CN108036852B - 一种光纤声传感器及多点声波检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤声传感器及多点声波检测装置，光纤声传感器包括传感光纤、插芯、套管及换能膜，插芯端面、套管内表面以及换能膜形成空腔结构，传感光纤上刻有布拉格光栅。多点声波检测装置包括多个光纤声传感器，当单波长激光通过光纤耦合器分束射入第n个光纤声传感器时，一部分激光被布拉格光栅反射，作为基准信号，另一部分激光透过布拉格光栅被换能膜反射，当换能膜受到声波信号激励发生振动时，对经过换能膜的反射光相位进行调制输出检测信号，通过解调基准信号相位和检测信号相位的差值变化获得施加在第n个传感器上的被测声波信号，实现对多点声波的测量。

Description

一种光纤声传感器及多点声波检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种声波传感技术，更具体的，涉及一种光纤声传感器及检测装置。

背景技术

光纤传感技术集“传”与“感”为一体，近年来成为研究的热点，其中光纤声传感器与传统电容类传感器相比，具有结构简单小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、功耗低等诸多优点，在易燃易爆、强电磁干扰、强腐蚀等高危环境中应用前景广泛，目前已被应用于水听器、局部气体监测、材料特性分析、结构无损探测、变压器局部放电检测等工业国防领域。

目前光纤声传感技术主要有以下几类：第一类是本征型干涉式光纤声传感技术，例如全光纤迈克尔逊干涉技术与马赫泽德干涉技术，但干涉臂尺度较大，极易受到外界环境变化(温度、振动等)的影响，造成干涉光相位信号的波动，信噪比降低；第二类是强度式光纤声传感技术，采用一对发射光纤和接收光纤传输光信号，声敏薄膜作为反射面直接对光强进行调制，该方案相较干涉结构受环境的影响略小，但强度调制法信噪比不高，结构也相对复杂；第三类为非本征型法布里珀罗干涉技术，利用声波对法布里珀罗腔腔长的调制，对光信号相位进行调制，具有结构简单小巧、频率响应范围大等优点，但解调时需要将光源输出波长至正交工作点处，而正交工作点位置易受环境影响，影响测量稳定性，且制作时无法精确控制正交工作点位置，难以实现多点测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种光纤声传感器及检测装置，旨在解决现有光纤声波传感器信噪比低、稳定性差以及难以实现多点检测的技术问题。

为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供的一种光纤声传感器，包括：

传感光纤、插芯、套管、换能膜，其中，传感光纤、插芯和套管从内到外依次嵌套布置，且插芯和套管的端面不平齐，换能膜覆盖于套管端面，使得插芯端面、套管内表面以及换能膜形成空腔结构；

所述传感光纤上刻有布拉格光栅，且传感光纤端面为斜切面；当单波长激光射入光纤传感器时，一部分激光被布拉格光栅反射，作为基准信号，另一部分激光透过布拉格光栅被换能膜反射作为检测信号；

当换能膜受到被测声波信号激励发生振动时，对经过换能膜的反射光相位进行调制输出检测信号，通过解调基准信号相位和检测信号相位的差值变化获得被测声波信号。

优选地，射入传感光纤的激光为脉冲激光序列。

优选地，所述换能膜为厚度不超过2微米的膜片。

优选地，膜片为石墨烯薄膜、纳米银薄膜以及聚酯材料薄膜。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种多点声波检测装置，包括：

窄线宽激光器，用于产生连续窄线宽激光；

第一光纤耦合器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接，用于将连续窄线宽激光以不等功率进行分束；

激光脉冲调制模块，其输入端与第一光纤耦合器的第一输出端连接，用于将连续窄线宽激光调制为脉冲激光序列；

环形器，其第一端口与脉冲信号产生器的输出端连接，其第二端口与第二光纤耦合器的输入端连接，其第三端口与第三光纤耦合器的第一输入端连接；用于让脉冲激光序列进入多个光纤声传感器，并让多个光纤声传感器返回的基准脉冲信号序列和检测脉冲信号序列进入第三光纤耦合器；

