组成，光纤有输入端和输出端，声音敏感材料附于轴体外表面，光纤缠绕于声音敏感材料上；传感探头之间通过连接光纤可以实现串并联；置于声音环境中对声音产生的光相位变化进行解调。本发明的有益效果为通过对光纤拾音器传感探头采用声音敏感材料和光纤实现了在声音作用下光脉冲的相位变化，摆脱了现有光纤拾音器传感探头对膜片或者弹片的质量依赖，从而使得成本低廉，使用寿命长，并且制作工艺简单化，降低了制作要求。
Description
技术领域
本发明属于光纤拾音器技术领域，具体涉及无膜片全光纤拾音器的传感探头、传感探头组及传感方法。
背景技术
光纤拾音器是一种将光纤传感应用于声音探测的设备，具有光纤传感的一系列优势，如抗电磁干扰、耐腐蚀、安全可靠、结构简单等。同时，它还具有体积小、灵敏度高、隐蔽性强等特点，而且其测量动态范围广、音质好。因此，光纤拾音器及其变形器件备受研究者们的青睐。
在先技术一介绍了一种反射式光纤麦克风传感探头。该探头是采用简单的强度解调方式，精度有限。而且，声音的再现效果很大程度上取决于弹片的质量以及弹片与多模光纤的位置。因此，其制作过程的要求会非常严格。此外，该传感头只能单独使用，无法进行串并联。参照：Zhang Hongju，Yao Shengli，Mi Lei,Theoretical analysis of sensing probe in fibermicrophone，Journal of Applied Optics，2008，Vol.29,No.5，pp812-814。
在先技术二提出了一种基于MZ干涉仪的全光纤麦克风，将膜片的振动转换为光路相位的调制，解调精度提高。但是，与上述先技术一类似，声音的效果取决于膜片的质量和位置。并且，无法实现多个麦克风的串并联，大大限制了光纤拾音器的应用范围。参照：Wu Dongfang，Jia Bo，Theoretical and Experimental Research of All Fiber Microphone Based on M-ZInterferometer，CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS，2007，Vol.20,No.7，pp1528-1530。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的光纤拾音器传感探头对膜片质量依赖性强，制作工艺复杂、制作要求严格，成本高，并且难于实现对传感探头的串并联。
为解决上述技术问题，本发明的一种无膜片全光纤拾音器传感探头，包括传感部件，所述传感部件为光纤轴，光纤轴由轴体、光纤和对声音产生形变的声音敏感材料组成，光纤有输入端和输出端，声音敏感材料附于轴体外表面，光纤缠绕于声音敏感材料上。
声音敏感材料是一类对声音敏感的材料，在声音作用下，其会发生形变，进而引起缠绕在其外部的光纤被拉伸。此为现有材料。
本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的工作原理为：
传感探头置于声音环境中，在声音的作用下，附在光纤轴轴体上的声音敏感材料发生形变，从而使得缠绕在声音敏感材料上的光纤被拉伸。光纤拉伸时，其纤芯的折射率会发生变化，从而引起光纤中光脉冲的相位变化。外部的解调系统解调出无膜片全光纤拾音器传感探头处的相位-时间变化，从而获得该处的声音信息。传感方法的详细原理如下：
将所述无膜片全光纤拾音器传感探头置于所需探测的环境中，声音敏感材料在声音的作用下发生形变，该形变引起声音敏感材料外部光纤的变化。光纤内注入的光为窄线宽相干光脉冲，其相位对应变、温度等非常灵敏。应变会通过改变折射率和光纤长度引起光程的变化ΔL，记作：
nl-n0l0＝ΔL
其中，n0和n分别是变化前后的折射率，l0和l则为变化前后的光纤长度，ΔL为光程的变化。
而相位的变化可以按照如下公式进行计算：
其中，
是相位变化，λ是光在真空中的波长。可以看出，光程的变化ΔL在um量级时，即可以产生几个λ的相位差，系统非常灵敏。解调系统解调出探头处的相位-时间变化，就可以获得该处的声音信息。
进一步地，为了使得本发明的光纤轴上的声音敏感材料、光纤、轴体在使用中受到更好的保护，延长本发明产品的寿命，本发明还包括防护外壳和底座，所述光纤轴置于底座上，防护外壳设于光纤轴外部，所述防护外壳上设有声孔。
进一步地，所述底座包括光纤轴底座、输入端光纤底座和输出端光纤底座，其中输入端光纤底座和输出端光纤底座分别设有光纤槽，所述防护外壳由光纤轴外壳、左翼外壳和右翼外壳组成，光纤轴外壳、左翼外壳和右翼外壳分别罩在光纤轴底座、输入端光纤底座和输出端光纤底座外部，所述光纤轴置于所述光纤轴底座上，所述声孔设于光纤轴外壳上，为了使得所述光纤在本发明的全光纤拾音器传感头中位置固定，所述光纤输入端与输出端分别通过紧固件固定在所述底座的对应光纤槽中。
