CN111854922A - 高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器，所述三维光纤矢量水听器包括泵浦光源、波分复用器、1×3分束器、X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器和光电检测系统。有益技术效果是：相比较圆柱型悬臂梁结构的光纤矢量水听器，平面悬臂梁受到的声场作用力更大，声压灵敏度更高；只对来自于与悬臂梁表面垂直方向的声场有最大响应，指向性更好；采用三个一维传感器，通过设置其悬臂梁平面的方向，可以实现三个方向上的声信号传感，即实现三维光纤矢量水听器，可以对来自三维空间任一方向上的声矢量信号进行传感。

Description

高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器。

背景技术

矢量水听器是水声探测领域的重要传感器，可以空间共点同步拾取声场一点处的声压和质点振速矢量，利用获取的声压和质点振速可以在全空间对声源进行无模糊定向，且在有限的声纳孔径内，矢量水听器阵列能获得更好的空间增益，大大提高水声目标探测水平。光纤矢量水听器结合光纤传感技术与矢量水听器技术，利用外界环境对光纤传输光的调制效应探测水中信号，具有灵敏度高、不受电磁干扰、信号传输与传感一体化、易于复用等优点。

随着技术的进步，光纤矢量水听器的高灵敏度和小型化成为趋势。传统的芯轴型顺变柱体结构的加速度型光纤矢量水听器，具有较高的声压相位灵敏度，但是受限于其工作机理和元器件特性，发展小型化矢量水听器面临瓶颈。

光纤激光器的尺寸较小，腔长可短至1-2cm，其中心频率对于腔的变化高度敏感。光纤激光器的这种特性，可以实现高灵敏度的应力传感和声压传感，因而具有同时实现高灵敏度、小型化光纤传感器的潜力。将光纤激光器做成悬臂梁可以直接实现矢量声传感。将光纤激光器腔内的光栅刻蚀在偏离有源光纤中心轴的位置，则光纤激光器只对来自特定方向的声场信号有最大响应。或者不采用偏芯光纤，例如中国发明专利申请“基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器”(公开日：20191224)采用双路普通光纤激光器平行粘结，构成悬臂梁。在来自位于双路光纤激光器中心轴所在平面且垂直于悬臂梁轴线的声场作用下，悬臂梁产生应变时，通过两DFB输出光的频率差可以得到应变大小，可以实现推挽式光纤传感，进一步提高灵敏度及指向性。

然而由于光纤尺寸微小，光纤激光器直接作为悬臂梁传感声信号时，受到的声场作用力仍然很小，因此声压灵敏度较低。光纤激光器悬臂梁式声传感器的声压灵敏度还需进一步提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器。

本发明的技术方案是：

一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，包括金属基座41、金属薄片42、光纤激光器43。所述金属基座41为立方体状，所述的金属薄片42一端刚性固定(例如焊接、铆接或通过螺栓固定)在金属基座41的上表面,另一端伸出金属基座41；所述的光纤激光器43为一根纤芯刻有光纤光栅的稀土掺杂光纤，光纤光栅所在的位置为光纤激光器的谐振腔；光纤激光器43被刚性固定(例如通过胶水粘接)在金属基座41的表面，其中光纤激光器43的谐振腔也伸出金属基座41；

进一步的，所述的金属基座41为金属铝、铜或钛等。

进一步的，所述的金属薄片42为金属铝片、金属铜片或钛合金片。

进一步的，所述金属薄片42的宽度为2mm-5mm，厚度小于等于100μm。

进一步的，所述的光纤激光器43为DBR光纤激光器或DFB光纤激光器。

进一步的，所述的光纤激光器43的增益光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或者铒铋共掺光纤。

所述的一维平面悬臂梁式光纤矢量传感器的工作原理：所述的金属基座41和金属薄片42固定不动，当有来自垂直于金属薄片42表面(如图1所示，Z轴方向)的声信号时，伸出金属基座41的金属薄片42，即平面悬臂梁，受到声场力的作用而产生弯曲形变。光纤激光器43本质上是一根头发丝粗细(外径在百微米量级)的玻璃丝，当其被泵浦光源激励时会产生单频激光，单频激光的中心频率由激光谐振腔的参数决定，比如谐振腔的长度、稀土掺杂光纤的掺杂离子等。光纤激光器43刚性固定在金属薄片42的表面，随着金属薄片42一起发生形变，这样就导致光纤激光器43谐振腔的腔长被改变，则其中心频率相应被改变。光纤激光器43中心频率的变化准确反映悬臂梁的形变，通过标定，可反演出声场矢量沿垂直于金属薄片42表面方向的分量(如位移、振速、加速度等)。

