CN109708675B - 一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器 - Google Patents
一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器，包括SMS光纤传感器、条带及赫姆霍兹谐振器；本申请中在SMS光纤传感器的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部，这样可以将传感器结构的自成像点调整为多模光纤和单模光纤间的连接点，提高SMS传感器的灵敏度；本申请中将SMS光纤传感器固定于条带中，避免SMS光纤传感器受到损坏；且条带呈机械梁结构，易于对振动作出反应；本申请中的赫姆霍兹谐振器由大圆柱腔体和小圆柱腔体构成，这样结构的赫姆霍兹谐振器具有较大声压的曲面，SMS光纤传感器被封装放置于具有较大声压的曲面中，可以激发SMS光纤传感器呈现更显著的声学振动，使SMS光纤传感器呈现出更高的灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器。
背景技术
光纤传感器在长距离传输中有着信号损耗低、抗电磁干扰、稳定性高及抗化学腐蚀等优点，近年来，光纤传感器以其灵敏度高、频率响应广等优点在振动传感领域受到越来越多的关注，尤其是SMS(单模-多模-单模)光纤传感器，SMS光纤传感器由两个单模光纤和一个多模光纤组成。
为了避免光纤传感器在实际应用中可能遭受的损伤，往往对光纤传感器进行封装，对于光纤传感器的封装，赫姆霍兹谐振器是一种高效的结构，将赫姆霍兹谐振器用于SMS光纤传感器时，当单模光纤的光传播到多模光纤时，会出现一系列本征模态，激发了这些本征模态之间的干扰；多模光纤中透射光的强度沿光纤周期性变化，其中局部最大强度的位置是自成像点；当多模光纤中的光传播至单模光纤时，若单模光纤与多模光纤在自成像点处连接，可以获得最大的耦合效率，提高SMS传感器的灵敏度。
然而，在SMS光纤结构中，单模光纤与多模光纤连接时，难以确保精确地将二者连接至一起，因此存在一定的偏离自成像点的情况，从而大大降低了光耦合效率，导致光纤传感器的灵敏度急剧下降。
发明内容
本申请提供了一种基于赫姆霍兹的光线传感器，以将单模光纤和多模光纤精确连接以提高光纤传感器的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器，包括SMS光纤传感器、条带及赫姆霍兹谐振器，其中：
所述条带用于胶粘固定所述SMS光纤传感器；
所述赫姆霍兹谐振器用于封装胶粘有所述SMS光纤传感器的条带；
所述SMS光纤传感器包括多模光纤和单模光纤，所述多模光纤的两端分别电弧熔连接有一根单模光纤；
所述SMS光纤传感器的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部，所述颈部的外径为120-125μm；
所述条带的中间挖设有一凹槽，所述凹槽设为U形，所述凹槽的两端分别连接有沟槽，所述凹槽和所述沟槽均沿所述条带的轴线挖设；
所述赫姆霍兹谐振器包括大圆柱腔体和小圆柱腔体，所述大圆柱腔体的一端面中部开设有一圆孔，所述圆孔的直径与所述小圆柱腔体的外径一致，所述大圆柱腔体与所述小圆柱腔体通过所述圆孔焊接连接；
沿所述大圆柱腔体的径向于外表面对称开设有两个矩形孔，所述矩形孔的宽度与所述条带的厚度一致；
所述矩形孔用于将胶粘有所述SMS光纤传感器的条带穿设固定于所述赫姆霍兹谐振器上。
优选地，所述多模光纤的型号设为MM-S-105-22A或MM-S-105-22A，所述单模光纤的型号设为SMF-2E；
所述多模光纤的长度设为20mm，所述多模光纤设为去除包层的多模光纤。
优选地，所述大圆柱腔体和所述小圆柱腔体依次设为铝质大圆柱腔体和铝质小圆柱腔体；
所述大圆柱腔体的外径为33mm，高度为100mm，厚度为1mm；
所述小圆柱腔体的外径为9.3mm，高度为25mm，厚度为1mm；
所述圆孔的直径为9.3mm。
优选地，所述条带的长度为100mm，宽度为3mm，厚度为2mm；
所述凹槽的长度为30mm，宽度为3mm，深度为1mm；
所述沟槽的长度为35mm，宽度为130μm、厚度为130μm。
