CN109060106B - 双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统 - Google Patents

Abstract

一种双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统，包括相邻的传振腔室和检振腔室，传振腔室包括第一膜片和第二膜片，并通过第二膜片与检振腔室隔离，该第二膜片的反光面朝向检振腔室，并与检振腔室的下内表面形成FP干涉腔，当外部入射光透过检振腔室的下腔体在该下内表面同时产生反射光和透射光或同时产生反射衍射光和透射衍射光，该透射光或透射衍射光被反光面的中心区域反射而沿原路返回，与该反射光或反射衍射光重叠产生光干涉信号，第一膜片感应声信号产生的振动传递至第二膜片，引起FP干涉腔的腔长变化，进而引起光干涉信号的变化，由光电探测器接收并检测该光干涉信号。本发明能有效提高探头灵敏度和信噪比，改善探头温度、机械稳定性。

Description

双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统

技术领域

本发明涉及光干涉传感技术和声波探测技术领域，尤其涉及一种双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统。

背景技术

基于光学干涉测量技术的声传感器抗电磁干扰，无电磁辐射，隐蔽性好，灵敏度高，可利用光纤实现光信号的低损耗传输，结合光纤的复用/解复用技术可构成低成本、大阵列声探测与声定位系统，适用于在复杂电磁环境和恶劣天气条件下远距离安全工作。这些优点使得光学声传感器在工业、交通、军事、医疗等领域具有广阔的应用前景。

光干涉声传感器虽然具有上述优点，但实用性较差，目前尚未获得广泛应用，原因之一是其易于受环境温度干扰，稳定性较差；除此之外，现有的光纤FP干涉式声传感器的FP腔通常由振膜的反光面与光纤端面构成，在制作过程中需手动调节FP腔的腔长，不适合批量制备，也不能对腔长进行精确调控，致使传感器探头在工作点和灵敏度方面一致性较差；另一方面，现有的光纤FP干涉式声传感器探头将传输光纤与感声部件制成不可拆分的组合体，在使用过程中即使其中之一受损也不容许局部更换，造成使用成本高；再一方面，光干涉式声传感器的光信号所感应的通常是膜片中心点的振动，其灵敏度取决于膜片中心点的振幅而不与膜片面积直接相关，也就是说，当膜片振幅给定时，膜片大小对光学声传感器的灵敏度没有影响，不像传统的驻极体电容式传声器，其灵敏度随着振膜尺寸的增大而升高。基于以上分析，光学声传感器比驻极体电容式传声器灵敏度高的优势会随着传感器膜片面积的增大而逐渐丧失。膜片越大，可探测的频响下限越低。如何制备高灵敏度的光学低频声传感器，目前在国内外尚未发现相关报道。尤其值得指出的是，大振膜受到的环境噪声干扰也大，因此，如何在提高光学低频声传感器灵敏度的同时降低其背景噪声，也是一个需要解决的关键问题。现实生活中对高灵敏度、低噪声的光干涉低频声传感器具有广泛的重要的应用需求，这种应用需要目前还得不到满足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

根据本发明的一个方面，提供了一种双腔组合光干涉声传感器探头，包括传振腔室和检振腔室，其中：

传振腔室，包括：

第一端口和第二端口，且第一端口的尺寸大于第二端口；

第一膜片，绷紧设置于所述第一端口上；以及

第二膜片，绷紧设置于所述第二端口上，所述第二膜片具有一反光面，朝向所述检振腔室；

检振腔室，与所述传振腔室相邻，并由所述第二膜片与所述传振腔室隔离，所述检振腔室包括下腔体和下内表面，所述下腔体对入射光透明，所述下内表面位于下腔体上，能使从检振腔室外的入射光透过下腔体在所述下内表面处同时产生透射光和反射光或同时产生透射衍射光和反射衍射光，所述透射光或透射衍射光被所述反光面的中心区域反射而沿原路返回并透过所述下内表面后，与所述反射光或反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，所述下内表面与所述反光面形成一FP干涉腔；

其中，所述第一膜片通过感应声信号而产生的振动，通过所述传振腔室传递至第二膜片而引起所述FP干涉腔的腔长变化，对所述光干涉信号进行调制。

在本发明的一些实施例中，所述传振腔室的腔体上开设有漏气缝或漏气口，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的所述传振腔室内外的气压差，所述漏气缝或漏气口远离所述检振腔室，所述漏气缝或漏气口的面积不超过第二膜片面积的1/10；

