CN111854923B - 声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法 - Google Patents

声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法，悬臂梁式光纤声波传感器解调系统包括光纤环形器、信号传输光纤、光纤声波传感头、光电检测器和处理器，所所述光电检测器的输入端连接光纤环形器，光电检测器的输出端连接处理器，光纤声波传感头通过连接信号传输光纤到光纤环形器。声波测量系统还包括光源，光源连接到光纤环形器。悬臂梁式光纤声波传感器通过基于夫琅禾费衍射的悬臂梁式光纤声波传感器的光强‑相位的关系调节出声波信号的振幅。该系统可以克服了静态工作点Q漂移的问题，而且灵敏度高。

Description

声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法
技术领域
本发明涉及一种声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法。
背景技术
随着信息技术突飞猛进的发展，声波信号的探测已经变得愈发重要。石油或者天燃气管道泄露的时候，不仅仅伴随温度变化还有声音产生，通过声波探测可以管理管道周边的安全防护与预警。高铁沿线布置的分布式的声波传感，可探测高铁运行状态，了解轨道及列车运行状态。通过对领土范围内的海岛及分布线或者航运线的声波探测，可实时监测舰船航道情况。
近年来，声音传感器的研究热点已从电声传感技术向光声传感技术发展。光纤声波传感器在光纤传感和光电子技术发展技术上应运而生，相对传统电声传感器在灵敏度、动态范围和信号传输方面有明显的提高，同时具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等诸多优点。
传统的干涉-强度调制型光纤传感器，此种调制方式的传感器在实际应用的最大障碍是环境因素变化下的传感器静态工作点漂移问题。对于双光束干涉调制型的传感器，其干涉谱为余弦函数(低细度的F-P传感器近似为双光束干涉)，我们通常利用余弦曲线中线性度最好的一段作为相位-强度转换曲线。在对声波一类的交流信号检测时静态工作点一般设置在曲线斜率最大的1/2π相位点(Q点)，在Q点附近，小信号的响应是线性的，而且响应的灵敏度最大。但如果工作点因外界因素偏离Q点，传感器的灵敏度就会降低并出现非线性响应。针对干涉-强度调制型传感器工作点漂移问题已提出了多种方案，但是都没有从原理上原理上克服了静态工作点Q漂移。
发明内容
本发明提供一种声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法，所要解决的技术问题是：传统的干涉-强度调制型光纤传感器在实际应用的环境因素变化下，传感器静态工作点会产生飘移。
本发明通过下述技术方案实现：
悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，包括光纤环形器、信号传输光纤、光电检测器和处理器，所述光电检测器的输入端连接光纤环形器，光电检测器的输出端连接处理器；
所述解调系统还包括光纤声波传感头，所述光纤声波传感头为悬臂梁式光纤声波传感器，包括自聚焦透镜和悬臂梁膜片；所述光纤环形器接收测量光信号，并将接收的测量光信号通过信号输入光纤传输到光纤声波传感头，进入光纤声波传感头的测量光信号通过自聚焦透镜的准直和扩束后与悬臂梁膜片产生反射光，反射光再耦合到信号传输光纤发生衍射而产生衍射光；
衍射光经光纤环形器进入光电探测器中；所述光电探测器将探测到的衍射光的光信号转化为衍射光的光强值的电信号并传输给处理器；
所述处理器用于接收到来自光电探测器的光强值的电信号计算声波信号的振幅；悬臂梁膜片会在外界的声音信号条件下振动，测量光信号输入光纤声波传感头后经过悬臂梁膜片反射后会产生衍射现象而产生衍射光，处理器对光电探测器转化该衍射光的光强值的电信号经过声波信号振幅与光强值的关系就计算出声波信号的振幅。
进一步，所述处理器包括接收光强值的接收单元；所述处理器包括根据光强值解调出声波信号振幅的解调单元。
进一步，所述光纤声波传感头包括自聚焦透镜、外壳和悬臂梁膜片，测量光从左至右射入光纤声波传感头，自聚焦透镜位于外壳内左侧，悬臂梁膜片位于外壳内右侧；悬臂梁膜片垂直于光线传输方向。
进一步，所述自聚焦透镜为楔形自聚焦透镜。
进一步，所述光纤声波传感头采用悬臂梁结构光纤F-P声波传感头。
进一步，声波测量系统，包括光源悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，所述光源连接光纤环形器，用于发出测量光信号。
进一步，悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，采用悬臂梁式光纤声波传感器解调系统进行解调；该系统在光源条件下，所述方法包括以下步骤：
S1、光源发出测量光；
S2、测量光经过光纤环形器进入信号传输光纤；
S3、测量光经过信号传输光纤进入自聚焦透镜，经过自聚焦透镜的准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片上，此时光的振幅为