第二光纤耦合器，其设有N个输出端，其每个输出端通过单模光纤与一个光纤声传感器的光纤端连接；

第三光纤耦合器，其第二输入端与第一光纤耦合器的第二输出端连接，用于让第一光纤耦合器输出的参考光分别同基准脉冲信号序列和检测脉冲信号序列发生干涉，产生基准拍频信号和检测拍频信号；

以及信号解调器，其输入端与第三光纤耦合器的输出端连接，用于提取基准拍频信号和检测拍频信号之间的相位差变化，进而获得待测声波信息。

优选地，所述脉冲信号产生器包括依次连接的声光调制器、掺铒光纤放大器，其中，声光调制器用于对连续窄线激光进行频移并调制为脉冲激光序列，掺铒光纤放大器用于对脉冲激光序列进行放大处理。

优选地，所述的窄线宽激光器发射波长与传感光纤中光栅中心反射波长一致。

优选地，所述的脉冲序列，每个脉冲的持续时间为其中：n为光纤折射率，l为布拉格光栅到传感光纤端面的距离，L为空腔长度，c为光速。

优选地，所述第二光纤耦合器与第n个光纤声传感器之间的单模光纤长度为2(n-1)(l+L)。

优选地，根据公式获得第n个光纤声传感器受到声波作用产生的光信号相位变化量，其中，为从第n个检测拍频信号提取的相位量，为从第n个基准拍频信号提取的相位量。

本发明的技术方案与现有技术相比，有以下技术效果：

1、在光纤中刻写布拉格光栅引入反射点，通过将布拉格光栅反射的激光和换能膜反射的激光分别与参考光发生干涉产生拍频信号，针对性解调布拉格光栅与换能膜之间的光信号相位变化。一方面，用布拉格光栅返回的光信号的相位和换能膜之间的光信号相位变化获得被测信号波动变化，消除了传感光纤链路中其余部分环境噪声的影响，提高了系统信噪比；另一方面，仅提取光信号中的相位信息，避免了由于环境变化和光源强度波动导致的测量不稳定问题，提高了系统稳定性。

2、采用脉冲激光序列射入至传感光纤，可以获得基准拍频信号序列和检测拍频信号序列，进而通过解调基准信号相位和检测信号相位的差值变化获得被测声波信号，可以实现实时检测声波信号。

3、由于使用厚度超薄的膜片作为光纤声传感器的换能结构，提升了声波传感的灵敏度。

4、由于采用相干检测的方法，极大程度提升了系统的信噪比，能实现宽频带声波响应。实时频率响应范围可覆盖数Hz的次声频段、20Hz-20kHz人耳可识别频段，以及大于20kHz的超声频段，并且能够高保真度地恢复声波波形。

5、采用1×N光纤耦合器连接多个光纤声波传感器，通过使光纤耦合器和光纤声传感器之间单模光纤长度的不同，保证前一个光纤声传感器反射的信号同后一个光纤声传感器反射的信号不会重叠，实现声波检测的组网，能同时测量多点声波信息。

附图说明

图1是本发明提供的光纤声传感器结构示意图；

图2为本发明提供的多点声波测量装置结构图；

图3为本发明实施例中两个光纤声波传感器的基准拍频信号与检测拍频信号波形图；

图4为本发明实施例中探测到声波波形图，图(a)为施加500Hz正弦声波信号时采集处理模块10输出的声波波形图，图(b)为施加20kHz正弦声波信号时采集处理模块10输出的声波波形图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对现有技术信噪比低，稳定性低，难以多点测量等缺陷，提出了一种基于石墨烯薄膜的光纤多点声波检测装置，实现声波的高灵敏度实时测量与波形恢复。

