CN105021271A - 一种光纤efpi次声波传感器及次声信号探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤EFPI次声波传感器及次声信号探测系统。本发明与同类型的其他声学探测方法相比，在换能器中采用聚合物薄膜，并对聚合物薄膜的厚度和直径进行了优化设计，使得传感器能探测1～20Hz的次声波，且灵敏度高达121mV/Pa。在换能器的聚合物薄膜内侧中心粘贴铝质薄膜，并对铝质薄膜的厚度和直径进行了优化设计，不仅大幅提高了换能器的光学反射率，而且使聚合物薄膜的中心振动保持平稳。本发明与传统的电学方法相比，系统的抗干扰能力强，易于长距离传输；与新型的光学探测方法相比，系统结构简单，尺寸小巧，成本低廉。

Description

一种光纤EFPI次声波传感器及次声信号探测系统

技术领域

本发明属于次声波探测技术领域，更具体地，涉及一种光纤EFPI次声波传感器及次声信号探测系统。

背景技术

高精度的次声波探测在自然灾害预警和石油勘探领域中十分重要。

最常用的次声波探测手段是使用电容式或压电式次声传声器。其中，电容式次声传声器具有灵敏度高、体积小、输出信号强等优点，是目前最普遍的次声传声器，也是国际次声监测站所采用的类型(例如法国的MB2000系列次声传感器)；压电式次声传声器具有动态特性好、耐高温等优点，目前国际国内商用化产品和科研单位研究的多是这种类型(例如2005年，美国F.Douglas Shields提出的压电式低频麦克风)。但是，以上两种传统类型的电学次声传感器不可避免地存在易受电磁干扰、结构复杂、成本较高等缺陷。

近些年来，基于光纤技术的新型传感设备由于其固有的抗电磁干扰特性以及尺寸小、成本低、稳定性好且易于复用等优点而受到广泛关注。光纤声技术应用于次声传感领域可大体概括为两大方法：强度型光纤次声传感器和干涉型光纤次声传感器。

强度型光纤次声传感器直接解调输出光强，简单可靠，易于实现。例如2010年，蒋冰莉等人研制了一种反射光强度调制型微光机电系统(MicroOptical Electro Mechanical System,MOEMS)低频声传感阵元。这种方法低频响应好，实现了4～1000Hz范围的声波探测。但是这种方法的换能结构复杂，不易制作，且低频信号灵敏度下降明显。

干涉型光纤次声传感器可实现高精度的声学检测，适于微弱信号的测量，具有较好的发展前景。例如早在2003年，Mark A.Zumberge等人就报道了一种光纤式马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)次声传感器，其频率响应为1～10Hz，且信噪比极高，达到了新的噪声极限。但是这种方案尺寸巨大，结构较为复杂，不利于实际工程应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤非本征法布里-珀罗腔干涉型(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI)次声波传感器及次声信号探测系统，能探测1～20Hz的次声波，且灵敏度高达121mV/Pa，系统的抗干扰能力强，易于长距离传输，且结构简单，尺寸小巧，成本低廉。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤EFPI次声波传感器，其特征在于，包括外套桶、内套桶、光纤FC接头和换能器；所述外套桶的桶底中心设有第一孔结构，所述内套桶的外表面与所述外套桶的内表面紧密贴合，使得所述内套桶固定在所述外套桶内，所述内套桶的桶口与所述外套桶的桶底正对，所述内套桶的桶底中心设有第二孔结构；所述光纤FC接头的陶瓷插芯穿过所述第二孔结构，所述光纤FC接头的尾纤穿过所述第一孔结构，使得所述光纤FC接头被固定在所述外套桶和所述内套桶的中心轴上，用于光信号的输入和输出；所述换能器包括圆筒、聚合物薄膜和铝膜；所述聚合物薄膜设置在所述圆筒的一端，所述圆筒的另一端通过匹配螺纹与所述外套桶的桶口连接；所述铝膜粘贴在所述聚合物薄膜在所述光纤EFPI次声波传感器内的一侧的中心位置，不仅能大幅提高所述换能器的光学反射率，而且能使所述聚合物薄膜的中心振动保持平稳。

