CN108489597A - 一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，包括如下依次连接的器件：激光器、光纤放大器、环形器、光纤、光纤声波传感器；光电探测器、锁相放大器、激光控制器、数据采集卡、信号采集及处理单元，其中激光器(200)发出的激光经光纤放大器(201)放大后进入环形器(202)的1#端口，环形器的2#端口输出的信号进入光纤(203)中传输，光纤与光纤声波传感器的连接，从光纤输出的信号进入光纤声波传感器(204)，光纤声波传感器将会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口依次连接光电探测器(205)、锁相放大器(206)、数据采集卡(208)、信号采集及处理单元。
Description
技术领域
本发明涉及光纤声波传感器领域，具体涉及一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置及方法。
背景技术
与传统的传感技术相比，光纤传感器由于具有传输损耗低、结构紧凑、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、制备工艺简单等优点，特别是频带宽、信息容量大、传输损耗低可以实现长距离和分布式测量。光纤传感器不但可以实现多种物理量的测量，如声场、电场、压力、温度等，而且还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务，近年来备受研究人员的高度重视。其中，光纤声波传感器由于重量轻、灵敏度高等优点，已经在多个领域中得到应用，光纤声波传感器的技术主要集中在利用迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪以及法布里珀罗腔干涉仪的结构。如2014年，方舟等研究人员提出了基于光纤Bragg光栅的振弦式次声波传感器，申请号为CN201410093841.1，通过左侧弦与光纤Bragg光栅之间有聚酯薄膜做成的弹性膜片，该弹性膜片可以降低次声波对光纤Bragg光栅的直接作用的影响，有效地提高了传感器的灵敏度。2015年，鲁平等研究人员提出了一种光纤EFPI次声波传感器及次声信号探测系统，申请号为CN201510398802.7，通过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，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。2016年，乔学光等研究人员提出了法布里-珀罗腔金箔光纤超声波传感器，单模光纤与应变片构成法布里-珀罗腔，应变片安装管内应变片的右端设置有应变片固定块，具有灵敏度高、宽频率响应好、动态范围宽、结构紧凑、产品成本低等优点。2016年，杨天等研究人员提出了一种光纤传感器及其声波探测应用方法，申请号为201610550700.7，利用光纤端面上的金属微纳米结构对光源的反射作用，制作了光纤声波传感器，且具备宽频率响应，角响应平坦，响应稳定，低噪声等优点。但是，目前报道的研究成果存在集成度低、难于插入狭小空间、在体内应用时不能有效规避体内复杂环境的干扰等缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的是，提供一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置及方法，在于提高声波信号探测的灵敏度，由此解决现有光纤探测时灵敏度低，结构复杂，成本高的技术问题。
为了达到上述目的，本发明技术方案是，一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，包括如下依次连接的器件：激光器、光纤放大器、环形器、光纤、光纤声波传感器；光电探测器、锁相放大器、激光控制器、数据采集卡、信号采集及处理单元，其中激光器200光源发出的激光信号经光纤放大器201放大后进入环形器202的1#端口，环形器的2#端口输出的信号进入光纤203中传输，光纤与光纤声波传感器的连接；从光纤输出的信号进入光纤声波传感器204，光纤声波传感器将会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口依次连接光电探测器205、锁相放大器206、数据采集卡208、信号采集及处理单元209；环形器3#端口输出的信号进入光电探测器205，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号接锁相放大器206放大后输出分成两束信号，第一束信号连接激光控制器207，从激光控制器输出的电流信号连接所述激光器的控制端，驱动激光器工作，第二束信号接数据采集卡208和信号处理及显示单元209；经数据采集卡208采集信号，采集到的信号传输到信号处理及显示单元209进行处理，获得光纤声波传感器上的测量信息。
进一步，其中上述所述激光器为可调谐光源，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器或其它种类的光纤放大器。所述光纤为普通单模光纤、色散位移光纤中的一种；
进一步，所述光纤声波传感器(204)的是在空芯光子晶体光纤的一个端面镀上石墨烯薄膜，另一个端的端面与光纤熔接，构成声波传感器。光纤与光纤声波传感器的连接采用融接方式。空芯光子晶体光纤的长度为1-10cm。
进一步，其中所述光电探测器是平衡探测器或其它种类的光电探测器，所述光纤声波传感器为一个空芯光子晶体光纤声波传感器，也可以是多个空芯光子晶体光纤声波传感器(并联或串联均可)，空芯光子晶体光纤声波传感器利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测物体的或放置在待测点。
为达上述目的，一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测方法，包括下列步骤：
激光器光源发出的激光信号经光纤放大器放大后进入环形器1#端口，环形器2#端口输出的信号进入光纤中传输，从光纤输出的信号进入光纤声波传感器，光纤声波传感器将因声波的作用会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号经锁相放大器放大后分成两束信号，第一束信号连接激光控制器，从激光控制器输出的电流信号驱动激光器工作，第二束信号经数据采集卡采集信号，采集到的信号传输到信号处理及显示单元进行处理，获得光纤声波传感器上的声波测量信息。
