CN110823359B - 一种低温光纤声音传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温光纤声音传感系统，包括：光纤声音传感探头，包含感声结构、测温光学结构及传光光纤；光纤分路单元，用于不同波长光在光纤中合束与分束；光学测温模块，用于测量所述光纤声音传感探头内温度，采用第一波长光；光学加热模块，用于加热所述光纤声音传感探头，采用第二波长光；光学测声模块，用于将所述光纤声音传感探头返回的光变化信号还原为声音信息，采用第三波长光。解决传统电学声音传感器因自身电子元器件不能满足低温使用需求，进而导致传感器在低温下不能正常工作的问题。

Description

一种低温光纤声音传感系统

技术领域

本发明涉及声音测量技术领域，尤其涉及一种低温光纤声音传感系统。

背景技术

声音传感器是一种用于拾取或测量声音的常用仪表。低温声音传感器在低温储室声监听、低温液罐声监测及太空声探测等场景具有重要应用。

受通用电子元器件低温耐受能力限制，传统的电容式、压电式、压阻式电学声音传感器的低温使用温度通常不超过-70℃，在更低温环境无法继续使用。光纤声音传感探头本身仅包含光纤器件及简单的机械结构，无需供电，也不用考虑材料电学性能，可以用于低温声探测。与电缆相比，光纤传输损耗低，数公里内光传输信号变化极小。因此，苛刻环境应用时通常将光纤传感探头放置于待测环境中，而将光纤解调仪放置于相对温和的环境中，二者之间采用光缆相连接。

对于光纤声音传感器而言，温度变化时感声结构就会因其自身应力或其支撑结构内应力作用出现绷紧或收缩现象，造成传感器声音灵敏度漂移。温度变化不大时，温区内结构材料热胀系数基本呈线性，通过一些手段仍能使传感器准确获得声音灵敏度。通过在测压传感器中预埋温度传感器，进而通过温度敏感系数和压力敏感系数两个值进行求解计算获得准确压力值；通过采用低热胀系数结构和高热胀系数结构进行匹配设计进而实现结构内应力应变抵消。但是，探头温度低于-70℃以后，较多声敏结构材料及其支撑结构材料的热胀系数不再呈线性关系，因此温度补偿的手段无法解决现有声音传感器低温下灵敏度漂移问题。唯一解决途径是为声音传感器提供一个控温环境，使之一直处于适宜工作温度下。电致控温通常结构复杂，需要电缆，不适合为光纤声音传感探头提供控温。

现有电学声音传感器因自身电子元器件不能满足低温使用需求，进而导致传感器在低温下不能正常工作；另一方面，现有光纤声音传感器在低温区存在结构热胀系数非线性，因此不能采用温度补偿的方法实现声音准确测量。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，本发明提供了一种低温光纤声音传感系统，解决传统电学声音传感器因自身电子元器件不能满足低温使用需求，进而导致传感器在低温下不能正常工作的问题，及现有光纤声音传感器在低温区存在结构热胀系数非线性进而不能采用温度补偿的方法准确测量声音的问题。

本发明的技术解决方案为：一种低温光纤声音传感系统，包括：光纤声音传感探头1、光纤分路单元2、光学测温模块3、光学加热模块4及光学测声模块5。

光纤声音传感探头1，包含感声结构、测温光学结构；

其中，所述光纤声音传感探头1置于低温声环境零下70摄氏度以下中开展测试，所述光学测温模块3实时出射第一波长光经过所述光纤分路单元2进入所述光纤声音传感探头1中的测温光学结构，经测温光学结构调制后反射形成反射光，再次通过所述光纤分路单元2回到所述光学测温模块3，根据反射光携带的信息，获得所述光纤声音传感探头1内当前温度，实现对光纤声音传感探头1的温度实时监测；

所述光学加热模块4出射高功率第二波长光经过所述光纤分路单元2进入所述光纤声音传感探头1的感声结构中，通过照射感声结构发生漫反射引起所述光纤声音传感探头1温度升高；