优选地，所述聚合物薄膜的厚度为40～60μm，直径为24～25mm。

优选地，所述铝膜的厚度为2～4μm，直径为3～5mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种次声信号探测系统，其特征在于，包括激光光源、光纤环形器、光电转换模块、发生采集模块、处理器和如权利要求1～3中任一项所述的光纤EFPI次声波传感器；所述激光光源通过单模光纤连接所述光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接所述光纤EFPI次声波传感器，所述光纤环形器的第三端口通过所述光电转换模块连接所述发生采集模块的输入端，所述发生采集模块的控制端连接所述处理器；工作时，所述激光光源发出的单波长激光通过所述光纤环形器到达所述光纤EFPI次声波传感器，被所述光纤EFPI次声波传感器反射后由所述光纤环形器到达所述光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换为电信号后输出至所述发生采集模块；存在次声波信号扰动时，被所述光纤EFPI次声波传感器反射后输入至所述光电转换模块的光信号发生变化，输出至所述发生采集模块的电信号发生同步变化，所述处理器实时处理所述发生采集模块中的电信号，得到次声波信号的频率和幅值信息，完成次声波的探测。

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、本发明与同类型的其他声学探测方法相比，在换能器中采用聚合物薄膜，并对聚合物薄膜的厚度和直径进行了优化设计，使得传感器能探测1～20Hz的次声波，且灵敏度高达121mV/Pa。

2、在换能器的聚合物薄膜内侧中心粘贴铝质薄膜，并对铝质薄膜的厚度和直径进行了优化设计，不仅大幅提高了换能器的光学反射率，而且使聚合物薄膜的中心振动保持平稳。

3、本发明与传统的电学方法相比，系统的抗干扰能力强，易于长距离传输；与新型的光学探测方法相比，系统结构简单，尺寸小巧，成本低廉。

附图说明

图1是本发明实施例的次声信号探测系统结构示意图；

图2是本发明实施例的光纤EFPI次声波传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例的换能器的结构示意图；

图4是本发明实施例的次声信号探测系统的测试结构示意图。

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-激光光源，2-光纤环形器，3-光纤EFPI次声波传感器，4-光电转换模块，5-标准传声器，6-高压麦克风校准器，7-发生采集模块，8-处理器，9-外套桶，10-光纤FC接头，11-内套桶，12-换能器，13-圆筒，14-聚合物薄膜，15-铝膜。

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，本发明实施例的次声信号探测系统包括激光光源1、光纤环形器2、光纤EFPI次声波传感器3、光电转换模块4、发生采集模块7和处理器8。激光光源1通过单模光纤连接光纤环形器2的第一端口，光纤环形器2的第二端口连接光纤EFPI次声波传感器3，光纤环形器2的第三端口通过光电转换模块4连接发生采集模块7的第一输入端，发生采集模块7的控制端连接处理器8。

工作时，激光光源1发出的稳定的单波长窄线宽激光通过光纤环形器2到达光纤EFPI次声波传感器3，被光纤EFPI次声波传感器3反射后由光纤环形器2的第三端口到达光电转换模块4，光电转换模块4将光信号转换为电信号后输出至发生采集模块7。存在次声波信号扰动时，被光纤EFPI次声波传感器3反射后输入至光电转换模块4的光信号发生变化，输出至发生采集模块7的电信号发生同步变化，处理器8实时处理发生采集模块7中的电信号，得到次声波信号的频率和幅值信息，完成次声波的探测。

如图2所示，光纤EFPI次声波传感器3包括外套桶9、内套桶11、光纤FC接头10和换能器12。外套桶9的外径为24～25mm，桶底中心设有直径为0.9～1.1mm的第一孔结构，内套桶11的外表面与外套桶9的内表面紧密贴合，使得内套桶11固定在外套桶9内，内套桶11的桶口与外套桶9的桶底正对，内套桶11的桶底中心设有直径为2.9～3.1mm的第二孔结构。光纤FC接头10的陶瓷插芯穿过第二孔结构，光纤FC接头10的尾纤穿过第一孔结构，使得光纤FC接头10被固定在外套桶9和内套桶11的中心轴上，用于光信号的输入和输出。换能器12通过匹配螺纹与外套桶9的桶口连接，用于将外界次声扰动信号转化为光信号的变化。