本发明的有益效果是：本发明在空芯光子晶体光纤的一个端面镀上石墨烯薄膜，另一端与普通光纤连接构成声波传感器，利用石墨烯对声波振动的灵敏度，结合空芯光子晶体光纤构成光纤干涉仪，利用空芯光子晶体光纤构成封闭的谐振腔，来减小噪音，提高灵敏度，结合石墨烯的对声波振动的敏感特性，实现高精度高灵敏度声波快速的测量。本发明结构简单，成本低，工作稳定。且监测系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意框图；
图2为本发明的空芯光子晶体光纤声波传感器示意图。
图3为本发明的测量声波的频谱示意图。
图4为本发明的测量声波的压力与输出信号电压之间的关系图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为了更了解本发明的技术内容，特举实施例并配合所附图式说明如下。
激光器光源发出的激光信号经光纤放大器放大后进入环形器1#端口，激光器为DFB激光器，其中心波长为1527-1610nm，设置输出波长1550.00nm，输出功率为0dBm，光纤放大器是掺铒光纤放大器，KPS-BT2-C-30-PB-FA，输出功率范围为10-30dBm，设置输出功率为20dBm，环形器2#端口输出的信号进入光纤中传输，光纤为普通单模光纤，长度为2km，从光纤输出的信号进入光纤声波传感器，光纤声波传感器(207)的是在空芯光子晶体光纤的一个端面上镀上石墨烯薄膜(如采用CVD方式)，光子晶体光纤为NKT公司的HC-1550-02光纤，光子晶体光纤的长度为2.0cm，石墨烯薄膜的厚度为6.1μm，光子晶体光纤的另一端用光纤熔接机连接上普通单模光纤，其结构如图2所示，将该光纤声波传感器放置在一个小的暗室箱中，光纤声波传感器将会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器，光电探测器(208)为50GHz的Finisar XPDV21x0RA，响应波长为1528-1564nm，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号经锁相放大器放大后分成两束信号，锁相放大器为SR865A Lock-In Amplifier，第一束信号连接激光控制器，从激光控制器输出的电流信号驱动激光器工作，第二束信号经数据采集卡采集信号，号采集卡为DAQPCIE9081，采集到的信号传输到信号处理及显示单元进行处理，获得光纤声波传感器上的测量信息。当测量的声波信号为1000Hz时，测量的声波信号如图3所示，从图中可以看出，信号的频率为1000Hz,功率为-37dBm，当信号的频率不变，保持在1000Hz时，改变声波信号的压力，测量的输出电压如图4所示，从图中可以看出，随着声波信号压力的增加，输出信号的电压逐渐增加，输出电压的变化和压力的变化呈现线性关系，斜率约为90.0mV/Pa。
综上所述，在本发明中，光纤声波传感器是在空芯光子晶体光纤端面镀上石墨烯薄膜构成的，利用空芯光子晶体光纤构成封闭的谐振腔，来减小噪音，提高灵敏度，结合石墨烯的对声波振动的敏感特性，实现高精度快速的声波测量。本发明具有灵敏度高，结构简单，成本低，工作稳定等优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是包括如下依次连接的器件：激光器、光纤放大器、环形器、光纤、光纤声波传感器；并设有光电探测器、锁相放大器、激光控制器、数据采集卡、信号采集及处理单元，其中激光器（200）发出的激光经光纤放大器（201）放大后进入环形器（202）的1#端口，环形器的2#端口输出的信号进入光纤（203）中传输，光纤与光纤声波传感器的连接，从光纤输出的信号进入光纤声波传感器（204），光纤声波传感器将会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口依次连接光电探测器（205）、锁相放大器（206）、数据采集卡（208）、信号采集及处理单元（209）；环形器3#端口输出的信号进入光电探测器（205），光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号接锁相放大器（206）放大后输出分成两束信号，第一束信号连接激光控制器（207），从激光控制器输出的电流信号连接所述激光器的控制端，驱动激光器工作，第二束信号接数据采集卡（208）和信号处理及显示单元（209）；经数据采集卡（208）采集信号，采集到的信号传输到信号处理及显示单元（209）进行处理，获得光纤声波传感器上的测量信息。
2.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是所述激光器为可调谐光源，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器或其它种类的光纤放大器。
3.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是所述光纤为普通单模光纤、色散位移光纤中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是所述光纤声波传感器(204)是在空芯光子晶体光纤的一个端面镀上石墨烯薄膜，另一个端的端面与光纤熔接，构成声波传感器。
5.根据权利要求4所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是空芯光子晶体光纤的长度为1-10cm。
6.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是所述光电探测器是平衡探测器或其它种类的光电探测器。
7.根据权利要求1所述的基于空芯光子晶体光纤的声波检测装置，其特征是所述光纤声波传感器为一个空芯光子晶体光纤声波传感器或是多个空芯光子晶体光纤声波传感器，空芯光子晶体光纤声波传感器利用表面粘贴或内部埋入的方法安装到被测物体的或放置在待测点。
8.一种基于空芯光子晶体光纤的声波检测方法，包括下列步骤：激光器光源发出的激光信号经光纤放大器放大后进入环形器1#端口，环形器2#端口输出的信号进入光纤中传输，从光纤输出的信号进入光纤声波传感器，光纤声波传感器将因声波的作用会反射部分信号，被反射的信号经光纤传输后从环形器2#端口进入环形器，从环形器3#端口输出的信号进入光电探测器，光电探测器将输出的信号转换成电信号，电信号经锁相放大器放大后分成两束信号，第一束信号连接激光控制器，从激光控制器输出的电流信号驱动激光器工作，第二束信号经数据采集卡采集信号，采集到的信号传输到信号处理及显示单元进行处理，获得光纤声波传感器上的声波测量信息。
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