图1为本发明提供光纤声传感器的结构图，光纤声传感器包括传感光纤71，陶瓷插芯72，陶瓷套管73，石墨烯薄膜74。陶瓷插芯用于保护传感光纤末端，传感光纤与陶瓷插芯的间隙处采用硅橡胶密封。陶瓷套管紧套在陶瓷插芯外，陶瓷套管两端面平整，为石墨烯薄膜的粘贴固定提供底座，紧套在陶瓷插芯外表面，形成空气腔。石墨烯薄膜粘贴在陶瓷套管端面上，构成空腔结构，空腔结构纵向尺寸仅数百微米。其中传感光纤71上刻有一个布拉格光栅711，布拉格光栅711的反射率为1％，中心反射波长为1550nm，传感光纤71末端斜切处理，陶瓷插芯72内径略大于传感光纤71直径，陶瓷套管73外径略小于3mm，石墨烯薄膜为少层石墨烯薄膜。

本发明提供的光纤声传感器制作流程如下：使用掩膜板法在传感光纤71上刻写中心反射波长1550nm，反射率1％的布拉格光栅711，使用切割刀对传感光纤71末端斜切处理，将传感光纤71插入陶瓷插芯72，用硅橡胶填充间隙，静置12小时至硅橡胶完全凝固，将陶瓷套管73紧套在陶瓷插芯上，陶瓷套管73端面距离传感光纤71倾斜端面数百微米，在陶瓷套管73的端面上涂抹一层薄薄的紫外线固化胶，用镊子夹取一片的少层石墨烯薄膜74，轻放并铺平在涂有紫外固化胶的陶瓷套管73端面上，用紫外灯照射两分钟，至紫外胶完全固化。

传感光纤使用普通SMF28单模光纤加工而成，中间刻有一个光纤布拉格光栅，末端斜切处理，所述布拉格光栅与传感光纤末端之间最小距离由解调装置的空间分辨率决定。光纤布拉格光栅是一种周期性折射率调制的结构，能对特定波长的光信号产生部分反射，反射光强度由布拉格光栅的折射率调制深度决定，反射光中心波长由光栅周期决定。光信号沿传感光纤传输，经过布拉格光栅时被部分反射，产生一束反向传输光信号，光信号经过光纤末端时，由于倾角的存在，被倾斜端面反射的光信号无法原路返回，视作光信号直线传输透射出传感光纤。

向光纤声传感器中注入光信号时，布拉格光栅与石墨烯薄膜两处分别产生反射光信号，声波作用在石墨烯薄膜上导致其发生振动产生空腔长度的变化，改变经由石墨烯薄膜返回的信号光程，实现对由石墨烯薄膜返回的光信号的相位调制。

石墨烯薄膜充当声波传感换能器件，石墨烯薄膜的周边用紫外胶粘贴固定在上述陶瓷套管上。入射光信号通过上述传感光纤末端传播至空气介质腔中，打在石墨烯薄膜上，被部分反射返回传感光纤中。当外加声波信号作用在石墨烯薄膜上时，由于声压作用引起石墨烯薄膜振动，振动频率等同于声波频率，振动引起由传感光纤、陶瓷套管与石墨烯薄膜构成的空气腔纵向尺寸变化，从而导致传输光信号光程差的改变，体现在反射光信号的相位变化上。当薄膜受声波作用形变较小时，薄膜轴向位移量h与声压p之间的关系为：

对应光信号的相位变化为：

其中，υ为薄膜材料的泊松比，E为杨氏模量，t为薄膜厚度，a为薄膜半径，由公式知，光信号的相位变化与声压大小成正比，且声波传感灵敏度与薄膜厚度t显著相关，与其三次方成反比。石墨烯是一种新型纳米材料，厚度超薄仅nm量级，使用石墨烯薄膜作为声波换能结构可制成高灵敏度的声传感器。该换能膜也可以为石墨烯薄膜、粒径在纳米级的银薄膜或聚酯材料薄膜。