如图3所示，换能器12包括圆筒13、聚合物薄膜14和铝膜15。聚合物薄膜14的厚度为40～60μm，直径为24～25mm，设置在圆筒13的一端，圆筒13的另一端通过匹配螺纹与外套桶9的桶口连接；铝膜15的厚度为2～4μm，直径为3～5mm，粘贴在聚合物薄膜14在光纤EFPI次声波传感器3内的一侧的中心位置，这样不仅大幅提高了换能器12的光学反射率，而且能使聚合物薄膜14的中心振动保持平稳。

上述外套桶9、内套桶11和圆筒13通常为金属材质(如铝合金)，聚合物薄膜14可采用PVC薄膜或者PET薄膜。激光光源1、光纤环形器2和光纤EFPI次声波传感器3之间通过FC/APC光纤接头对接，发生采集模块7与光电转换模块4通过BNC接线连接。

采用图4所示的结构对上述次声信号探测系统的有效性进行验证。

如图4所示，发生采集模块7的第二输入端通过BNC接线连接标准传声器5，发生采集模块7的输出端通过BNC接线连接高压麦克风校准器6。发生采集模块7在处理器8的控制下，通过高压麦克风校准器6发出次声扰动信号。在该次声扰动信号的作用下，被光纤EFPI次声波传感器3反射后输入到光电转换模块4的光信号发生改变，光电转换模块4输出至发生采集模块7的电信号随之改变；标准传声器5探测到该次声扰动信号，并将探测结果输出至发生采集模块7。处理器8将由光纤EFPI次声波传感器3和标准传声器5获得的两路信号进行对比验证，结果表明，上述次声信号探测系统能探测到1～20Hz的次声波，灵敏度高达121mV/Pa；膜片反射率被大幅提高，光谱对比度有了明显改善，膜片中心振动平稳，使测量结果更加准确可靠；系统的抗干扰能力强，能实现长距离传输，且尺寸小，成本低。

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 (4)

1.一种光纤EFPI次声波传感器，其特征在于，包括外套桶、内套桶、光纤FC接头和换能器；所述外套桶的桶底中心设有第一孔结构，所述内套桶的外表面与所述外套桶的内表面紧密贴合，使得所述内套桶固定在所述外套桶内，所述内套桶的桶口与所述外套桶的桶底正对，所述内套桶的桶底中心设有第二孔结构；所述光纤FC接头的陶瓷插芯穿过所述第二孔结构，所述光纤FC接头的尾纤穿过所述第一孔结构，使得所述光纤FC接头被固定在所述外套桶和所述内套桶的中心轴上，用于光信号的输入和输出；所述换能器包括圆筒、聚合物薄膜和铝膜；所述聚合物薄膜设置在所述圆筒的一端，所述圆筒的另一端通过匹配螺纹与所述外套桶的桶口连接；所述铝膜粘贴在所述聚合物薄膜在所述光纤EFPI次声波传感器内的一侧的中心位置，不仅能大幅提高所述换能器的光学反射率，而且能使所述聚合物薄膜的中心振动保持平稳。

2.如权利要求1所述的光纤EFPI次声波传感器，其特征在于，所述聚合物薄膜的厚度为40～60μm，直径为24～25mm。

3.如权利要求1或2所述的光纤EFPI次声波传感器，其特征在于，所述铝膜的厚度为2～4μm，直径为3～5mm。

4.一种次声信号探测系统，其特征在于，包括激光光源、光纤环形器、光电转换模块、发生采集模块、处理器和如权利要求1～3中任一项所述的光纤EFPI次声波传感器；所述激光光源通过单模光纤连接所述光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接所述光纤EFPI次声波传感器，所述光纤环形器的第三端口通过所述光电转换模块连接所述发生采集模块的输入端，所述发生采集模块的控制端连接所述处理器；

工作时，所述激光光源发出的单波长激光通过所述光纤环形器到达所述光纤EFPI次声波传感器，被所述光纤EFPI次声波传感器反射后由所述光纤环形器到达所述光电转换模块，所述光电转换模块将光信号转换为电信号后输出至所述发生采集模块；存在次声波信号扰动时，被所述光纤EFPI次声波传感器反射后输入至所述光电转换模块的光信号发生变化，输出至所述发生采集模块的电信号发生同步变化，所述处理器实时处理所述发生采集模块中的电信号，得到次声波信号的频率和幅值信息，完成次声波的探测。