优选地，所述矩形孔的长度为3mm，宽度为2mm；
所述大圆柱腔体与所述小圆柱腔体相接触的端面至所述矩形孔的垂直距离为61.5mm。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
(1)本申请中SMS光纤传感器包括多模光纤和单模光纤，多模光纤的两端分别电弧熔连接有一根单模光纤，为避免单模光纤和多模光纤之间精确连接的要求，本申请中在SMS光纤传感器的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部，颈部内部的多模干涉效应更易受外界环境参数的影响，同时改变传感器结构的透射谱，这样可以将传感器结构的自成像点调整为多模光纤和单模光纤间的连接点，此时避免出现偏离自成像点的情况，且可获得最大的耦合效率，提高SMS传感器的灵敏度。
(2)本申请中将SMS光纤传感器固定于条带中，避免SMS光纤传感器受到损坏，起到保护SMS光纤传感器的作用；且条带呈机械梁结构，易于对赫姆霍兹谐振器产生的振动作出反应。
(3)本申请中将固定有SMS光纤传感器的条带一同封装于赫姆霍兹谐振器中，形成振动系统；由于圆柱形腔体对光纤具有很好的适应性，本申请中的赫姆霍兹谐振器由大圆柱腔体和小圆柱腔体构成，这样结构的赫姆霍兹谐振器具有较大声压的曲面，SMS光纤传感器被封装放置于具有较大声压的曲面中，可以激发SMS光纤传感器呈现更显著的声学振动，使SMS光纤传感器呈现出更高的灵敏度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器的结构示意图；
图2为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的SMS光纤传感器的结构示意图；
图3为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的条带的结构示意图；
图4为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的赫姆霍兹谐振器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的SMS光纤传感器与条带的安装结构示意图；
图6为本发明实施例提供的基于SMS光纤传感器的振动传感系统结构示意图；
图7为本发明实施例提供的无封装结构的SMS光纤传感器的声频响应曲线；
图8为本发明实施例提供的基于赫姆霍兹谐振器封装的SMS光纤传感器的声频响应曲线。
附图标记说明：1-SMS光纤传感器，11-多模光纤，12-单模光纤，13-颈部，2-条带，21-凹槽，22-沟槽，3-赫姆霍兹谐振器，31-大圆柱腔体，32-小圆柱腔体，4圆孔，5-矩形孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器，包括SMS光纤传感器1、条带2及赫姆霍兹谐振器3，具体结构参考图1，图1为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器的结构示意图；其中：
所述条带2用于胶粘固定所述SMS光纤传感器1，具体的可参考图5，图5为本发明实施例提供的SMS光纤传感器与条带的安装结构示意图。
所述赫姆霍兹谐振器3用于封装胶粘有所述SMS光纤传感器1的条带2；亥姆霍兹谐振器在理论上相当于振动系统。当声波波长很大时腔内的空气比亥姆霍兹谐振器的每个尺寸都长，随着孔附近的空气振动，形成振动系统，谐振腔的共振频率表达式为：
其中c为声速，V为谐振器的体积，li(i＝1,2,3...)是孔洞的长度，si(i＝1,2,3...)为孔径的面积。
SMS光纤传感器1的结构可参考图2，图2为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的SMS光纤传感器的结构示意图；所述SMS光纤传感器1包括多模光纤11和单模光纤12，所述多模光纤11的两端分别电弧熔连接有一根单模光纤12；所述SMS光纤传感器1的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部13，所述颈部13的外径为120-125μm；即多模光纤11的两端分别连接一根单模光纤12，为避免单模光纤和多模光纤之间精确连接的要求，本申请中在SMS光纤传感器1的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部13，颈部13内部的多模干涉效应更易受外界环境参数的影响，同时改变传感器结构的透射谱，这样可以将传感器结构的自成像点调整为多模光纤11和单模光纤12间的连接点，此时避免出现偏离自成像点的情况，且可获得最大的耦合效率，提高SMS传感器的灵敏度。