所述检振腔室的腔体上开设有漏气缝或漏气口，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的所述检振腔室内外的气压差，所述漏气缝或漏气口设置于所述传振腔室的外侧并偏离所述下内表面的正对所述第二膜片的中心区域，所述漏气缝或漏气口的面积不超过第二膜片面积的1/10。

在本发明的一些实施例中，所述下内表面覆盖有增反膜，使得从所述检振腔室外的入射光在所述下内表面同时产生透射光和反射光；或者

所述下内表面设置有衍射光栅，使得从所述检振腔室外的入射光在所述下内表面同时产生透射衍射光和反射衍射光。

在本发明的一些实施例中，所述第二膜片的反光面与检振腔室的下内表面的距离小于所述入射光波长的50倍。

在本发明的一些实施例中，所述传振腔室的腔体与检振腔室的腔体为机械加工件或MEMS结构元件。

在本发明的一些实施例中，所述传振腔室的腔体与检振腔室的腔体为一体成型、或分别成型后进行固定。

在本发明的一些实施例中，所述传振腔室的腔体为由金属、玻璃、陶瓷、聚合物和硅中的一种或多种材料制成；所述检振腔室的腔体为由玻璃、聚合物和硅中的一种或多种材料制成。

在本发明的一些实施例中，所述第一膜片和第二膜片的厚度分别介于0.1μm至1mm之间。

在本发明的一些实施例中，所述第二膜片的面积不超过第一膜片的1/2。

在本发明的一些实施例中，所述第一膜片和第二膜片分别为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物和硅中的一种材料制成的均匀膜片，或者为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物和硅中的多种材料制备而成的多层膜片或复合材料膜片。

在本发明的一些实施例中，所述第二膜片的抗形变能力小于第一膜片。

在本发明的一些实施例中，所述第一膜片和第二膜片由相同材料制成，并且所述第一膜片的厚度大于第二膜片；或者

所述第一膜片和第二膜片由不同材料制成，并且所述第一膜片的杨氏模量大于第二膜片。

在本发明的一些实施例中，所述双腔组合光干涉声传感器探头还包括一膜片保护罩，所述膜片保护罩将所述第一膜片罩在内部，所述膜片保护罩顶部开设有入声孔。

根据本发明的一个方面，提供了一种双腔组合光干涉声传感系统，包括：如上所述的双腔组合光干涉声传感器探头、激光光源、和光电探测器；

其中，激光光源发出的激光作为所述入射光，入射至所述双腔组合光干涉声传感器探头中检振腔室的下内表面处，然后同时产生透射光和反射光或同时产生透射衍射光和反射衍射光，所述透射光或透射衍射光被传振腔室中第二膜片的反光面的中心区域反射而沿原路返回并透过所述下内表面后与所述反射光或反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，当所述传振腔室的第一膜片感应声信号产生的振动，传递至所述第二膜片而引起所述FP干涉腔的腔长变化，进而引起所述光干涉信号的变化，所述光干涉信号被光电探测器接收并检测。

在本发明的一些实施例中，所述双腔组合光干涉声传感系统还包括导光结构，设置于所述激光光源的出射端处；所述激光光源发出的激光通过所述导光结构引导后照射至所述下内表面处；所述光干涉信号通过所述导光结构引导后被光电探测器接收。

在本发明的一些实施例中，所述导光结构为半透明平面反射镜或光纤环形器。

从上述技术方案可以看出，本发明双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)利用双膜片组成的传振腔室作为增敏结构，有效提高声传感器探头的灵敏度，增大探头的探测距离，增强探头对微弱声信号的探测能力；

(2)传振腔室通过室内气压的动态变化将第一膜片的整个面积范围的振动形变传递给第二膜片，相当于对第一膜片上的噪声进行了平均处理，从而有效降低声传感器探头的背景噪声；