所述光学测温模块3实时监测光纤声音传感探头1的温度变化，当光纤声音传感探头1的温度到达设定的理想工作温度点附近，根据光纤声音传感探头1的实时温度，控制所述光学加热模块4出射功率，使光纤声音传感探头1内温度限定在理想工作温区内；

在光纤声音传感探头1内温度在理想工作温区内后，所述光学测声模块5出射第三波长光经过所述光纤分路单元2进入所述光纤声音传感探头1中的感声结构，经感声结构调制后反射形成的反射光再次通过所述光纤分路单元2回到所述光学测声模块5，根据反射光携带的信号，准确获得所述光纤声音传感探头1所处环境声音信息。

优选的，所述光纤声音传感探头1所包含的感声结构，为悬空膜片或弹性体；所包含的测温光学结构，为光纤光栅、光纤Fabry-Perot干涉腔、光纤激光器或热致荧光光纤。

优选的，所述光纤分路单元2包括光纤耦合器和设定波长的光纤隔离器。

优选的，所述光学测温模块3，可以包含光源，光探测器，数据采集、处理与发送电路，用于测温的光学信息分析方法可以为光波长分析法、光强度分析法或光学傅里叶变换分析法。

优选的，所述光学加热模块4，包含光源、数据采集、处理与发送电路、电流控制电路。

优选的，所述光学测声模块5，包含光源、光探测器、数据采集与处理电路，用于测声的光学信息分析方法为光波长分析法、光强度分析法或光相位分析法。

优选的，所述光学测温模块3和所述光学加热模块4共用同一个光源。

优选的，所述光学测温模块3和所述光学测声模块5共用一套光源、光探测器及数据采集与处理电路。

优选的，所述光学测温模块3与所述光学加热模块4进行双向数据通信，所述光学测温模块3向光学测声模块5进行单向数据发送通信。

优选的，光纤分路单元2，用于不同波长光在光纤中合束与分束；

优选的，光学测温模块3，采用第一波长光测量所述光纤声音传感探头1内温度。

优选的，光学加热模块4，采用第二波长光加热所述光纤声音传感探头1。

优选的，光学测声模块5，采用第三波长光将所述光纤声音传感探头1返回的光变化信号还原为声音信息。

优选的，光纤声音传感探头1置于低温声环境中开展测试，其中低温声环境为零下70摄氏度以下。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

(1)本发明通过光致发热及光法测温结合将光纤声音传感探头整体温度控制在适宜工作区，进而解决低温下声音传感器无法准确测量的问题；

(2)本发明所述低温光纤声音传感系统各光学功能模块间所采用的光依据波分原理互相隔离，在应用时，仅通过一根光纤线缆将光纤声音传感探头引至待测区域即可，应用非常方便；

