CN104703105A - 双fp腔光纤声传感探头及其传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统。该双FP腔光纤声传感探头通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题，具有稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，可广泛用于语音通讯、环境噪声监测、噪声源定位、复杂电磁环境下的声波信号拾取等领域。

Description

双FP腔光纤声传感探头及其传感系统

技术领域

本发明涉及声传感器技术领域，尤其涉及一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统。

背景技术

近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感技术也获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声波传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等，这些光纤传感器采用的原理也多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、M-Z干涉仪式、Signac干涉仪式、以及FP腔光纤传声器。由于光纤传感器采用光纤传感技术，因而具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，适合于复杂电磁环境和微弱信号的情况。

在各种原理的光纤声传感器中，FP腔光纤声传感器因其结构简单、灵敏度高、解调方法简单而被广泛研究，形成了各种结构的FP腔光纤声传感器。如参考文献1(Sensors and Actuators A，2010，163：42-47)报道了一种探头大小为光纤直径的FP腔传声器，其探头为一段空心光纤与单模光纤端头熔接在一起，然后直接将振膜贴在空心光纤的端头而形成；参考文献2(Opt.Express，2009，17：16613-16618)报道了一种利用MEMS技术制作出V形槽，并利用光纤45°的斜端面与硅片构成FP腔制作的传声器。这些FP腔光纤传感器都存在性能不稳定的问题，究其原因是外界影响导致FP腔的腔长发生变化，使工作点发生了漂移。这是FP腔声传感器的一个致命缺点。

为了提高FP腔光纤声传感器的稳定性，参考文献3(Optics & LaserTechnology，2013，51：43-46)报道了采用可调谐激光器和反馈电路，通过改变波长对腔长变化进行补偿的方法，这种方法成本高、技术复杂，不利于实际的应用。

此外，参考文献4(Optics and Laser Technology，2008，40：874-880)报道了采用双波长获得两路正交信号的方法来提高传感器稳定性，该方法利用从ASE宽谱光源发出的光，经过1×2耦合器进入FP腔传感头，由传感头返回的光信号送入一个WDM，将两个正交波长的信号分开，并分别进行探测，获得两路正交信号，最后利用正交信号解调原理解调出被测的动态信号。然而双波长方法存在几个问题：1)需要宽谱光源或双LD光源以及波分复用器，导致系统成本高，2)由干涉光相位可知，相位与波长λ成反比，因此对于不同腔长，两个正交波长的波长差是不同的，因此对于较大的腔长变化，将会导致信号不再正交，测量误差变大，甚至失效，3)由于相位与波长成反比，对于设计的正交波长要求有确定的腔长，这没有降低制作光纤FP腔敏感头的难度，在工艺上没有优势。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统，以用较低的成本消除FP腔光纤声传感器工作点漂移的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种双FP腔光纤声传感探头。该双FP腔光纤声传感探头包括：外壳，其内部形成一作用腔；敏感声波信号的振膜1，蒙于所述作用腔的上部；第一导光单元2和第二导光单元3，其前端伸入所述作用腔内；其中，所述第一导光单元的上端面201与所述振膜的反光面101形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面301与所述振膜的反光面101形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种包括上述双FP腔光纤声传感器探头的双FP腔光纤声传感系统。该双FP腔光纤声传感系统还包括：光源7；分光元件8，连接于所述光源8的后端；第一导光结构9a和第二导光结构9b；第一光电探测器10a和第二光电探测器10b；以及信号处理电路11。其中，光源7发出单色光，所述分光元件8将该单色光分为两路；第一路单色光由第一导光结构9a的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感器探头中第一导光单元的后端，且经由第一FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第一光电探测器10a进行光电转换；第二路单色光由第二导光结构9b的端口I进入，通过端口II进入所述FP腔光纤声传感器探头中第二导光单元的后端，且经由第二FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第二光电探测器10b进行光电转换；所述信号处理电路11对第一光电探测器10a和第二光电探测器10b输出的信号进行处理，解调出声波信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明双FP腔光纤声传感探头及其传感系统具有以下有益效果：