所述的一维平面悬臂梁式光纤矢量传感器的优势在于：首先，因为金属薄片的宽度(毫米量级)远大于光纤激光器的外径(百微米量级)，受到声场作用时，金属薄片的受力面积远大于光纤激光器的受力面积，相同的声压下金属薄片的受力远大于光纤激光器的受力，产生的弯曲形变更大，因此本发明所使用的悬臂梁结构相比直接用光纤作为悬臂梁，具有更高的声压灵敏度。其次，若声信号来自金属薄片42侧面(如图1所示，X轴或Y轴方向)时，金属薄片没有形变，即所述的传感器具有指向性，只对某一特定方向(垂直于其表面方向)的声信号进行传感。采用三个传感器分别测量X、Y、Z三个方向的声信号，即可实现三维矢量声传感。

本发明还提供一种基于上述平面悬臂梁式光纤传感器的三维光纤矢量水听器，包括泵浦光源1、波分复用器2、1×3分束器3、X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z和光电检测系统5，所有器件之间均通过连接光纤进行连接，其中X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X用于传感X轴方向的声信号(其摆放原则为金属薄片的表面平行于YOZ平面，使其朝向X轴方向的声信号)，Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y用于传感Y轴方向的声信号(其摆放原则为金属薄片的表面平行于XOZ平面，使其朝向Y轴方向的声信号)，Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z用于传感Z轴方向的声信号(其摆放原则为金属薄片的表面平行于XOY平面，使其朝向Z轴方向的声信号)；泵浦光源1的光经波分复用器2进入1×3分束器3，分成三路后分别泵浦X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z，X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z产生的三束激光分别经1×3分束器3合成为一束激光，再经过波分复用器2进入光电检测系统5进行检测和处理。

进一步的，X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z所使用的光纤激光器中心频率各不相同。

进一步的，所用的光纤激光器、1×3分束器、波分复用器可采用单模光纤器件，也可采用保偏光纤器件。

进一步的，所用的泵浦光源中心波长可以为976nm或者1480nm等，取决于所用光纤激光器的增益介质材料。

本发明实现三维矢量声传感的基本原理如下：X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X，它的金属薄片表面垂直于X轴，只有沿X方向的力(声压)才使得金属薄片产生弯曲形变。同理，Y轴方向的平面悬臂梁式光纤矢量传感器4-Y，它的金属薄片表面垂直于Y轴；Z轴方向的平面悬臂梁式光纤矢量传感器4-Z，它的金属薄片表面垂直于Z轴。当空间任一方向的声场入射到所述的三维光纤矢量水听器上，平面悬臂梁式传感器4-X、4-Y、4-Z分别受到声场沿X、Y、Z方向上分量的作用，平面悬臂梁式传感器4-X、4-Y、4-Z上的金属薄片各自受到声场在三个方向上分量的作用而发生形变，固定在平面悬臂梁上的光纤激光器分别随着平面薄片一起形变，导致光纤激光器腔长的变化，进一步导致光纤激光器输出频率ν1、ν2和ν3的变化。为了区分三个方向上的传感信号，光纤激光器的中心频率ν1、ν2和ν3各不相同，光电检测系统5将返回光中的三个频率成分ν1、ν2和ν3进行区分并解调，可以得到X轴方向的平面悬臂梁式光纤矢量传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤矢量传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤矢量传感器4-Z上的光纤激光中心频率ν1、ν2和ν3的变化量，它们准确反映了各自金属薄片4的形变，通过标定，可反演出声场矢量信息(如位移、振速、加速度等)在X、Y、Z三个方向上的分量，最终可以得到入射声场信息。

本发明的有益技术效果是：

首先，由于采用平面型悬臂梁结构，相比较圆柱型悬臂梁结构的光纤矢量水听器，平面悬臂梁受到的声场作用力更大，声压灵敏度更高。

其次，由于采用平面型悬臂梁结构，它只对来自于与悬臂梁表面垂直方向的声场有最大响应，且相比较圆柱型悬臂梁结构的传感器，它的指向性更好。

最后，采用三个一维矢量传感器，通过设置其悬臂梁平面的方向，可以实现三个方向上的声信号传感，即实现三维光纤矢量水听器，可以对来自三维空间任一方向上的声矢量信号进行传感。

附图说明

图1是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤传感器结构示意图；

图2是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤传感器截面结构示意图；

图3是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤矢量传感器俯视图；

图4是本发明所述的基于平面悬臂梁式光纤传感器的三维光纤矢量水听器结构示意图。

图5是平面悬臂梁式光纤传感器与圆柱悬臂梁式光纤传感器的声压灵敏度频率响应曲线仿真结果图。其中：1是泵浦光源、2是波分复用器、3是1×3分束器，4-X、4-Y、4-Z分别是传感X、Y、Z三个方向声信号的平面悬臂梁式光纤传感器、5是光电检测系统5；

41为金属基座，42为金属薄片，43为光纤激光器。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行进一步的详细说明。