图2为本发明提供的基于光纤声传感器的多点声波检测装置的实施例，检测装置包括：窄线宽激光器1，第一光纤耦合器2，激光脉冲调制模块，环形器5，第二光纤耦合器6，光纤声传感器7，第三光纤耦合器8，信号解调器9，标准声压计10，声波发射装置11，信号发生器12以及隔音箱13。其中，激光脉冲调制模块包括声光调制器3和掺铒光纤放大器4。

其中，窄线宽激光器1产生连续超窄线宽激光，窄线宽激光波长与光纤声传感器中的布拉格光栅中心反射波长一致。窄线宽激光器能实现单纵模输出，保证了光源的单色性，使参考光和信号光具有良好的相干性，满足相干探测需求。在第一光纤耦合器2作用下分为两路，一路为探测光输入声光调制器3进行信号调制，另一路为参考光输入至第三光纤耦合器8；声光调制器3使窄线宽激光信号频移并调制成多个等时间间距、相同脉冲宽度的短脉冲。掺铒光纤放大器4对上述短脉冲信号的光功率进行放大；经调制后的激光脉序列从环行器5的a端口进入、b端口输出至第二光纤耦合器6，第二光纤耦合器6设有N个输出端，第n个输出端与第n个光纤声传感器7光纤端连接，脉冲光序列的每个短脉冲分别经过每个光纤声传感器7中的布拉格光栅711与石墨烯薄膜74产生基准脉冲序列和检测脉冲序列，基准脉冲序列和检测脉冲序列从环形器5的b端口进入，c端口输出至第三光纤耦合器8；参考光与基准脉冲序列和检测脉冲序列在光纤耦合器8中发生干涉，产生两个拍频信号，信号解调器9采集拍频信号，提取相位信息，根据相位变化进行声波波形恢复并实时显示。

本发明提供的检测装置中，每个短脉冲的持续时间为：

其中：n为光纤折射率，l为布拉格光栅与光纤末端端面的距离，L为空气腔的长度，c为光速。

由上述公式可以得知，脉冲宽度小，布拉格光栅与光纤末端端面的距离就小，而脉宽的极限值取决于信号解调器的速率v，

上述第二光纤耦合器与第n个光纤声传感器之间的单模光纤长度为2(n-1)(l+L)，实现前一个光纤声传感器反射的信号同后一个光纤声传感器反射的信号不会重叠，可以实现解调。

本发明提供的基于光纤声传感器的检测装置的实施例中，超窄线宽激光波长为1550.0nm，第一光纤耦合器2的分光比为99:1，第三光纤耦合器8的分光比为50:50，声光调制器3移频为200MHz，信号解调器9的采样率为2G/s，分辨率为8bit。

信号发生器12产生特定频率、特定幅度的正弦波信号控制声波发生装置11产生对应频率和声压的正弦声波信号，上述声波信号对称地传输至光纤声传感器7与标准声压计10上，上述光纤声传感器7、标准声压计10、声波发生装置11及信号发生器12均被放置在隔音箱13中进行测试。

本发明可实现多点声波同步检测，通过将连续窄线宽激光进行调制产生频移后的脉冲激光序列，并让脉冲激光序列通过1×N耦合器注入到N个光纤声传感器中，每个光纤声传感器返回的信号为基准信号序列和检测信号序列，分别与参考光发生干涉产生基准拍频信号序列和检测拍频信号序列，信号解调器提取拍频信号中的相位信息，根据基准信号序列和检测信号序列的相位差变化与声波振幅的关系获得被测声波信号。第n个光纤声波传感器受到声波作用产生的光信号相位变化计算公式为：其中为第n个检测信号的相位，为第n个基准信号的相位。图3为两个光纤声波传感器反射得到的基准拍频序列和检测拍频序列。

图4为声波发生装置对单个光纤声波传感器分别施加500Hz和20kHz正弦声波信号时，信号解调器9输出的声波波形图。

本发明提出的薄膜结构光纤声传感器，可运用在不同介质环境中的声波检测，不限于空气介质，也可用于水下及其他液体气体环境下的声波探测。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种光纤声传感器，包括：传感光纤、插芯、套管、换能膜，其中，传感光纤、插芯和套管从内到外依次嵌套布置，且插芯和套管的端面不平齐，换能膜覆盖于套管端面，使得插芯端面、套管内表面以及换能膜形成空腔结构；