条带2的结构可参考图3，图3为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的条带的结构示意图；所述条带2的中间挖设有一凹槽21，所述凹槽21设为U形，所述凹槽21的两端分别连接有沟槽22，所述凹槽21和所述沟槽22均沿所述条带2的轴线挖设；凹槽21的两端分别连接有沟槽22，这样条带2形成机械梁结构，SMS光纤传感器1固定于机械梁上易于对赫姆霍兹谐振器产生的振动作出反应；且条带2可避免SMS光纤传感器1受到损坏，起到保护SMS光纤传感器1的作用。
赫姆霍兹谐振器3的结构可参考图4，图4为本申请提供的一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器中的赫姆霍兹谐振器的结构示意图；所述赫姆霍兹谐振器3包括大圆柱腔体31和小圆柱腔体32，所述大圆柱腔体31的一端面中部开设有一圆孔4，所述圆孔4的直径与所述小圆柱腔体32的外径一致，所述大圆柱腔体31与所述小圆柱腔体32通过所述圆孔4焊接连接；本申请中将固定有SMS光纤传感器1的条带2一同封装于赫姆霍兹谐振器3中，形成振动系统；由于圆柱形腔体对光纤具有很好的适应性，本申请中的赫姆霍兹谐振器3由大圆柱腔体31和小圆柱腔体32构成，这样结构的赫姆霍兹谐振器3具有较大声压的曲面，SMS光纤传感器1被封装放置于具有较大声压的曲面中，可以激发SMS光纤传感器1呈现更显著的声学振动，使SMS光纤传感器1呈现出更高的灵敏度。
沿所述大圆柱腔体31的径向于外表面对称开设有两个矩形孔5，所述矩形孔5的宽度与所述条带2的厚度一致；所述矩形孔5用于将胶粘有所述SMS光纤传感器1的条带2穿设固定于所述赫姆霍兹谐振器3上，具体地，所述矩形孔5的长度为3mm，宽度为2mm；所述大圆柱腔体31与所述小圆柱腔体32相接触的端面至所述矩形孔5的垂直距离为61.5mm。即条带2依次穿过两个矩形孔5，固定于大圆柱腔体31上。
进一步地，所述多模光纤11的型号设为MM-S-105-22A或MM-S-105-22A，所述单模光纤12的型号设为SMF-2E；所述多模光纤11的长度设为20mm，所述多模光纤11设为去除包层的多模光纤。
具体地，所述大圆柱腔体31和所述小圆柱腔体32依次设为铝质大圆柱腔体和铝质小圆柱腔体；所述大圆柱腔体31的外径为33mm，高度为100mm，厚度为1mm；所述小圆柱腔体32的外径为9.3mm，高度为25mm，厚度为1mm；所述圆孔4的直径为9.3mm；本申请中将大圆柱腔体31和小圆柱腔体32设计为铝质的可以使圆柱腔体更好地传播赫姆霍兹谐振器3产生的振动；本申请中的大圆柱腔体31和小圆柱腔体32都是中空的，且腔体的厚度均为1mm，厚度较小，同样可以更好地传播赫姆霍兹谐振器3产生的振动；圆孔4的直径与小圆柱腔体32的外径大小一样，这样小圆柱腔体32正好与圆孔4匹配，振动由大圆柱腔体31经圆孔4无损耗地由小圆柱腔体32输出。
具体地，所述条带2的长度为100mm，宽度为3mm，厚度为2mm；所述凹槽21的长度为30mm，宽度为3mm，深度为1mm；所述沟槽22的长度为35mm，宽度为130μm、厚度为130μm。此处的沟槽22的长度、宽度及厚度数值为凹槽21两侧分别的连接的沟槽22的尺寸规格值，即凹槽21的长度值加上两倍的此处沟槽22的长度值的之和为条带2的总长度。
为了更好地说明本发明实现的效果，下面结合实例进一步阐述基于亥姆霍兹谐振器封装的SMS光纤振动传感器的性能改进。
基于SMS结构的振动传感系统示意图如图6所示。一个电扬声器被放置在离SMS结构3m远的地方，该电扬声器用作声源以产生65dBA的单频声音。使用波长为1550nm的光源，其发射功率为4.5mW的激光器。通过SMS结构的透射光由光电二极管检测器检测，光电二极管检测器将光强度转换为可由数据采集卡熟悉的电压信号。数据采集卡与记录实验数据的个人计算机相连。在20Hz到1000Hz的不同单频下，以10Hz的间隔检测振幅响应。