(3)本发明采用全光方式，测量端未采用任何电阻、电容等电学元件，耐电磁干扰、腐蚀等恶劣环境能力强，适合于苛刻低温环境长期连续观测使用。

附图说明

图1为根据本发明实施例低温光纤声音传感系统的组成示意图；

图2为图1所示低温光纤声音传感系统中光纤声音传感探头示意图；

图3为图1所示低温光纤声音传感系统中光纤分路单元示意图；

图4A为感声结构为悬空膜片、测温光学结构为光纤光栅时的光纤声音传感探头示意图；

图4B为图2所示感声结构为弹性体、测温光学结构为光纤激光器时的光纤声音传感探头示意图；

具体实施方式

本发明提供了一种低温光纤声音传感系统，包括：光纤声音传感探头，包含感声结构、测温光学结构及传光光纤；光纤分路单元，用于不同波长光在光纤中合束与分束；光学测温模块，用于测量所述光纤声音传感探头内温度，采用第一波长光；光学加热模块，用于加热所述光纤声音传感探头，采用第二波长光；光学测声模块，用于将所述光纤声音传感探头返回的光变化信号还原为声音信息，采用第三波长光。其中，所述光纤声音传感探头置于低温声环境中开展测试，所述光学测温模块出射第一波长光经过所述光纤分路单元进入所述光纤声音传感探头中的测温光学结构，反射光经过测温光学结构调制再次通过所述光纤分路单元回到所述光学测温模块，根据反馈光信息获得所述光纤声音传感探头内温度；所述光学加热模块出射高功率第二波长光经过所述光纤分路单元进入所述光纤声音传感探头中，通过照射所述感声结构及漫反射引起所述光纤声音传感探头温度升高；所述光学测温模块实时监测该温度变化过程至理想工作温度点附近，通过伺服反馈控制所述光学加热模块出射功率大小将所述光纤声音传感探头内温度限定在理想工作温区内；所述光学测声模块出射第三波长光经过所述光纤分路单元进入所述光纤声音传感探头中的感声结构，反射光经过感声结构调制再次通过所述光纤分路单元回到所述光学测声模块，根据反馈光信号准确获得所述光纤声音传感探头所处环境声音信息。

图1、图2、图3、图4A、图4B中涉及的标号，具体为

1光纤声音传感探头；11-感声结构；111-悬空膜片；112-弹性体；12-测温光学结构；121-光纤光栅；122-光纤激光器；13-传光光纤；14-支撑结构；

2-光纤分路单元；21-光纤耦合器；211-1550nm光纤耦合器；212-1310nm光纤耦合器；213-全波长光纤耦合器；22-光纤隔离器；221-1550nm光纤隔离器；222-1310nm隔离器；223-全波长光纤耦合器；

3-光学测温模块；31-光源；32-光探测器；33-数据采集、处理与发送电路；

4-光学加热模块；41-光源；42-数据采集、处理与发送电路；43-电流控制电路；

5-光学测声模块。51-光源；52-光探测器；53-数据采集与处理电路。

图4A为图2所示感声结构为悬空膜片、测温光学结构为光纤光栅的光纤声音传感探头示意图；悬空膜片感受到声音时会产生挠曲变形，传输光照射在悬空膜片上会产生反射，挠曲变形使得反射光信号变化；光纤光栅是一种对温度敏感的光波长筛选反射器件，特定温度仅能筛选反射出特定的光波长，通过测量反射光波长能够获得光纤声音传感探头的温度。

图4B为图2所示感声结构为弹性体、测温光学结构为光纤激光器的光纤声音传感探头示意图；弹性体感受到声音时会产生体变形，传输光照射在弹性体上会产生反射，体变形使得反射光信号变化；光纤激光器是一种对温度敏感的受泵浦光激发产生特定波长激光的器件，特定温度仅能激射出特定的光波长，通过测量激射光波长能够获得光纤声音传感探头的温度，激光波长线宽非常窄，因此采用光纤激光器作测温光学结构能够获得更高的温度测量分辨率。

光纤声音传感探头1，包含感声结构、测温光学结构、传光光纤及支撑结构；支撑结构，呈杯状，杯底开通孔；感声结构，具有光反射面，感受到声音时会产生变形，设置在支撑结构杯口位置并与之连接；传光光纤，具有光传输功能，穿过支撑结构杯底通孔并于通孔处固定，由支撑结构外进入通孔方向的光称为入射光，由支撑结构内出通孔方向的光称为反射光；测温光学结构，为外型与光纤相同的光纤温度敏感器件，位于支撑结构内，具有两个端面，一个端面非接触面向感声结构光反射面，另一端面与传光光纤端面无缝连接。

根据反射光携带的信息，获得所述光纤声音传感探头1内温度；测温光学结构是一种对温度敏感的光反射器件，预先设定的特定温度仅能对应设定的特定的反射光信号，通过测量反射光信号能够获得光纤声音传感探头1的温度。

根据光纤声音传感探头1的实时温度，控制所述光学加热模块4出射功率，具体为：光纤声音传感探头处于-70℃低温声环境中，光纤声音传感探头理想工作温度点为20℃，光学加热模块4通过光加热使光纤声音传感探头升温，逼近理想工作温度点20℃，待光纤声音传感探头温度达到15℃～25℃区间时视作达到测声工作状态，控制光学加热模块4出射光功率，使得光纤声音传感探头所受加热升温作用与低温环境引起的降温作用构成热平衡，光纤声音传感探头维持在15℃～25℃温度区间内工作。