所述传感光纤上刻有布拉格光栅，且传感光纤端面为斜切面；当单波长激光射入光纤传感器时，一部分激光被布拉格光栅反射，作为基准信号，另一部分激光透过布拉格光栅被换能膜反射，作为检测信号；当换能膜受到被测声波信号激励发生振动时，对经过换能膜的反射光相位进行调制输出检测信号，通过解调基准信号相位和检测信号相位的差值变化获得被测声波信号；将布拉格光栅反射的激光和换能膜反射的激光分别与参考光发生干涉产生拍频信号，针对性解调布拉格光栅与换能膜之间的光信号相位变化。

2.如权利要求1所述的光纤声传感器，其特征在于，射入传感光纤的激光为脉冲激光序列。

3.如权利要求1或2所述的光纤声传感器，其特征在于，所述换能膜为厚度不超过2微米的膜片。

4.如权利要求3所述的光纤声传感器，其特征在于，所述膜片类型为石墨烯薄膜、纳米银薄膜或聚酯材料薄膜。

5.一种基于权利要求1所述的光纤声传感器的多点声波检测装置，其特征在于，包括：

窄线宽激光器，用于产生连续窄线宽激光；

第一光纤耦合器，其输入端与窄线宽激光器的输出端连接，用于将连续窄线宽激光以不等功率进行分束；

激光脉冲调制模块，其输入端与第一光纤耦合器的第一输出端连接，用于将连续窄线宽激光进行频移并调制为脉冲激光序列；

环形器，其第一端口与激光脉冲调制模块的输出端连接，其第二端口与第二光纤耦合器的输入端连接，其第三端口与第三光纤耦合器的第一输入端连接；用于让脉冲激光序列进入多个光纤声传感器，并让多个光纤声传感器返回的基准脉冲信号序列和检测脉冲信号序列进入第三光纤耦合器；

第二光纤耦合器，其设有N个输出端，其每个输出端通过单模光纤与一个光纤声传感器的光纤端连接；所述第二光纤耦合器与第n个光纤声传感器之间的单模光纤长度为2(n-1)(l+L)，保证前一个光纤声传感器反射的信号同后一个光纤声传感器反射的信号不会重叠，l为布拉格光栅到传感光纤端面的距离，L为空腔长度；

第三光纤耦合器，其第二输入端与第一光纤耦合器的第二输出端连接，用于让第一光纤耦合器输出的参考光分别同基准脉冲信号序列和检测脉冲信号序列发生干涉，产生基准拍频信号和检测拍频信号；

以及信号解调器，其输入端与第三光纤耦合器的输出端连接，用于提取基准拍频信号和检测拍频信号之间的相位差变化，获得待测声波信息。

6.如权利要求5所述的多点声波检测装置，其特征在于，所述激光脉冲调制模块包括依次连接的声光调制器和掺铒光纤放大器，其中，声光调制器用于对连续窄线宽激光进行频移，并调制为脉冲激光序列，掺铒光纤放大器用于对脉冲激光序列进行放大处理。

7.根据权利要求5或6所述的多点声波检测装置，其特征在于，所述的窄线宽激光器发射波长与传感光纤中布拉格光栅中心反射波长一致。

8.根据权利要求5或6所述的多点声波检测装置，其特征在于，所述的脉冲激光序列，每个脉冲的持续时间应满足脉冲间隔其中，m为光纤折射率，c为光速。

9.根据权利要求5或6所述的检测装置，其特征在于，根据公式获得第n个光纤声传感器受到声波作用产生的光信号相位变化量，其中，为从第n个检测拍频信号提取的相位量，为从第n个基准拍频信号提取的相位量。