(3)传振腔室与检振腔室组成一体，结构稳定，有效增强传感器探头的抗震性，提高探头的机械稳定性；

(4)检振腔室构成的FP干涉腔的腔长限定为不超过使用的光源波长的50倍，可以有效提高声传感器探头的温度稳定性；

(5)将传振腔室与检振腔室集成于一体，形成单一模块，有利于MEMS批量制备和片上多探头集成，可提高传感器探头的良品率与一致性，降低探头的制作成本；

(6)将传振腔室与检振腔室组合成规格尺寸一致的模块，在传感器使用过程中便于简单更换模块，无需改变传感器系统的光学单元。

(7)采用传振腔室与检振腔室组合结构有利于制备高性能的大振膜次声传感器探头。

附图说明

图1是本发明第一实施例双腔组合光干涉声传感器探头结构剖视图；

图2是本发明第一实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图；

图3是本发明第二实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图；

图4是本发明第三实施例双腔组合光干涉声传感器探头结构剖视图；

图5是本发明第三实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-双腔组合光干涉声传感器探头；

10-腔体；

11-传振腔室；

111-第一膜片； 112-第二膜片；

12-检振腔室；

121-增反膜； 122-衍射光栅；

13a、13b-漏气口；

2-半透明平面反射镜；

3-光纤环行器；

4-激光光源；

5-光电探测器；

6-膜片保护罩；

61-入声孔。

具体实施方式

本发明公开了一种双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统，利用传振腔室感应并传导外界声信号，利用检振腔室调制光检测信号，能够有效增强探头灵敏度，提高探头信噪比，改善探头的温度稳定性和机械稳定性，使探头易于更换，尤其适用于次声波的高灵敏度低噪声探测，并且结构集成度高，实用性强，尤其适用于大规模声监测阵列。

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，对本发明作进一步的详细说明。

第一实施例

在本发明的第一示例性实施例中，首先提供了一种双腔组合光干涉声传感器探头。图1是本发明第一实施例双腔组合光干涉声传感器探头结构剖视图。

如图1所示，本实施例双腔组合光干涉声传感器探头1包括传振腔室11和检振腔室12，其中：传振腔室11包括第一端口、第二端口、第一膜片111和第二膜片112，其中第一端口的尺寸大于第二端口，第一膜片111绷紧设置于第一端口上；第二膜片112绷紧设置于第二端口上，第二膜片具有一反光面(图中未画出)，朝向检振腔室12；检振腔室12与传振腔室11相邻，并由第二膜片112与传振腔室11隔离，检振腔室12包括对入射光透明的下腔体，该下腔体朝向检振腔室内的表面称为下内表面，从检振室外的入射光透过下腔体在该下内表面处能同时产生透射光和反射光或同时产生透射衍射光和反射衍射光，透射光或透射衍射光被所述反光面的中心区域反射而沿原路返回并透过该下内表面后，与该反射光或反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，该下内表面与该反光面相面对并形成一FP干涉腔，该FP干涉腔能导致低精细度干涉条纹。

以下对本实施例双腔组合光干涉声传感器探头的各组成部分进行详细描述。

传振腔室11和检振腔室12的腔体10，为机械加工件或MEMS结构元件，在本实施例中为一体加工成型，当然也可以分别成型后再相互固定连接，例如经螺纹、螺钉、焊接、胶粘等方式进行固定。可选用相同材料一体加工成型，也可选用相同或不同的材料分别成型，传振腔室的腔体可选用的材料例如金属、玻璃、陶瓷、聚合物和硅等材料中的一种或多种；考虑到检振腔室的下腔体需要对入射光透明，检振腔室的腔体可选用的材料例如玻璃、聚合物和硅等材料中的一种或多种。本实施例中“腔体”的含义为形成传振腔室11或检振腔室12的结构体。

如图1中所示，作为优选，在传振腔室处的腔体10上开设有漏气口13a，以便将传振腔室11和外界大气连通，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的传振腔室内外的气压差，提高测量的灵敏度和准确性；漏气口13a设置于第二端口的外边缘并远离检振腔室；漏气口13a的面积不超过第二膜片12面积的1/10；这里，传振腔室为准气密性腔体。如果不开设漏气口或漏气缝，则传振腔室为气密性腔体。

作为优选，在检振腔室处的腔体10上开设有漏气口13b，以便将检振腔室12和外界大气连通，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的所述检振腔室内外的气压差，提高测量的灵敏度和准确性；漏气口13b设置于传振腔室11的外侧并偏离该下内表面的正对第二膜片112的中心区域。其中，漏气口13b的面积不超过第二膜片面积的1/10。