光纤分路单元2包括光纤耦合器和设定波长的光纤隔离器，光纤耦合器用于光的分路与合路；光纤隔离器仅允许特定波长的光单向通过，一个用途是防止光源出射的大功率光遇到反射面返回将光源烧毁，另一个用途是对从光纤声音传感探头反射回来的多波长混合光进行筛选，使得各模块探测器仅探测与自己光源光波长相同的光。

光学测温模块3，可以包含光源，光探测器，数据采集、处理与发送电路；光源31发出的光通过光纤分路单元2进入光纤声音传感探头1，遇到测温光学结构12产生反射光，反射光再次通过光纤分路单元2进入光探测器32，光探测器32将光信号转化为电信号，数据采集、处理与发送电路33将电信号处理成温度数据，并实时发送给光加热模块4。

光学加热模块4，可以包含光源、数据采集、处理与发送电路、电流控制电路。光源41需要电流输入才能发光，光源41出光功率大小与输入电流大小呈正相关关系；电流控制电路43与光源41相连，控制光源41的输入电流；数据采集、处理与发送电路42实时采集光学测温模块3发送的温度数据，通过温度数据判读计算出此时电流控制电路43应当提供的电流数值，并发送给电流控制电路予以实施，使光源41产生设定功率的出光。优选方案为：当温度数据5s内始终保持在15℃～25℃区间时，数据采集、处理与发送电路42发送“已达到温控平衡”指令代码数据给光学测温模块3。

所述光学测温模块3与所述光学加热模块4进行双向数据通信，光学测温模块3向光学加热模块4实时发送光纤声音传感探头1温度数据，光学加热模块4向光学测温模块3发送“已达到温控平衡”指令代码数据，所述光学测温模块3向光学测声模块5进行单向数据发送通信。光学测温模块3向光学测声模块5发送“开始测试”指令代码数据

所述光学测温模块3和所述光学测声模块5可以共用一套光源、光探测器及数据采集与处理电路，光学测温模块3和光学测声模块5优选共用同一中心波长为1550nm带宽为80nm的宽带光源，同一80nm宽光谱探测器，及同一数据采集与处理电路，通过光谱分析法能够同时实现温度和声音的测量。对于如图4A的光纤声音传感探头1实施例，测温光学结构12为光纤光栅121，反射光谱为线宽优选小于0.1nm的窄带光谱，光谱形状类脉冲；感声结构11与测温光学结构12端面构成Fabry-Perot干涉，优选为周期大于5nm跨度80nm的宽光谱信号，光谱形状类正弦；所述反射窄带光谱与宽光谱虽有重叠，但是与通过光谱形状特征差异能够分别，进而实现光学测温模块3和所述光学测声模块5共用一套光源、光探测器及数据采集与处理电路的情况下同时完成温度和声音的测量。

设定的理想工作温度点优选为20摄氏度，理想工作温度点附近为理想工作温度点的正负5度内。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合优选方案作为实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种低温光纤声音传感系统。图1为根据本发明实施例低温光纤声音传感系统的组成示意图。

如图1所示，本发明实施例低温光纤声音传感系统包括：光纤声音传感探头1、光纤分路单元2、光学测温模块3、光学加热模块4及光学测声模块5。

如图2所示，光纤声音传感探头1包括感声结构11、测温光学结构12、传光光纤13及支撑结构14。

如图3所示，光纤分路单元2由1550nm光纤耦合器211、1550nm光纤隔离器221，980nm光纤隔离器222，1310nm光纤耦合器212、1310nm光纤隔离器223，及全波长光纤耦合器213组成。光纤耦合器用于光的分路与合路；光纤隔离器仅允许光单向通过，是防止各模块光源出射的大功率光遇到反射结构将光返回，进而将光源烧毁。