(1)通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题，具有稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，可广泛用于语音通讯、环境噪声监测、噪声源定位、复杂电磁环境下的声波信号拾取等领域；

(2)仅需要一组激光光源，即解决了工作点漂移的问题，极好控制了成本；

(3)结构简单、便于生产、成本低，适合于广泛推广。

附图说明

图1为本发明双FP腔光纤声传感探头结构示意图；

图2为本发明基于双FP腔光纤声传感探头的传感系统结构示意图；

图3为本发明双FP腔光纤声传感系统工作过程；

图4为根据本发明实施例的一种采用MEMS工艺的双FP腔光纤声传感探头结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-振膜                    101-振膜反光面；

2-第一导光单元；          201-第一导光单元上端面

202-第一导光单元传光光纤；

3-第二导光单元；          301-第二导光单元上端面；

302-第一导光单元传光光纤；

4-第一FP腔；              5-第二FP腔；

6-双FP腔光纤声传感探头；  7-光源；

8-耦合器；                   9a和9b-单向导光器；

10a和10b-光电探测器；        11-信号处理电路；

12-上结构体；                13-下结构体；

14-上保护体；                15-下保护体；

16-隔振体；                  17-入声孔；

18-锁环；                    19-硅片结构体；

20-玻璃结构体；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题。

图1为根据本发明双FP腔光纤声传感探头的结构示意图。如图1所示，本发明双FP腔光纤声传感探头包括：敏感声波信号的振膜1、第一导光单元2、第二导光单元3；第一导光单元2的上端面201与振膜反光面101形成第一FP腔4、第二导光单元3的上端面301与振膜反光面101形成第二FP腔5；两个导光单元的下端均为光输入端；第一FP腔4的长度与第二FP腔5的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

其中，振膜为金属材料薄膜或由MEMS技术形成的硅及氮化硅薄膜；振膜反光面设有反光层，反光层材料为金、银、钛或有机物，且反光层厚度为10-1000nm；导光单元为光纤或者由光纤与透明介质组成的导光单元。其中，光纤为单模光纤或单模保偏光纤。透明介质为玻璃、石英或者透明塑料。

基于上述的双FP腔光纤声传感器，本发明还提出了一种双FP腔光纤声传感系统。如图2所示，本发明双FP腔光纤声传感系统，包括：能够敏感声波的有两个光输入端的双FP腔光纤声传感探头6；能够发出单色光的光源7；分别与光源和双FP腔光纤声传感探头相连的由耦合器8和两个单向导光器9a及9b组成的导光网络；对导光网络射出的干涉光进行光电转换的两个PIN光电探测器10a及10b，以及用于焊接PIN光电探测的信号处理电路11；所述的光源7发出的单色光经耦合器8分成两路光，两路光分别从单向导光器9a及9b的端口I进入单向导光器9a及9b，再从单向导光器9a及9b的端口II通过双FP腔光纤声传感探头6相应的光输入端进入双FP腔光纤声传感探头6对声波进行敏感；双FP腔光纤声传感探头6产生两路干涉光信号分别从同其对应的单向导光器的端口II进入单向导光器9a及9b，再从单向导光器9a及9b的端口III射出分别进入相应的PIN光电探测器10a及10b进行光电转换；经两个PIN光电探测器转换得到的两路电信号进入信号处理电路11，经过运算，解调出声波信息(所述的单向导光器为环形器，或隔离器和耦合器组成的单向导光器)。