在不同的实施例中，第一膜片111和第二膜片112可以为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物、硅中的一种材料制成的均匀膜片，或者为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物、硅中的多种材料制备而成的多层膜片或复合材料膜片，第一膜片111和第二膜片112的材料可以相同或不同。作为示例，当第一膜片111和第二膜片112由相同材料制成时，第二膜片112的厚度小于第一膜片111；当第一膜片111和第二膜片112采用不同材料时，第二膜片112的杨氏模量小于第一膜片111，以此来保证第二膜片12的抗形变能力小于第一膜片。

作为优选，第二膜片112的面积不超过第一膜片111面积的1/2，由于第二膜片的抗形变能力小于第一膜片111，此时当第一膜片111通过感应外界声信号而导致振动，在第一膜片111的中心区域产生法向位移，通过传振腔室11传递至第二膜片112上后，在第二膜片112的中心区域产生的法向位移相对于第一膜片111起到了明显放大作用。作为示例，第一膜片111和第二膜片112的厚度介于1μm至1mm之间，以保证第一膜片111和第二膜片112能够在微弱的声信号作用下产生受迫振动。

在不同的实施例中，第二膜片112的反光面可以是第二膜片112自身的高反射率光滑表面，也可以是另外制作于第二膜片112表面的金属反射层或高折射率金属氧化物反射层。

在本实施例中，在检振腔室12的下内表面覆盖有增反膜121，能使来自检振腔室12外的入射光同时发生反射和透射。作为示例，增反膜121与第二膜片112的反光面之间的距离小于所述入射光波长的50倍，形成一温度稳定性好的低精细度FP干涉腔。

本实施例双腔组合光干涉声传感器探头的增敏机制是：外界声信号作用于第一膜片111，第一膜片111在声压作用下发生弯曲形变，改变其传振腔室11内的容积与压强，进而使第二膜片112受到上下表面的气压差发生弯曲形变，其中心区域发生法向位移。在传振腔室容积有限，第二膜片112的杨氏模量或厚度小于第一膜片111，以及第二膜片112半径明显小于第一膜片111的条件下，在第二膜片112中心区域发生的法向位移相对于第一膜片111起到了放大作用，继而增大了第二膜片112反光面和增反面113构成的FP干涉腔腔长变化，整个探头结构输出的干涉光信号的相位差获得增大，从而增强了声传感器探头的灵敏度。

本实施例双腔组合光干涉声传感器探头的降噪机制是：感受外界声波的是第一膜片111，膜片的机械热噪声相对较大，对于常规的光干涉型声传感器结构，只测量膜片中心区域一点，会在输出信号中产生较大的噪声；本实施例中双腔组合光干涉声传感器探头1的传感机制为第一膜片111的整个面积范围的形变均作用到第二膜片112上，相当于对第一膜片111区域内的噪声进行了平均处理，从而在获得高灵敏度的同时减小了检测信号的噪声。尤其是对于次声波，改善效果更显著。

至此对本实施例双腔组合光干涉声传感器探头1结构介绍完毕。以下对包含该双腔组合光干涉声传感器探头1的双腔组合光干涉声传感系统作详细说明。

图2是本发明第一实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图。如图2所示，本实施例双腔组合光干涉声传感系统包括：双腔组合光干涉声传感器探头1、激光光源4和光电探测器5，其中：

激光光源4发出的激光照射至下内表面处，被增反膜121分成透射光束和第一反射光束，该透射光束垂直照射第二膜片112反光面的中心区域，被反光面反射后沿原路返回并透过下内表面增反膜121与第一反射光束重叠为一束，从而产生光干涉信号。传振腔室的第一膜片111感应声信号产生的振动，传递至第二膜片112而引起FP干涉腔的腔长变化，进而引起光干涉信号的变化，该光干涉信号被光电探测器接收并检测。

在本实施例中，还在激光光源4的出射端处设置半透明平面反射镜2作为导光结构，使激光光源4发出的激光穿透半透明平面反射镜2后照射至增反膜121处，以及使该重叠后的光束被其反射并被光电探测器5接收。

作为优选，该双腔组合光干涉声传感系统还包括一膜片保护罩6，膜片保护罩6将第一膜片111罩在内部，膜片保护罩6顶部开设有入声孔61，为被测声音信号提供到达第一膜片111的窗口。