图1是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤传感器结构示意图；

图2是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤传感器截面结构示意图；

图3是本发明所述的一维平面悬臂梁式光纤矢量传感器俯视图；

图4是本发明所述的基于平面悬臂梁式光纤传感器的三维光纤矢量水听器结构示意图：泵浦光源1的光(波长为980nm)经连接光纤进入980nm/1550nm波分复用器2，输出光经连接光纤进入1×3分束器3后分成功率相等的三束光，分别经连接光纤进入并泵浦X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z中的光纤激光器，产生三束中心频率分别为ν1、ν2和ν3的激光，三束光经1×3分束器3合成为1束激光，再经波分复用器2进入光电检测系统5进行检测和处理。X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-X、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Y和Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器4-Z所采用的金属基座材料均为铝，尺寸为3cm×2cm×2cm；所采用的金属薄片材料为铝，长度为8cm，宽度为3mm，厚度为100μm，其中3cm固定在金属基座上，5cm裸露在金属基座外作为平面悬臂梁；所采用的光纤激光器均为DFB掺铒光纤激光器，腔长2cm，光纤激光器43-X、43-Y和43-Z包含谐振腔的部分用金属胶粘在金属薄片上。当有某一方向上的声信号入射至光纤矢量水听器时，这个声信号在XYZ方向上的分量分别作用在光纤传感器4-X、4-Y和4-Z上，三个光纤矢量传感器的悬臂梁各自受到矢量声场分量的作用而发生形变，悬臂梁的形变导致光纤激光器谐振腔腔长的变化，进而导致光纤激光器43-X、43-Y和43-Z的中心频率发生变化量Δν1、Δν2、Δν3。光电检测系统5检测并利用非平衡干涉仪法解调三束光纤激光的中心频率变化量Δν1、Δν2、Δν3，标定并通过反演得到矢量声场三个方向上的分量大小，最终获得完整的三维矢量声场信息(具体参见《DFB光纤激光器水听器关键技术研究》，华中科技大学博士学位论文，2014.11)。

图5是平面悬臂梁式光纤传感器与圆柱悬臂梁式光纤传感器的声压灵敏度频率响应曲线仿真结果图，两个传感器采用相同的光纤激光器,相同的悬臂梁长度。从图上可以看出,平面悬臂梁式光纤传感器的声压灵敏度大约是圆柱悬臂梁式光纤传感器的声压灵敏度的100倍(1-10Hz频率范围内)。

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，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 (11)

1.一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：包括金属基座(41)、金属薄片(42)、光纤激光器(43)，所述金属基座(41)为立方体状，所述的金属薄片(42)一端刚性固定在金属基座(41)的上表面,另一端伸出金属基座(41)；所述的光纤激光器(43)为一根纤芯刻有光纤光栅的稀土掺杂光纤，光纤光栅所在的位置为光纤激光器的谐振腔；光纤激光器(43)被刚性固定在金属基座(41)的表面，其中光纤激光器(43)的谐振腔也伸出金属基座(41)。

2.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述的金属基座(41)为金属铝、铜或钛。

3.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述的金属薄片(42)为金属铝片、金属铜片或钛合金片。

4.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述金属薄片(42)的宽度为2mm-5mm，厚度小于等于100μm。

5.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤激光器(43)为DBR光纤激光器或DFB光纤激光器。

6.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤激光器(43)的增益光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或者铒铋共掺光纤。

7.一种根据权利要求1所述高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，其特征在于：所述的光纤激光器(43)可采用单模光纤器件，也可使用保偏光纤器件。

8.一种基于权利要求1至7任一条所述一维平面悬臂梁式光纤传感器的三维光纤矢量水听器，其特征在于：包括泵浦光源(1)、波分复用器(2)、1×3分束器(3)、X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-X)、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Y)、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Z)和光电检测系统(5)，所有器件之间均通过连接光纤进行连接，其中X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-X)用于传感X轴方向的声信号，Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Y)用于传感Y轴方向的声信号，Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Z)用于传感Z轴方向的声信号；泵浦光源(1)的光经波分复用器(2)进入1×3分束器(3)，分成三路后分别泵浦X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-X)、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Y)、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Z)，X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-X)、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Y)、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Z)产生的三束激光分别经1×3分束器(3)合成为一束激光，再经过波分复用器(2)进入光电检测系统(5)进行检测和处理。

9.一种根据权利要求8所述三维光纤矢量水听器，其特征在于：X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-X)、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Y)、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器(4-Z)所使用的光纤激光器中心频率各不相同。

10.一种根据权利要求8所述三维光纤矢量水听器，其特征在于：所述波分复用器(2)、1×3分束器(3)采用单模光纤器件，也可采用保偏光纤器件。

11.一种根据权利要求8所述三维光纤矢量水听器，其特征在于：所用的泵浦光源(1)中心波长为976nm或者1480nm，取决于所用光纤激光器的增益介质材料。

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