首先对固定在条带上的SMS光纤进行测试，声频响应曲线如图7所示。可以看出，在这种情况下有两个响应峰，分别位于120Hz和300Hz。其中最大振幅发生在120Hz处，强度为115.3。然后将带状SMS光纤插入亥姆霍兹谐振器中进行测试，其声频响应曲线如图8所示。由图所示，在这种情况下有10个响应峰，其中最大振幅出现在120Hz处，强度为243.8，相比未封装状态增加了2.11倍。因此，由亥姆霍兹谐振器封装的传感器具有更高的灵敏度和响应范围。
此外，对比商用麦克风(OV-M369)的声频相应，将麦克风放置在相同的条件下，测量其频率响应特性。实验发现，麦克风的频率响应范围为20-500Hz，超出500Hz的范围内频率响应幅度很小。响应的最大值为69.2，对应的频率为220Hz。这低于基于组合亥姆霍兹谐振器封装的SMS光纤振动传感器的频率响应。基于此，本发明提出的振动传感系统更优。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
Claims (5)
1.一种基于赫姆霍兹谐振器的光纤传感器，其特征在于，包括SMS光纤传感器（1）、条带（2）及赫姆霍兹谐振器（3），其中：
所述条带（2）用于胶粘固定所述SMS光纤传感器（1）；
所述赫姆霍兹谐振器（3）用于封装胶粘有所述SMS光纤传感器（1）的条带（2）；
所述SMS光纤传感器（1）包括多模光纤（11）和单模光纤（12），所述多模光纤（11）的两端分别电弧熔连接有一根单模光纤（12）；
所述SMS光纤传感器（1）的中间通过氢氟酸蚀刻形成颈部（13），所述颈部（13）的外径为120-125μm；
所述条带（2）的中间挖设有一凹槽（21），所述凹槽（21）设为U形，所述凹槽（21）的两端分别连接有沟槽（22），所述凹槽（21）和所述沟槽（22）均沿所述条带（2）的轴线挖设；
所述赫姆霍兹谐振器（3）包括大圆柱腔体（31）和小圆柱腔体（32），所述大圆柱腔体（31）的一端面中部开设有一圆孔（4），所述圆孔（4）的直径与所述小圆柱腔体（32）的外径一致，所述大圆柱腔体（31）与所述小圆柱腔体（32）通过所述圆孔（4）焊接连接；
沿所述大圆柱腔体（31）的径向于外表面对称开设有两个矩形孔（5），所述矩形孔（5）的宽度与所述条带（2）的厚度一致；
所述矩形孔（5）用于将胶粘有所述SMS光纤传感器（1）的条带（2）穿设固定于所述赫姆霍兹谐振器（3）上。
2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述多模光纤（11）的型号设为MM-S-105-22A或MM-S-105-22A，所述单模光纤（12）的型号设为SMF-2E；
所述多模光纤（11）的长度设为20 mm，所述多模光纤（11）设为去除包层的多模光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述大圆柱腔体（31）和所述小圆柱腔体（32）依次设为铝质大圆柱腔体和铝质小圆柱腔体；
所述大圆柱腔体（31）的外径为33mm，高度为100mm，厚度为1mm；
所述小圆柱腔体（32）的外径为9.3mm，高度为25mm，厚度为1mm；
所述圆孔（4）的直径为9.3mm。
4.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述条带（2）的长度为100mm，宽度为3mm，厚度为2mm；
所述凹槽（21）的长度为30mm，宽度为3mm，深度为1mm；
所述沟槽（22）的长度为35mm，宽度为130μm、厚度为130μm。
5.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述矩形孔（5）的长度为3mm，宽度为2mm；
所述大圆柱腔体（31）与所述小圆柱腔体（32）相接触的端面至所述矩形孔（5）的垂直距离为61.5mm。
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