至此，本发明第一实施例双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统介绍完毕。

第二实施例

在本发明的第二个实施例中，提供了一种双腔组合光干涉声传感系统。图3是本发明第二实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图。

如图3所示，本实施例双腔组合光干涉声传感系统的第一实施例类似，区别在于：以光纤环形器3作为导光结构，代替半透明平面反射镜4。

本实施例中，光纤环形器3具有一输入端口、一输出端口和一输入/输出共用端口。激光光源4发出的激光经该输入端口耦合进入光纤环形器3，并从该输入/输出共用端口输出后照射到检振腔室的下内表面，被增反膜121分成透射光束和第一反射光束，透射光束垂直照射第二膜片112反光面的中心区域，被反光面反射后沿原路返回并透过下内表面增反膜121，与第一反射光束重叠从而产生光干涉信号。该重叠光束经该输入/输出共用端口耦合进入光纤环行器3，并从输出端口射出后被光电探测器5接收并检测。

至此本发明第二实施例双腔组合光干涉声传感系统介绍完毕。

第三实施例

在本发明的第三实施例中，提供了一种双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统。图4是本发明第三实施例双腔组合光干涉声传感器探头结构剖视图。

如图4所示，本实施例双腔组合光干涉声传感器探头的结构与第一实施例类似，主要区别在于：检振腔室12的下内表面设置有衍射光栅122，能使入射光在所述下内表面同时发生透射衍射和反射衍射。作为示例，衍射光栅122与第二膜片112的反光面之间的距离小于入射光波长的50倍，形成一温度稳定性好的低精细度FP干涉腔。

在不同的实施例中，衍射光栅122可以是起伏型光栅，也可以是折射率调制型光栅。

作为优选，衍射光栅122的光栅周期小于光源波长的5倍，以在光源波长一定时获得足够大的衍射角度，使返回光电探测器5一侧的第1衍射级与垂直的第0衍射级之间的夹角足够大，可以将适合作为检测信号的高强度第1衍射级干涉光充分分离，被安装在声传感器探头1下方有限距离内的光电探测器5单独接收，获得高信噪比光检测信号，同时保证传感器系统的高集成度与小型化。

在本实施例中，双腔组合光干涉声传感器探头1是MEMS集成结构元件，由分别通过MEMS工艺制作的传振腔室11和检振腔室12通过阳极键合、低温键合、共晶键合或浆料键合等工艺进行组装集成。

在本实施例中，传振腔室11是单层结构，第一膜片111可以是通过MEMS工艺直接制作在传振腔室11腔体结构上的薄膜，也可以是通过在均匀硅基底或玻璃基底上刻蚀传振腔室11空腔获得的与腔体一体化的硅薄膜或玻璃薄膜，也可以是在硅基底或玻璃基底的表面沉积生长金属薄膜、金属氧化物薄膜、多晶硅薄膜、介质薄膜或聚合物薄膜之后刻蚀基底释放获得的异质薄膜，也可以是单独生长的金属薄膜、金属氧化物薄膜、多晶硅薄膜、介质薄膜或聚合物薄膜通过转移和键合固定在刻蚀后的传振腔室11腔体结构上的异质薄膜。

在本实施例中，检振腔室12的腔体为通过部分刻蚀硅基底或玻璃基底获得的单层结构。衍射光栅122位于基底内腔体底部，可以是通过进一步图案化刻蚀腔体底部基底材料获得的同质起伏型光栅，也可以是在腔体底部沉积金属薄膜、金属氧化物薄膜、介质薄膜、多晶硅薄膜或聚合物薄膜并图案化获得的异质起伏型光栅，也可以是通过在腔体底部对基底材料进行图案化掺杂获得的折射率调制型光栅。第二膜片112是单独生长的金属薄膜、金属氧化物薄膜、多晶硅薄膜、介质薄膜或聚合物薄膜通过转移和键合固定在刻蚀后的检振腔室12腔体结构上的异质薄膜。