以下结合图1和图2可以说明基于双FP腔光纤声传感探头的双FP腔光纤声传感系统的工作过程，如图3所示为本发明双FP腔光纤声传感系统工作过程：从光源7发出的单色经耦合器8分成两路光，其中一路O₁经单向导光器9a的端口I和端口II进入双FP腔光纤声传感探头6的导光单元2，O₁光在导光单元2的上端面201反射一部分光，从导光单元2的上端面201透射的光经振膜1的反光面101反射后，一部分反射光会耦合到导光单元2中；导光单元2的上端面201反射的光和振膜反光面101反射重新耦合进入到导光单元2中的光发生干涉，形成干涉光信号I₁；干涉光信号I₁从单向导光器9a的端口II经端口III进入光电探测器10a转换为电信号S₁。另一路光O₂发生同样的过程，即经另一路单向导光器9b进入导光单元3，经导光单元3的上端面301和振膜反光面101反射的光发生干涉形成干涉光信号I₂；干涉光信号I₂从单向导光器9b的端口II经端口III进入光电探测器10b转换为电信号S₂。电信号S1和S2，经过信号处理电路运算后输出敏感的声波信号。

本发明双FP腔光纤声传感系统的工作原理：如图3所示，导光单元2的上端面201与振膜1的反光面101组成第一FP腔4，其腔长为L₁；导光单元3的上端面301与振膜1的反光面101组成第二FP腔5，其腔长为L₂；两个腔长的差为ΔL，并且4πnΔL/λ＝(2m+1)π/2，其中n为空气折射率，λ为光源的发出的单色光的在真空中的波长，m为正整数，即两个腔长的差ΔL为λ/8的奇数倍。因此，双FP腔光纤声传感探头输出的干涉光信号I₁和I₂正交。

设第一FP腔的初相位为不失一般性设第二FP腔的初相位为即第一FP腔和第二FP腔的干涉信号正交。

设振膜振动引起的相位变化为即包含声波信息(频率和相位)，解调出即可还原出敏感的声波信号。

只考虑干涉信号的交流成分，

第一FP腔的干涉光信号为：

第二FP腔的干涉光信号为：

式中A＝VI₀，V为干涉条纹可见度，I₀＝(I_max+I_min)/2，I_max，I_min分别为干涉光强的极大值和极小值。

对I₁(t)和I₂(t)求导有：

$\frac{{\mathrm{dI}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{d\Δ\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}A\sin [\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_0]---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dI}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{d\Δ\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}A\cos [\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_0]---\left(2\right)$

交叉相乘并相减得：

$I\left(t\right)=I_1\left(t\right)\frac{{\mathrm{dI}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}-I_2\left(t\right)\frac{{\mathrm{dI}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=A^2\frac{\mathrm{d\Δ\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

对上式积分得：

$\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)=\frac{1}{A^2}\∫I\left(t\right)\mathrm{dt}+B---\left(4\right)$

其中，B为积分常数。

上式得到的声波信号与第一FP腔和第二FP腔的初相无关，即与工作点无关，因此本发明双FP腔光纤声传感系统具有良好的稳定性。此外，双FP腔声传感光纤系统采用相同的工作波长，意味着两腔使用同一个激光光源，因此本发明双FP腔声传感系统成本较低。

实施例1

如图1所示为根据本发明实施的一种双FP腔光纤声传感探头结构，包括：敏感声波信号的振膜1、导光单元2和3为光纤、上结构体12、下结构体13。振膜1安装在上结构体12的前端。导光单元2和3安装在下结构体13中，导光单元2和3的下端为光输入端。下结构体13置于上结构体12容纳空间内，安装在下结构体13中的导光单元2的上端面201和导光单元3的上端面301分别与振膜1的反光面101形成FP腔，端面201与端面301的高度差为八分之一工作光波长的奇数倍；在下结构13的末端安装有锁环18用于将下结构13固定于上结构体12中，使上结构体12与下结构体13成为一个整体；该整体置于上保护体14与下保护体15形成保护结构的容纳空间内(通常上结构体12与下结构体13形成的整体用胶或螺钉固定于保护结构的容纳空间内)，在上保护体14前端设有入声孔17，在上结构体12与下结构体13形成的整体和下保护体15内侧之间设有隔振体16保护上结构体12与下结构体13形成的整体；其中振膜1为通过激光焊接技术形成或由电镀技术形成金属薄膜、通过胶粘的聚合物薄膜；导光单元2和3为单模光纤或单模保偏光纤。