本发明的进一步优选方案为：光学测温模块3包含光源31，光探测器32，数据采集、处理与发送电路33。光源31优选为中心波长1550nm线宽优选为80nm的宽带光源，也可以为线宽优选小于1pm的窄带光源。光源发出的光通过光纤分路单元2进入光纤声音传感探头1，遇到测温光学结构12产生反射光，反射光再次通过光纤分路单元2进入光探测器，光探测器将光信号转化为电信号，数据采集、处理与发送电路将电信号处理成温度数据，并实时发送给光加热模块4。用于测温的光学信息分析方法可以为光波长分析法、光强度分析法或光学傅里叶变换分析法；

光学加热模块4包含光源41、数据采集、处理与发送电路42、电流控制电路43。光源41优选为中心波长980nm可调功率大于100mW的光源。

光学测声模块5，可以包含光源51、光探测器52、数据采集与处理电路53。光源51优选为中心波长1310nm的宽带光源，也可以为1310nm的窄线宽光源。用于测声的光学信息分析方法可以为光波长分析法、光强度分析法或光相位分析法。

如图1所示，光学测温模块3与光学加热模块4进行双向RS422数据通信，光学测温模块3向光学测声模块5进行单向RS232数据发送通信。

如图4A所示为光纤声音传感探头1的进一步的优选方案为，感声结构11为悬空膜片111、测温光学结构12为光纤光栅121。此时，低温光纤声音传感系统的优选工作方式为：光纤声音传感探头1置于-70℃低温声环境中开展测试，优选方案为：光学测温模块3出射1550nm光经过1550nm光纤耦合器211进入光纤声音传感探头1中，反射光经过光纤光栅121调制再次通过1550nm光纤隔离器221回到光学测温模块3，根据反馈光信息获得光纤声音传感探头1内温度；光学加热模块4出射高功率980nm光经过980nm光纤隔离器222进入光纤声音传感探头1中，通过照射感声结构11及漫反射引起光纤声音传感探头1温度升高；光学测温模块3实时监测光纤声音传感探头1温度变化过程直至其升温至理想工作温度点20℃，通过控制光学加热模块4出射光功率大小，使得光纤声音传感探头1所受加热升温作用与低温环境引起的降温作用构成热平衡，并将光纤声音传感探头1内温度限定在15℃～25℃内；光学测声模块5出射1310nm窄线宽激光经过1310nm光纤耦合器212进入光纤声音传感探头1中的感声结构11悬空膜片111，反射光经过感声结构11光强度调制再次通过光纤分路单元2回到光学测声模块5，根据反馈光信号光强度信息准确获得光纤声音传感探头1所处环境声音信息。

本发明优选方案为：提供一个光学测温模块3和光学测声模块5共用一套光源、光探测器及数据采集与处理电路的实施例。光学测温模块3和光学测声模块5共用同一中心波长优选为1550nm带宽优选为80nm的宽带光源，同一80nm宽光谱探测器，及同一数据采集与处理电路，通过光谱分析法能够同时实现温度和声音的测量。对于如图4A的光纤声音传感探头1实施例，测温光学结构12为光纤光栅121，反射光谱为线宽小于0.1nm的窄带光谱，光谱形状类脉冲；感声结构11与测温光学结构12端面构成Fabry-Perot干涉，为周期大于5nm跨度80nm的宽光谱信号，光谱形状类正弦；所述反射窄带光谱与宽光谱虽有重叠，但是与通过光谱形状特征差异能够分别，进而实现光学测温模块3和所述光学测声模块5共用一套光源、光探测器及数据采集与处理电路的情况下同时完成温度和声音的测量。