再进一步地，本发明中所述声孔位于所述光纤轴外壳的侧面和/或上面，用于收集声音信号。
进一步地，本发明中所述轴体为柱形。
再进一步地，本发明中所述柱形的轴体的横截面为圆形、梅花形、三叶草形或蝶形。
进一步地，本发明中所述轴体为球形。
一种基于所述无膜片全光纤拾音器传感探头的无膜片全光纤拾音器传感探头组，包括两个以上无膜片全光纤拾音器传感探头，所述无膜片全光纤拾音器传感探头之间通过连接光纤串联、并联或串并联。
一种基于所述无膜片全光纤拾音器传感探头的无膜片全光纤拾音器传感探头组工作原理：
无膜片全光纤拾音器传感探头通过连接光纤相连，可以实现传感探头的串联、并联和串并联。
一种基于权利要求8所述无膜片全光纤拾音器传感探头组的传感方法为：将所述无膜片全光纤拾音器传感探头组与光源及解调系统连接后置于所需探测的环境中；光源及解调系统发出的光依次通过各无膜片全光纤拾音器传感探头；光在传输的过程中产生后向瑞利散射，后向的散射光将沿原路返回至光源及解调系统；根据光时域反射计的原理确定每一个探头处的位置，然后解调出相应位置信号的时间变化，最后获得所有探头或者指定探头处的声音信息。
本发明的有益效果为通过对光纤拾音器传感探头采用声音敏感材料和光纤实现了在声音作用下光脉冲的相位变化，摆脱了现有光纤拾音器传感探头对膜片或者弹片的质量依赖，从而使得成本低廉，使用寿命长，并且制作工艺简单化，降低了制作要求。此外，本发明的无膜片全光纤拾音器传感探头可以实现传感探头的串并联，拓宽了全光纤拾音器的应用范围。
附图说明
图1为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴第一种实施方式的示意图。
图2为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的结构示意图。
图3为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴外壳的示意图。
图4为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中底座的示意图。
图5为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴第二种实施方式的示意图。
图6为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴第三种实施方式的示意图。
图7为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴第四种实施方式的示意图。
图8为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴第五种实施方式的示意图。
图9为基于本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头和相位敏感时域反射计解调系统的拾音器结构示意图。
图10为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的一种串联方式示意图。
图11为本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的一种串并联方式示意图。
图12为采用本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的全光纤拾音器实现对外界声音信号的解调图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
图1至图4给出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的第一种具体实施方式：该实施例包括防护外壳5、底座4、光纤轴6，光纤轴6位于防护外壳5内部，所述光纤轴6由轴体6-1、光纤6-5和声音敏感材料6-2组成，光纤有输入端6-3和输出端6-4，声音敏感材料6-2附于轴体6-1外表面，光纤6-5缠绕于轴体6-1上，轴体6-1置于底座4上，所述防护外壳5上设有声孔7。所述底座4由光纤轴底座4-3、设有光纤槽的输入端光纤底座4-1和设有光纤槽的输出端光纤底座4-2组成，所述防护外壳5由光纤轴外壳5-3、左翼外壳5-1和右翼外壳5-2组成。所述光纤输入端6-3与输出端6-4分别通过紧固件3固定在输入端光纤底座4-1和输出端光纤底座4-2的光纤槽中。所述声孔7位于所述光纤轴外壳5-3的侧面。轴体6-1为圆柱形。