Figure BDA0002611944970000021
S4、悬臂梁膜片由于受到声压的作用发生振动而倾斜，该状态下，光照射在悬臂梁膜片上，被悬臂梁膜片不同位置反射回来的光由于光程不同在通过自聚焦透镜后耦合到光纤内相干后产生夫琅禾费衍射而产生衍射光；
S5.衍射光通过信号传输光纤到达光电检测器，光电检测器将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值I的电信号；
S6.电信号传入处理器，进而根据衍射光的光强值I和声波信号振幅的关系求解得到声压的振幅；
进一步，S6具体为：
通过处理器的获得光电检测器输出的衍射光的光强值I；
通过处理器根据光强值I解调出相位ψ，其中相位ψ为反射光线之间的相位差值；
通过处理器根据
Figure BDA0002611944970000031
可以求出光程差D；
通过处理器根据光程差D与声压的正比例关系获得声压的振幅。
进一步，
衍射光的光强值I为：
Figure BDA0002611944970000032
相位ψ为反射光线之间的相位差值，
Figure BDA0002611944970000033
因此上述光强表达式可变为
因此上述光强表达式可变为：
Figure BDA0002611944970000034
衍射过程中，L为悬梁臂膜片长度，θ为某一时刻悬臂梁振动时角度与初始角度形成的夹角，λ为光的波长。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法，当温度改变时，声波传感头的悬臂梁会随着外壳膨胀或缩小，因此拉近或缩短与楔形自聚焦透镜的距离，但悬臂梁膜片反射的光束上下边界的光程差不会此距离的改变而改变，由此本发明具有温度不敏感特性，从原理上克服了静态工作点Q漂移的问题；
2、本发明声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法，相位-光强转换曲线是夫琅禾夫衍射光谱中的一段线性部分，而干涉-强度调制型光纤传感器的相位-光强转换曲线是双光束干涉光谱(余弦函数形)，本发明的相位-光强转换曲线具有更大的斜率，相同相位变化下具有更大的光强变化，所以本发明具有更高的声压灵敏度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为悬臂梁式光纤声波传感器解调系统的结构示意图；
图2为声波测量系统的结构示意图；
图3为光纤声波传感头的结构示意图；
图4为本发明的通过Matlab绘制出基于夫琅禾费衍射的悬臂梁式光纤声波传感器的光强-相位图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-光源，2-光纤环形器，3-信号传输电缆，4-光纤声波传感头，5-光电检测器，6-处理器，7-自聚焦透镜，8-外壳，9-悬臂梁膜片，10-线性区域，11-静态工作点Q。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，本实施例的一种悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，包括光纤环形器2、信号传输光纤3、光纤声波传感头4、光电检测器5和处理器6。光纤环形器采用分光比为50：50的耦合器可以接受测量光，光电检测器可以高精准度测量光强。所述光电检测器的光学输入端经单模电缆接光纤环形器，光电检测器的电学输出端经电线连接处理器，所述光纤声波传感头通过信号传输光纤连接光纤环形器。如图2所示：所述光纤声波传感头采用悬臂梁结构光纤F-P声波传感头，包括楔形自聚焦透镜7、外壳8和悬臂梁膜片9。测量光从左至右射入光纤声波传感头，楔形自聚焦透镜位于外壳内左侧，悬臂梁膜片位于外壳内右侧。悬臂梁膜片垂直于光线传输方向。
测量光经过光纤环形器2和信号传输光纤3，射入楔形自聚焦透镜准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片上，与受到声压振动的悬臂梁膜片发生反射，反射光相较于入射光由于悬臂梁膜片的振动因而带有光程差，反向通过楔形自聚焦透镜后进入信号传输光纤3后发生相干衍射产生衍射光，衍射光经光纤环形器2导入光电探测器5中，光电探测器将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值的电信号。光电探测器将转化后到的衍射光的光强值的电信号传输给处理器6。
实施例2：
在上述实施例的基础上，优选的，如图2所示，本实施例的一种声波测量系统，包括光源1、光纤环形器2、信号传输光纤3、光纤声波传感头4、光电检测器5和处理器6。光源为激光器，光纤环形器采用分光比为50：50的耦合器，光电检测器可以高精准度测量光强。所述光源经单模光纤与光纤环形器连接，所述光电检测器的光学输入端经单模电缆接光纤环形器，光电检测器的电学输出端经电线连接处理器，所述光纤声波传感头通过信号传输光纤连接光纤环形器。如图2所示：所述光纤声波传感头采用悬臂梁结构光纤F-P声波传感头，包括楔形自聚焦透镜7、外壳8和悬臂梁膜片9。激光从左至右射入光纤声波传感头，楔形自聚焦透镜位于外壳内左侧，悬臂梁膜片位于外壳内右侧。悬臂梁膜片垂直于光线传输方向。
