CN108900250A - 一种矿用无源拾音装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤声传感技术领域，提出了一种矿用无源拾音装置，包括激光器、第一光纤耦合器、延迟光纤、第二光纤耦合器、1×N光开关、铠装光缆、多个拾音探头、平衡光电探测器、FPGA处理模块、采集卡以及上位机；激光器发出的光经第一光纤耦合器后分别直接进入第二光纤耦合器以及经延迟光纤后进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的输出端经1×N光开关与铠装光缆连接，多个拾音探头分别串联在铠装光缆的多路传感光路中；从拾音探头返回至所述第一光纤耦合器光信号由平衡光电探测器探测；平衡光电探测器的输出端分别经FPGA处理模块和采集卡与上位机连接。本发明灵敏度高，抗振动干扰性能好，可广泛应用于矿用拾音领域。

Description

一种矿用无源拾音装置

技术领域

本发明属于光纤声传感技术领域，具体涉及一种矿用无源拾音装置。

背景技术

当煤矿井下发生瓦斯超限或各种故障停电的无电环境时，因传统通讯手段用电环节较多会造成井下通讯系统不能正常工作，光纤作为传感元件和传输介质，其间不仅没有任何电信号的传递，而且由于光纤自身的物化特性，还具有本质安全、耐环境腐蚀、抗电磁干扰、长距离检测等显著优势，可为矿下声传感技术的发展提供一种新的解决思路与方案。因此急需一种矿用无源分布式声传感系统对当前的矿用通讯系统进行完善。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种灵敏度高的矿用无源拾音装置，实现矿井下巷道结构及复杂环境的声音采集。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种矿用无源拾音装置，包括激光器、第一光纤耦合器、延迟光纤、第二光纤耦合器、1×N光开关、铠装光缆、多个拾音探头、平衡光电探测器、FPGA处理模块、采集卡以及上位机；其中，激光器发出的光从第一光纤耦合器的第一输入端输入，从第一光纤耦合器的第一输出端输出的光信号直接进入第二光纤耦合器的第一输入端，第一光纤耦合器的第二输出端输出的光信号经延迟光纤后进入第二光纤耦合器的第二输入端，第二光纤耦合器的输出端经1×N光开关与铠装光缆连接，多个拾音探头分别串联在铠装光缆的多路传感光路中；所述第一光纤耦合器的第二输入端和第三输入端分别与平衡光电探测器的输入端IN、IN相接；所述平衡光电探测器的输出端分为两路，一路顺次连接FPGA处理模块与上位机，另一路顺次连接采集卡与上位机；所述FPGA处理模块对平衡光电探测器探测的交流干涉信号进行FFT变换及累加平均处理后发送给上位机，所述采集卡用于将采集到的时域信号发送给上位机，所述上位机用于根据所述FPGA处理模块和采集卡发送的信号，进行振动位置解调、报警和振动信号的时域、频域显示及数据储存。

拾音探头包括壳体、第一法兰接口、第二法兰接口、固定柱、振动膜片、传感光纤、多个支撑点以及支撑面，所述壳体顶部开口；所述固定柱固定设置在壳体底部，所述支撑面贴合设置在所述固定柱外侧，并通过卡扣与所述固定柱固定连接，所述振动膜片通过多个所述支撑点固定设置在所述支撑面外侧，所述传感光纤绕设在所述振动膜片外侧并与所述振动膜片紧密贴合，所述壳体底部设置有套设在所述固定柱上的第二防震垫，所述壳体顶部设置有第一防震垫、所述壳体顶部开口通过防水密封圈和壳盖密封；所述传感光纤的两端分别通过所述第一法兰接口和第二法兰接口与所述铠装光缆连接。

所述振动膜片为弹性金属薄片，所述支撑面和支撑点为刚性金属材料。

所述支撑点为设置在所述振动膜片和所述支撑面之间的椭圆球，所述椭圆球的长轴的两个顶点分别固定在振动膜片和支撑面上。

所述第一光纤耦合器为3×3光纤耦合器，第二光纤耦合器为2×1光纤耦合器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种矿用无源拾音装置，基于萨格奈克原理进行拾音，通过多个拾音探头进行多路拾取，并通过光开关对其中一个或多个拾音探头进行光切断，进而可实现声音的区域定位；

2、本发明的拾音装置中，使用的拾音探头声灵敏度高，抗振动干扰性能良好；

3、本发明适用于矿下巷道结构及复杂环境，具有可靠性高、结构紧凑、井下无需供电等优势。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种矿用无源拾音装置的结构示意图；