图5示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴6的第二种具体实施方式，其中轴体为横截面为梅花形的柱形，其余特征与第一种具体实施方式相同。
图6示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴6的第三种具体实施方式，其中轴体为横截面为三叶草形的柱形，其余特征与第一种具体实施方式相同。
图7示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴6的第四种具体实施方式，其中轴体为横截面为蝶形的柱形，其余特征与第一种具体实施方式相同。
图8示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头中光纤轴6的第五种具体实施方式，其中轴体为球形，其余特征与第一种具体实施方式相同。
本发明中声孔7位于所述光纤轴外壳5-3的侧面或上面以及侧面和上面对于本发明的实现没有影响，均可以实现本发明，在此不赘述。
图9示出了基于本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头和相位敏感时域反射计解调系统的拾音器。图示的该拾音器包括依次连接的连续窄线宽激光器9、第一耦合器10、调制器11、放大器12、环行器13、第一连接光纤14、拾音器传感探头15和第二连接光纤16，经第一耦合器10后的另一路连接至第二耦合器17、双平衡探测器18和计算机19，第二耦合器17的另一路与环行器13的输出端口相连接。
工作原理为：如图所示，连续窄线宽激光器9发出的光经过第一耦合器10分为两路。一路为信号光，另一路为本地光。信号光沿着第一耦合器10与调制器11之间的光路1001进入调制器11调制成脉冲光，该脉冲光进入放大器12，由放大器12与环行器13之间的光路1201经过环行器13，并从环行器13的端口沿着环行器13与第一连接光纤14之间的光路1301输出到第一连接光纤14，并经过拾音器传感探头15、第二连接光纤16。信号光在第一连接光纤14、拾音器传感探头15、第二连接光纤16的传输过程中发生瑞利散射。后向的散射光将沿着第一连接光纤14与环行器13之间的光路1301进入环行器13，并经过环行器13与第二耦合器17之间的光路1302与第一耦合器10的输出端沿第一耦合器10与第二耦合器17之间的光路1002输出的本地光一起进入第二耦合器17进行干涉，干涉的光波在双平衡探测器18中被转换为电信号，传入计算机19中处理。
图10示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的一种串联连接方式。图示实施方式包括依次连接的光源及解调系统21、第一探头22、第一连接光纤23、第二探头24、第二连接光纤25、第三探头26、第三连接光纤27、第四探头28、第四连接光纤29、第五探头30。
工作原理为：光源及解调系统21发出的光依次通过第一探头22、第一连接光纤23、第二探头24、第二连接光纤25、第三探头26、第三连接光纤27、第四探头28、第四连接光纤29、第五探头30，光在传输的过程中产生后向瑞利散射，后向的散射光将沿原路返回至光源及解调系统21。根据光时域反射计的原理可以确定每一个探头处的位置，然后解调出相应位置信号的时间变化，便可以同时获得所有探头或者指定探头处的声音。
图11示出了本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的一种串并联连接方式。图示的实施方式包括包括光源及解调系统21和光开关31，光源及解调系统21与光开关31相连后分为三个支路，第一支路依次连接有第一连接光纤23、第一探头22和第二连接光纤，第二支路依次连接有第三连接光纤27、第二探头24和第四连接光纤29，第三支路依次连接有第五连接光纤32、第三探头26和第六连接光纤33。
工作原理为：光源及解调系统21发出的光通过光开关31后，分别从不同的支路连接到第一连接光纤23、第三连接光纤27和第五连接光纤32。当光开关31连接到第一连接光纤23时，光经过第一连接光纤23进入第一探头22和第二连接光纤25，后向瑞利散射光将按照原路返回，经过第一连接光纤23、光开关31，进入光源及解调系统21，从而获得第一探头22处的声音信息。光开关31切换到第三连接光纤27时，光通过第三连接光纤27、第二探头24和第四连接光纤29，其后向散射光与光开关31连接第一连接光纤23时类似，进入光源及解调系统21进行解调。光开关31切换至第五连接光纤32时同理。