如图4B所示为光纤声音传感探头1的另一个进一步的优选方案，感声结构11为弹性体112、测温光学结构12为光纤激光器122。其工作原理为：光纤声音传感探头1置于-70℃低温声环境中开展测试，光学测温模块3出射980nm光经过1550nm光纤耦合器211进入光纤声音传感探头1中，980nm光作为泵浦光经过光纤激光器122受激产生1550nm波段的激光，1550nm波段的激光再次通过1550nm光纤隔离器221回到光学测温模块3，根据反馈1550nm波段激光光信息获得光纤声音传感探头1内温度；光学加热模块4共用光学测温模块3980nm光，经过980nm光纤隔离器222进入光纤声音传感探头1中，通过照射感声结构11弹性体112及漫反射引起光纤声音传感探头1温度升高；光学测温模块3实时监测该温度变化过程至理想工作温度点20℃附近，通过伺服反馈控制光学加热模块4出射功率大小将光纤声音传感探头1内温度限定在理想工作温区15℃～25℃内；光学测声模块5出射中心波长1310nm线宽40nm宽带光经过1310nm光纤耦合器212进入光纤声音传感探头1中的感声结构11，反射光经过感声结构11波长调制再次通过光纤分路单元2回到光学测声模块5，根据反馈光信号光波长谱准确获得光纤声音传感探头1所处环境声音信息。该方法能够实现光纤声音传感探头在-70℃低温声环境中声压灵敏度测量误差小于0.5dB。

本发明进一步的优选方案为：设光学测温模块3测温误差为t1％F.S.，光学加热模块4的控温误差为c1％F.S.，光学测声模块5理想温度点声压灵敏度测量误差为a1 dB，满足{1+[(1+t1)×(1+c1)-(1-t1)×(1-c1)]}×a1<0.5约束条件，可进一步使声压灵敏度实际测量误差控制在0.5dB以内。

以上所述的优选方案，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，所应理解的是，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 (7)

1.一种低温光纤声音传感系统，其特征在于包括：光纤声音传感探头(1)、光纤分路单元(2)、光学测温模块(3)、光学加热模块(4)及光学测声模块(5)；

光纤声音传感探头(1)，包括：感声结构、测温光学结构；

其中，所述光纤声音传感探头(1)置于低温声环境中开展测试，所述光学测温模块(3)实时出射第一波长光经过所述光纤分路单元(2)进入所述光纤声音传感探头(1)中的测温光学结构，经测温光学结构调制后反射形成反射光，再次通过所述光纤分路单元(2)回到所述光学测温模块(3)，根据反射光携带的信息，获得所述光纤声音传感探头(1)内当前温度，实现对光纤声音传感探头(1)的温度实时监测；

所述光学加热模块(4)出射高功率第二波长光经过所述光纤分路单元(2)进入所述光纤声音传感探头(1)的感声结构中，通过照射感声结构发生漫反射引起所述光纤声音传感探头(1)温度升高；

所述光学测温模块(3)实时监测光纤声音传感探头(1)的温度变化，当光纤声音传感探头(1)的温度到达设定的理想工作温度点附近，根据光纤声音传感探头(1)的实时温度，控制所述光学加热模块(4)出射功率，使光纤声音传感探头(1)内温度限定在理想工作温区内；

在光纤声音传感探头(1)内温度在理想工作温区内后，所述光学测声模块(5)出射第三波长光经过所述光纤分路单元(2)进入所述光纤声音传感探头(1)中的感声结构，经感声结构调制后反射形成的反射光再次通过所述光纤分路单元(2)回到所述光学测声模块(5)，根据反射光携带的信号，准确获得所述光纤声音传感探头(1)所处环境声音信息。

2.根据权利要求1所述的一种低温光纤声音传感系统，其特征在于所述光纤分路单元(2)包括光纤耦合器和设定波长的光纤隔离器。

3.根据权利要求1所述的一种低温光纤声音传感系统，其特征在于所述光学测温模块(3)和所述光学加热模块(4)共用同一个光源。

4.根据权利要求1所述的一种低温光纤声音传感系统，其特征在于所述光学测温模块(3)和所述光学测声模块(5)共用一套光源。

5.根据权利要求1所述一种低温光纤声音传感系统，其特征在于所述光学测温模块(3)与所述光学加热模块(4)进行双向数据通信，所述光学测温模块(3)向光学测声模块(5)进行单向数据发送通信。

6.根据权利要求1所述一种低温光纤声音传感系统，其特征在于光纤分路单元(2)，用于不同波长光在光纤中合束与分束。

7.根据权利要求1所述一种低温光纤声音传感系统，其特征在于：光纤声音传感探头(1)置于低温声环境中开展测试，其中低温声环境为零下70摄氏度以下。

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