实施例2

如图4所示为根据本发明实施例的一种采用MEMS工艺的双FP腔光纤声传感探头结构，包括：敏感声波信号的振膜1、传光光纤202和302、硅片结构体19、玻璃结构体20。振膜1位于硅片结构体19的前端，为硅材料或者沉积的氮化硅材料；玻璃结构体20上表面沿对称中心线腐蚀形成两个高度不同的平面201和301，平面201和301的高度差为八分之一工作光波长的奇数倍。玻璃结构体20下表面中心制作有凹坑，传光光纤202和302置于凹坑内，并用折射率相近的胶固定；其中传光光纤202对应于玻璃结构体20上端的平面201，与玻璃结构体20组成第一导光单元；传光光纤302对应于下结构体玻璃20上端的平面301，与玻璃结构体20组成第二导光单元；玻璃结构体20上端的平面201与振膜1的反光面101形成第一FP腔，玻璃结构体20上端的平面301与振膜1的反光面101形成第二FP腔；所述的硅片结构体19的下表面与玻璃结构体20的上表面通过键合工艺形成整体；该整体置于上保护体14与下保护体15形成保护结构容纳腔内(通常硅片结构体19与玻璃结构体20形成的整体用胶固定于保护结构容纳腔内)，在上保护体14前端设有入声孔17，在硅片结构体19与玻璃结构体20形成的整体和下保护体15内侧之间设有隔振体16保护硅片结构体19与玻璃结构体20形成的整体；其中传光光纤202和302为单模光纤或单模保偏光纤。

至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明双FP腔光纤声传感探头及其传感系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：实施例2中的玻璃结构体和硅片结构体可以用其他材料的结构体来代替，并且凹坑和台阶的形状可以根据需要进行调整。

综上所述，本发明通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题，具有良好的测试稳定性。同时，由于仅需要一组激光光源，从而控制了成本。此外，本发明基于双FP腔声传感探头的双FP腔声传感系统结构简单、便于生产、成本低，适合于广泛推广。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，包括：

外壳，其内部形成一作用腔；

敏感声波信号的振膜(1)，蒙于所述作用腔的上部；

第一导光单元(2)和第二导光单元(3)，其前端伸入所述作用腔内；

其中，所述第一导光单元的上端面(201)与所述振膜的反光面(101)形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面(301)与所述振膜的反光面(101)形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

2.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于所述的振膜为金属材料薄膜或由MEMS技术形成的硅及氮化硅薄膜。

3.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于所述的振膜反光面设有反光层，反光层材料为金、银、钛或有机物，且反光层厚度为10-1000nm。

4.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，所述第一导光单元(2)和第二导光单元(3)为：

光纤，或者

由光纤与透明介质组成的导光单元。

5.根据权利要求4所述的双FP腔光纤声传感器探头，其特征在于，所述光纤为单模光纤或单模保偏光纤。

6.根据权利要求4所述的双FP腔光纤声传感器探头，其特征在于，所述第一导光单元(2)和第二导光单元(3)为由光纤与透明介质组成的导光单元，其中，所述透明介质为玻璃、石英或者透明塑料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双FP腔光纤声传感器探头，其特征在于，所述外壳包括：

上结构体(12)，呈筒状，其内部形成一容纳腔，其中部形成一台阶；

下结构体(13)，设置于所述容纳腔内，其上部抵住所述台阶的下部，所述振膜(1)、上结构体(12)和下结构体(13)围成所述作用腔；

锁环(18)，安装于所述下结构体(13)的下方，用于将该下结构体(13)固定于所述上结构体(12)上，使两者成为一整体。

8.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，还包括：保护结构容纳腔；

该保护结构容纳腔由上保护体(12)和下保护体(13)围成，所述外壳、振膜(1)、第一导光单元(2)和第二导光单元(3)置于该保护结构容纳腔内；所述上保护体的上端设有入声孔(17)，所述下保护体与外壳之间设有隔振体(16)。