图12示出了采用本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的全光纤拾音器的解调信息。利用该结构形式的全光纤拾音器传感头可以对外界音频信号的扰动信息具有很好不失真解调，在不同的位置可以很好的解调出一定特征的扰动信息。
通过对本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头具体实施方式的描述，可以发现本发明通过对光纤拾音器传感探头采用声音敏感材料和光纤实现了光脉冲的相位变化，摆脱了现有光纤拾音器传感探头对膜片或者弹片的质量依赖，从而使得成本低廉，使用寿命长，并且制作工艺简单化，降低了制作要求。本发明的无膜片全光纤拾音器传感探头还可以实现传感探头的串并联，拓宽了全光纤拾音器的应用范围。
Claims (10)
1.一种无膜片全光纤拾音器传感探头，包括传感部件，其特征在于：所述传感部件为光纤轴（6），光纤轴（6）由轴体（6-1）、光纤（6-5）和对声音产生形变的声音敏感材料（6-2）组成，光纤（6-5）有输入端（6-3）和输出端（6-4），声音敏感材料（6-2）附于轴体（6-1）外表面，光纤（6-5）缠绕于声音敏感材料（6-2）上。
2.根据权利要求1所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：还包括防护外壳（5）和底座（4），所述光纤轴（6）置于底座（4）上，防护外壳（5）设于光纤轴（6）外部，所述防护外壳上设有声孔（7）。
3.根据权利要求2所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：所述底座（4）包括光纤轴底座（4-3）、输入端光纤底座（4-1）和输出端光纤底座（4-2），其中输入端光纤底座（4-1）和输出端光纤底座（4-2）分别设有光纤槽，所述防护外壳（5）由光纤轴外壳（5-3）、左翼外壳（5-1）和右翼外壳（5-2）组成，光纤轴外壳（5-3）、左翼外壳（5-1）和右翼外壳（5-2）分别罩在光纤轴底座（4-3）、输入端光纤底座（4-1）和输出端光纤底座（4-2）外部，所述光纤轴（6）置于所述光纤轴底座（4-3）上，所述声孔（7）设于光纤轴外壳（5-3）上，所述光纤输入端（6-3）与输出端（6-4）分别通过紧固件（3）固定在输入端光纤底座（4-1）和输出端光纤底座（4-2）的光纤槽中。
4.根据权利要求3所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：所述声孔（7）位于所述光纤轴外壳（5-3）的侧面和/或上面。
5.根据权利要求1至4任一项所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：所述轴体（6-1）为柱形。
6.根据权利要求5所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：所述轴体（6-1）横截面为圆形、梅花形、三叶草形或蝶形。
7.根据权利要求1至4任一项所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于：所述轴体（6-1）为球体。
8.一种基于权利要求1至4任一项所述无膜片全光纤拾音器传感探头的无膜片全光纤拾音器传感探头组，其特征在于：包括两个以上无膜片全光纤拾音器传感探头，所述无膜片全光纤拾音器传感探头之间通过连接光纤串联、并联或串并联。
9.一种基于权利要求1所述无膜片全光纤拾音器传感探头的传感方法，其特征在于：
将所述无膜片全光纤拾音器传感探头置于所需探测的环境中，声音敏感材料在声音的作用下发生形变，该形变引起声音敏感材料外部光纤的变化；
具体为光纤折射率和光纤长度发生变化，进而引起光程发生变化，公式为
nl-n0l0＝ΔL
其中，n0和n分别是变化前后的折射率，l0和l则为变化前后的光纤长度，ΔL为光程的变化；
相位的变化按照如下公式进行计算：
其中，是相位变化，λ是光在真空中的波长；
光程的变化ΔL在um量级时，即产生几个λ的相位差；
解调系统解调出探头处的相位-时间变化，获得该处的声音信息。
10.一种基于权利要求8所述无膜片全光纤拾音器传感探头组的传感方法，其特征在于：
将所述无膜片全光纤拾音器传感探头组与光源及解调系统连接后置于所需探测的环境中；
光源及解调系统发出的光依次通过各无膜片全光纤拾音器传感探头；
光在传输的过程中产生后向瑞利散射，后向的散射光将沿原路返回至光源及解调系统；
根据光时域反射计的原理确定每一个探头处的位置，然后解调出相应位置信号的时间变化，最后获得所有探头或者指定探头处的声音信息。
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