图2为本发明实施中拾音探头的结构示意图；

图3为图2的竖向剖视图；

图4为图3的A-A剖视图；

图中：1为激光器，2为第一光纤耦合器，3为延迟光纤，4为第二光纤耦合器，5为1×N光开关，6为铠装光缆，7为拾音探头，15为平衡光电探测器，16为FPGA处理模块，17为采集卡，18为上位机，19为第一法兰接口，20为第二法兰接口，21为壳盖，22为防水密封圈，23为第一防震垫，24为固定柱，25为振动膜片，26为传感光纤，27为壳体，28为卡槽，29为卡条，30为支撑点，31为支撑面，32为第二防震垫。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种矿用无源拾音装置，包括激光器1、第一光纤耦合器2、延迟光纤3、第二光纤耦合器4、1×N光开关5、铠装光缆6、多个拾音探头7、平衡光电探测器15、FPGA处理模块16、采集卡17以及上位机18。

其中，激光器1发出的光从第一光纤耦合器2的第一输入端a输入，第一光纤耦合器2为3×3光纤耦合器，则该光束将分别从第一光纤耦合器2的第一输出端d、第二输出端e、第三输出端f输出。第二光纤耦合器4为2×1光纤耦合器，从第一光纤耦合器2的第一输出端d输出的光信号直接进入第二光纤耦合器4的第一输入端g，第一光纤耦合器2的第二输出端e输出的光信号经延迟光纤3后进入第二光纤耦合器4的第二输入端h，第二光纤耦合器4的输出端i经1×N光开关5与铠装光缆6连接，所述多个拾音探头7分别串联在铠装光缆6的多路传感光路中。

所述第一光纤耦合器2的第二输入端b和第三输入端c分别与平衡光电探测器15的输入端IN1、IN2相接；所述平衡光电探测器15的输出端分为两路，一路顺次连接FPGA处理模块16与上位机18，另一路顺次连接采集卡17与上位机18；所述FPGA处理模块16对平衡光电探测器15探测的交流干涉信号进行FFT变换及累加平均处理后发送给上位机，所述采集卡17用于将采集到的时域信号发送给上位机18，所述上位机用于根据所述FPGA处理模块16和采集卡17发送的信号，进行振动位置解调、报警和振动信号的时域、频域显示及数据储存。

本实施例中，激光器1输出的信号光进入第一光纤耦合器2，第一光纤耦合器2为3×3耦合器，本装置利用3×3耦合器带有2/3π固定相移的特性提供一个稳定的2/3π相位偏置，使得两路干涉信号的相位差变化在斜率较大的位置，即探测光强变化在斜率较大的位置，这样装置检测灵敏度较高。第一光纤耦合器2将输入信号光分为三路，分光比为1:1:1，其中第三输出端f输出的光不用；第一输出端d和第二输出端e输出信号光分别直接进入和经过延迟光纤3后再进入第二光纤耦合器4，这样由于延迟光纤3的存在就导致两路信号光经过拾音探头7的时间不同，所受到的相位调制也不同，且两路信号光之间的相位差随声信号的变化而变化，在第二光纤耦合器4后加入了1×N光开关5，从第二光纤耦合器4的输出端i输出的两路信号光经1×N光开关5后，从铠装光缆6分别进入各个拾音探头7，最后，两路信号光经各个拾音探头传感振动信号后，又经铠装光缆6、1×N光开关5返回到第二光纤耦合器4的输出端口i，经第二光纤耦合器4的输入端口g和输入端口h输出，并分别直接以及经过延迟光纤3后返回到第一光纤耦合器2的输出端口d和e，并在第一光纤耦合器2处发生干涉，这样相位差变化即转变为干涉光强的变化。通过多个拾音探头7进行多路拾取，并通过光开关5对其中一个或多个拾音探头进行光切断，进而可实现声音的区域定位。

本实施例中，上位机用于根据所述FPGA处理模块16发送的交流干涉信号和采集卡17发送的时域信号，进行振动位置解调、报警和振动信号的时域、频域显示及数据存储。

实施例二

与前一实施例相同的是，如图1所示，本实施例提供的一种矿用无源拾音装置，也包括激光器1、第一光纤耦合器2、延迟光纤3、第二光纤耦合器4、1×N光开关5、铠装光缆6、多个拾音探头7、平衡光电探测器15、FPGA处理模块16、采集卡17以及上位机18。

与前一实施例不同的是，如图2~4所示，本实施例中，所述拾音探头7具体包括壳体27、第一法兰接口19、第二法兰接口20、固定柱24、振动膜片25、传感光纤26、多个支撑点30以及支撑面31，所述壳体27顶部开口；所述固定柱24固定设置在壳体27底部，所述支撑面31贴合设置在所述固定柱24外侧，并通过卡扣与所述固定柱24固定连接，所述振动膜片25通过多个所述支撑点30固定设置在所述支撑面31外侧，所述传感光纤26绕设在所述振动膜片25外侧并与所述振动膜片25紧密贴合，所述壳体27底部设置有套设在所述固定柱24上的第二防震垫32，所述壳体27顶部设置有第一防震垫23、所述壳体27顶部开口通过防水密封圈22和壳盖21密封；所述传感光纤26的两端分别通过所述第一法兰接口19和第二法兰接口20与所述铠装光缆6连接。