在其他实施例中，检振腔室12的腔体还可以由两层腔体结构键合得到。第二膜片112是通过MEMS工艺直接制作在检振腔室12上层腔体结构上的薄膜，可以是通过在均匀硅基底或玻璃基底上刻蚀检振腔室12空腔获得的与腔体一体化的硅薄膜或玻璃薄膜，也可以是在基底表面沉积生长金属薄膜、金属氧化物薄膜、多晶硅薄膜、介质薄膜或聚合物薄膜之后刻蚀基底释放获得的异质薄膜，也可以是单独生长的金属薄膜、金属氧化物薄膜、多晶硅薄膜、介质薄膜或聚合物薄膜通过转移和键合固定在刻蚀后的上层腔体结构上的异质薄膜。衍射光栅122直接制作在检振腔室12下层腔体结构的上表面，可以是通过图案化刻蚀基底材料获得的同质起伏型光栅，也可以是在基底表面沉积金属薄膜、金属氧化物薄膜、介质薄膜、多晶硅薄膜或聚合物薄膜并图案化获得的异质起伏型光栅，也可以是通过基底表面进行图案化掺杂获得的折射率调制型光栅，其中下层腔体结构的材料选自玻璃、聚合物和硅等对入射光透明的材料。

作为优选，当第二膜片112自身材质不是金属，或薄膜自身下表面反射性能不佳时，于加工流程中在第二膜片112下表面制作额外的金属反射层或高折射率金属氧化物反射层。

在本实施例中，进一步地，提供了一种双腔组合光干涉声传感系统，图5是本发明第三实施例双腔组合光干涉声传感系统结构示意图。

如图5所示，本实施例双腔组合光干涉声传感系统包括激光光源4和至少一个光电探测器5，其中：

激光光源4发出的激光照射至检振腔室12下内表面的衍射光栅122，产生多束第一透射衍射光和多束第一反射衍射光，其中一束第一透射衍射光垂直照射第二膜片112反光面的中心区域，被反光面反射后沿原路返回到衍射光栅122，产生多束第二透射衍射光，在衍射光栅122的每一个衍射级方向，一束第二透射衍射光分别与一束第一反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，该干涉光受FP干涉腔腔长的调制。其中至少一束重叠光束被光电探测器5接收并检测。

在本实施例中，该反光面与该下内表面可以采用非平行的方式设置，只要所述反射面能将衍射光栅产生的任意一级第一透射衍射光沿原路返回至衍射光栅即可。

至此，本发明第三实施例双腔组合光干涉声传感器探头及其传感系统介绍完毕。

上文已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述，但需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，因此并未进行详细说明。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：

(1)第一实施例中还可漏气口13a设置在传振腔室的侧腔体上；

(2)第一实施例中还可将漏气口13b设置在检振腔室的侧腔体上；

(3)第二实施例中还可将光纤环行器3的输入/输出共用端口垂直安装进入双腔集成结构1的腔体10内，位于增反膜121的下方；

(4)第三实施例中还可以使激光光源4倾斜呈一定角度照射衍射光栅14，然后在适合的角度与位置设置光电探测器5进行接收与检测。

(5)第三实施例中还可以直接通过MEMS工艺在硅基底或玻璃基底上刻蚀传振腔室11和检振腔室12的空腔，然后在对应的位置分别制作衍射光栅122、第二膜片112和第一膜片111。

(6)第三实施例中的衍射光栅除了一维衍射光栅，还可以是二维衍射光栅。

综上所述，本发明提供了一种双腔组合光干涉声传感器探头及传感系统，利用传振腔室感应并传导外界声信号，利用检振腔室调制光检测信号，能够有效增强探头灵敏度，提高探头信噪比，改善探头的温度稳定性和机械稳定性，使探头易于安装和更换，尤其适用于次声波的高灵敏度低噪声探测，并且结构集成度高，实用性强，尤其适用于大规模声监测阵列。

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，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 (10)

1.一种双腔组合光干涉声传感器探头，包括传振腔室和检振腔室，其特征在于：

传振腔室，包括：

第一端口和第二端口，且第一端口的尺寸大于第二端口；

第一膜片，绷紧设置于所述第一端口上；以及

第二膜片，绷紧设置于所述第二端口上，所述第二膜片具有一反光面，朝向所述检振腔室；

检振腔室，与所述传振腔室相邻，并由所述第二膜片与所述传振腔室隔离，所述检振腔室包括下腔体和下内表面，所述下腔体对入射光透明，所述下内表面位于下腔体上，能使从检振腔室外入射的入射光透过下腔体在所述下内表面处同时产生透射光和反射光或同时产生透射衍射光和反射衍射光，所述透射光或透射衍射光被所述反光面的中心区域反射而沿原路返回并透过所述下内表面后，与所述反射光或反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，所述下内表面与所述反光面形成一FP干涉腔；