9.一种双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，包括：

第一结构体(19)，呈环状；

敏感声波信号的振膜(1)，蒙于所述第一结构体(19)的上部；

第二结构体(20)，由透明材料制备，结合于所述第一结构体的下部，其上表面的中部沿对称中心线形成高度不同的两平面(201和301)，其下表面的中部形成凹坑；

第一传光光纤(202)和第二传光光纤(302)，固定于所述第二结构体下表面的凹坑中，分别对准所述高度不同的两平面(201和301)；

其中，所述第一传光光纤(202)对准所述两平面其中之一的第一平面(201)，其与该第一平面(201)下部的第二结构体部分形成第一导光单元，该第一平面(201)与所述振膜(1)形成第一FP腔；所述第二传光光纤(302)对准所述两平面其中另一的第二平面(301)，其与该第二平面(301)下部的第二结构体部分形成第二导光单元，该第二平面(301)与所述振膜(1)形成第二FP腔，其中，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

10.根据权利要求9所述的双FP腔光纤声传感器，其特征在于，所述第一结构体(19)为硅片结构体，所述第二结构体(20)为薄膜结构体。

11.根据权利要求9所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，还包括：保护结构容纳腔；

该保护结构容纳腔由上保护体(14)和下保护体(15)围成，所述第一结构体(19)、振膜(1)、第二结构体(20)、第一传光光纤(202)和第二传光光纤(302)置于该保护结构容纳腔内；所述上保护体的上端设有入声孔(17)，所述下保护体与第一结构体(19)和第二结构体(20)组成的整体之间设有隔振体(16)。

12.一种包括权利要求1至11中任一项所述双FP腔光纤声传感器探头的双FP腔光纤声传感系统，其特征在于，还包括：光源(7)；分光元件(8)，连接于所述光源(8)的后端；第一导光结构(9a)和第二导光结构(9b)；第一光电探测器(10a)和第二光电探测器(10b)；以及信号处理电路(11)；

其中，光源(7)发出单色光，所述分光元件(8)将该单色光分为两路；第一路单色光由第一导光结构(9a)的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感器探头中第一导光单元的后端，且经由第一FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第一光电探测器(10a)进行光电转换；第二路单色光由第二导光结构(9b)的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感器探头中第二导光单元的后端，且经由第二FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第二光电探测器(10b)进行光电转换；所述信号处理电路(11)对第一光电探测器(10a)和第二光电探测器(10b)输出的信号进行处理，解调出声波信息。

13.根据权利要求12所述的双FP腔光纤声传感系统，其特征在于，所述第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号分别为：I₁(t)和I₂(t)；

所述信号处理电路(11)对两信号进行如下处理，解调出声波信息：

对I₁(t)和I₂(t)求导；

交叉相乘并相减： $I\left(t\right)=I_1\left(t\right)\frac{{\mathrm{dI}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}-I_2\left(t\right)\frac{{\mathrm{dI}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

积分： $\mathrm{\Δ\φ}\left(t\right)=\frac{1}{A^2}\∫I\left(t\right)\mathrm{dt}+B;$

其中，Δφ(t)为声波信息，A为信号I₁(t)和I₂(t)的幅度，B为积分常数。

14.根据权利要求12或13所述的双FP腔光纤声传感系统，其特征在于，所述第一导光结构(9a)和第二导光结构(9b)为：

环形器；或

由隔离器和耦合器组成的单向导光结构。

15.根据权利要求12所述的双FP腔光纤声传感系统，其特征在于，所述分光元件(8)为耦合器。

16.根据权利要求12或13所述的双FP腔光纤传感系统，其特征在于，所述光源为LD激光器、SLD激光器、或由宽谱光源与光滤波器组成的单色光源。