本实施例中，用于将支撑面31固定在固定柱24上的卡扣包括设置在支撑面31内部的卡条29和设置在所述固定柱24上的卡槽28，通过卡条29与卡槽28的配合，可以将支撑面31卡死在固定柱24上。

本实施例中，当声音作用到拾音探头7上时，除了直接作用到传感光纤26上，还可以通过振动膜片25的带动间接作用到传感光纤26上，进而使拾音探头7在同等条件下灵敏度得到提升。此外，在拾音探头的壳体内上下方各放置一片防震垫，可在一定程度上消除震动带来的噪声。

具体地，本实施例中，所述振动膜片25为弹性强、刚度大、表面光滑的柱面金属薄片，所述支撑面31和支撑点30为刚性较大的金属材料支撑。如图2~4所示，所述支撑点30为设置在所述振动膜片25和所述支撑面31之间的椭圆球，所述椭圆球的长轴的两个顶点分别固定在振动膜片25和支撑面31上。振动膜片25通过支撑点30固定在支撑面31上，可以保证振动膜片25的弹性振动自由度。此外，支撑面31通过卡扣固定设置在固定柱24上，则可以使用于拾音的核心部件，即传感光纤26、振动膜片25、支撑点30和支撑面31与壳体分离，拾音探头的可维护性较好。

具体地，本实施例中，振动膜片25直径为20mm，厚度约0.2mm，高度40mm，支撑面31的直径约为18mm。支撑点30的设置密度可以根据振动膜片的厚度和材质而定，主要需保证弹性膜片的张紧度和自由度之间的平衡，本实施例中，其密度约为每16mm²设置一个。此外，本实施例中，振动膜片25、支撑点30、和支撑面31组成的结构可以由3D打印机打印。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种矿用无源拾音装置，其特征在于，包括激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、延迟光纤（3）、第二光纤耦合器（4）、1×N光开关（5）、铠装光缆（6）、多个拾音探头（7）、平衡光电探测器（15）、FPGA处理模块（16）、采集卡（17）以及上位机（18）；

其中，激光器（1）发出的光从第一光纤耦合器（2）的第一输入端输入，从第一光纤耦合器（2）的第一输出端输出的光信号直接进入第二光纤耦合器（4）的第一输入端，第一光纤耦合器（2）的第二输出端输出的光信号经延迟光纤（3）后进入第二光纤耦合器（4）的第二输入端，第二光纤耦合器（4）的输出端经1×N光开关（5）与铠装光缆（6）连接，多个拾音探头（7）分别串联在铠装光缆（6）的多路传感光路中；

所述第一光纤耦合器（2）的第二输入端和第三输入端分别与平衡光电探测器（15）的输入端IN1、IN2相接；所述平衡光电探测器（15）的输出端分为两路，一路顺次连接FPGA处理模块（16）与上位机（18），另一路顺次连接采集卡（17）与上位机（18）；所述FPGA处理模块（16）对平衡光电探测器（15）探测的交流干涉信号进行FFT变换及累加平均处理后发送给上位机，所述采集卡（17）用于将采集到的时域信号发送给上位机（18），所述上位机用于根据所述FPGA处理模块（16）和采集卡（17）发送的信号，进行振动位置解调、报警和振动信号的时域、频域显示及数据储存。

2.根据权利要求1所述的一种矿用无源拾音装置，其特征在于，拾音探头（7）包括壳体（27）、第一法兰接口（19）、第二法兰接口（20）、固定柱（24）、振动膜片（25）、传感光纤（26）、多个支撑点（30）以及支撑面（31），所述壳体（27）顶部开口；所述固定柱（24）固定设置在壳体（27）底部，所述支撑面（31）贴合设置在所述固定柱（24）外侧，并通过卡扣与所述固定柱（24）固定连接，所述振动膜片（25）通过多个所述支撑点（30）固定设置在所述支撑面（31）外侧，所述传感光纤（26）绕设在所述振动膜片（25）外侧并与所述振动膜片（25）紧密贴合，所述壳体（27）底部设置有套设在所述固定柱（24）上的第二防震垫（32），所述壳体（27）顶部设置有第一防震垫（23）、所述壳体（27）顶部开口通过防水密封圈（22）和壳盖（21）密封；所述传感光纤（26）的两端分别通过所述第一法兰接口（19）和第二法兰接口（20）与所述铠装光缆（6）连接。

3.根据权利要求2所述的一种矿用无源拾音装置，其特征在于，所述振动膜片（25）为弹性金属薄片，所述支撑面（31）和支撑点（30）为刚性金属材料。

4.根据权利要求2所述的一种矿用无源拾音装置，其特征在于，所述支撑点（30）为设置在所述振动膜片（25）和所述支撑面（31）之间的椭圆球，所述椭圆球的长轴的两个顶点分别固定在振动膜片（25）和支撑面（31）上。

5.根据权利要求1所述的一种矿用无源拾音装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器（2）为3×3光纤耦合器，第二光纤耦合器（4）为2×1光纤耦合器。