其中，所述第一膜片通过感应声信号而产生的振动，通过所述传振腔室传递至第二膜片而引起所述FP干涉腔的腔长变化，对所述光干涉信号进行调制。

2.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于：

所述传振腔室的腔体上开设有漏气缝或漏气口，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的所述传振腔室内外的气压差，所述漏气缝或漏气口远离所述检振腔室，所述漏气缝或漏气口的面积不超过第二膜片面积的1/10；

所述检振腔室的腔体上开设有漏气缝或漏气口，用于消除环境温度变化和/或大气压变化所引起的所述检振腔室内外的气压差，所述检振腔室的腔体上开设的漏气缝或漏气口设置于所述传振腔室的外侧并偏离所述下内表面的正对所述第二膜片的中心区域，所述检振腔室的腔体上开设的漏气缝或漏气口的面积不超过第二膜片面积的1/10。

3.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于：

所述下内表面覆盖有增反膜，使得从所述检振腔室外入射的入射光在所述下内表面同时产生透射光和反射光；或者

所述下内表面设置有衍射光栅，使得从所述检振腔室外入射的入射光在所述下内表面同时产生透射衍射光和反射衍射光。

4.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于：

所述第二膜片的反光面与检振腔室的下内表面的距离小于所述入射光波长的50倍；和/或

所述传振腔室的腔体与检振腔室的腔体为机械加工件或MEMS结构元件；和/或

所述传振腔室的腔体与检振腔室的腔体为一体成型、或分别成型后进行固定；和/或

所述传振腔室的腔体为由金属、玻璃、陶瓷、聚合物和硅中的一种或多种材料制成；所述检振腔室的腔体为由玻璃、聚合物和硅中的一种或多种材料制成。

5.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于：

所述第一膜片和第二膜片的厚度分别介于0.1μm至1mm之间；和/或

所述第二膜片的面积不超过第一膜片的1/2；和/或

所述第一膜片和第二膜片分别为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物和硅中的一种材料制成的均匀膜片，或者为由金属、玻璃、聚合物、氧化物、氮化物和硅中的多种材料制备而成的多层膜片或复合材料膜片；和/或

所述第二膜片的抗形变能力小于第一膜片。

6.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于：

所述第一膜片和第二膜片由相同材料制成，并且所述第一膜片的厚度大于第二膜片；或者

所述第一膜片和第二膜片由不同材料制成，并且所述第一膜片的杨氏模量大于第二膜片。

7.根据权利要求1所述的双腔组合光干涉声传感器探头，其特征在于，所述双腔组合光干涉声传感器探头还包括一膜片保护罩，所述膜片保护罩将所述第一膜片罩在内部，所述膜片保护罩顶部开设有入声孔。

8.一种双腔组合光干涉声传感系统，其特征在于，包括：如权利要求1至7任意一项所述的双腔组合光干涉声传感器探头、激光光源、和光电探测器；

其中，激光光源发出的激光作为所述入射光，入射至所述双腔组合光干涉声传感器探头中检振腔室的下内表面处，然后同时产生透射光和反射光或同时产生透射衍射光和反射衍射光，所述透射光或透射衍射光被传振腔室中第二膜片的反光面的中心区域反射而沿原路返回并透过所述下内表面后与所述反射光或反射衍射光重叠从而产生光干涉信号，当所述传振腔室的第一膜片感应声信号产生的振动，传递至所述第二膜片而引起所述FP干涉腔的腔长变化，进而引起所述光干涉信号的变化，所述光干涉信号被光电探测器接收并检测。

9.根据权利要求8所述的双腔组合光干涉声传感系统，其特征在于，所述双腔组合光干涉声传感系统还包括导光结构，设置于所述激光光源的出射端处；所述激光光源发出的激光通过所述导光结构引导后照射至所述下内表面处；所述光干涉信号通过所述导光结构引导后被光电探测器接收。

10.根据权利要求9所述的双腔组合光干涉声传感系统，其特征在于，所述导光结构为半透明平面反射镜或光纤环形器。

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