光源1发出激光，经过光纤环形器2和信号传输光纤3，射入楔形自聚焦透镜准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片上，与受到声压振动的悬臂梁膜片发生反射，反射光相较于入射光由于悬臂梁膜片的振动因而带有光程差，反向通过楔形自聚焦透镜后进入信号传输光纤3后发生相干衍射产生衍射光，衍射光经光纤环形器2导入光电探测器5中，光电探测器将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值的电信号。光电探测器将转化后到的衍射光的光强值的电信号传输给处理器6。
实施例3：
在上述实施例的基础上，优选的，如图3所示，通过Matlab绘制出基于夫琅禾费衍射的悬臂梁式光纤声波传感器的光强-相位图中，线性区域10内光强和相位呈线性关系，静态工作点Q11处光纤声波传感器的且处线性范围最大且灵敏度最高。由于激光在光纤声波传感头先通过的是楔形自聚焦透镜，所以出射光束上下边界具有固定相位差，可以通过调整楔形的角度控制固定相位差的大小:本实施例将固定相位差调整在Q点，这样当悬臂梁所受不同声压作用而振动时，不同的振动幅度引起反射光束上下边界不同的光程差，不同的光程差则会引起不同的相位差，夫琅禾费衍射不同的相位差对应不同的衍射光强，只要悬臂梁的振动范围不大，衍射光强将在近似线性区域变化，所以可以将声压信号线性转化光强的波动，实现了声波信号的传感。
悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，所述方法包括以下步骤：
S1、光源发出激光；
S2、激光经过光纤环形器进入信号传输光纤；
S3、激光经过信号传输光纤进入自聚焦透镜，经过自聚焦透镜的准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片上，此时光的振幅为
Figure BDA0002611944970000051
S4、悬臂梁膜片由于受到声压的作用发生振动而倾斜，该状态下，光照射在悬臂梁膜片上，被悬臂梁膜片不同位置反射回来的光由于光程不同在通过自聚焦透镜后耦合到光纤内相干后产生夫琅禾费衍射而产生衍射光；
S5.衍射光通过信号传输光纤到达光电检测器，光电检测器将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值I的电信号；
S6.电信号传入处理器，进而根据衍射光的光强值I和声波信号振幅的关系求解得到声压的振幅；
进一步，S6具体为：
通过处理器的获得光电检测器输出的衍射光的光强值I；
通过处理器根据光强值I解调出相位ψ，其中相位ψ为反射光线之间的相位差值；
通过处理器根据
Figure BDA0002611944970000061
可以求出光程差D；
通过处理器根据光程差D与声压的正比例关系获得声压的振幅。
进一步，
衍射光的光强值I为：
Figure BDA0002611944970000062
相位ψ为反射光线之间的相位差值，
Figure BDA0002611944970000063
因此上述光强表达式可变为
因此上述光强表达式可变为：
Figure BDA0002611944970000064
衍射过程中，L为悬梁臂膜片长度，θ为某一时刻悬臂梁振动时角度与初始角度形成的夹角，λ为光的波长。
当温度改变时，声波传感头的悬臂梁会随着外壳膨胀或缩小，因此拉近或缩短与楔形自聚焦透镜的距离，但悬臂梁膜片反射的光束上下边界的光程差不会此距离的改变而改变，由此本发明具有温度不敏感特性，从原理上克服了静态工作点Q漂移的问题；
实施例中，相位-光强转换曲线是夫琅禾夫衍射光谱中的一段线性部分，而干涉-强度调制型光纤传感器的相位-光强转换曲线是双光束干涉光谱(余弦函数形)，本发明的相位-光强转换曲线具有更大的斜率，相同相位变化下具有更大的光强变化，所以本发明具有更高的声压灵敏度。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (5)

1.悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，包括光纤环形器(2)、信号传输光纤(3)、光电检测器(5)和处理器(6)，所述光电检测器(5)的输入端连接光纤环形器(2)，光电检测器(5)的输出端连接处理器(6)，其特征在于：
所述解调系统还包括光纤声波传感头(4)，所述光纤声波传感头(4)为悬臂梁式光纤声波传感器，包括自聚焦透镜(7)和悬臂梁膜片(9)；所述光纤环形器(2)接收测量光信号，并将接收的测量光信号通过信号传输光纤(3)传输到光纤声波传感头(4)，进入光纤声波传感头(4)的测量光信号通过自聚焦透镜(7)的准直和扩束后与悬臂梁膜片(9)产生反射光，反射光再反向通过自聚焦透镜(7)后耦合到信号传输光纤(3)发生衍射而产生衍射光；
衍射光经光纤环形器(2)进入光电检测器(5)中；所述光电检测器(5)将探测到的衍射光的光信号转化为衍射光的光强值的电信号并传输给处理器(6)；
所述处理器(6)用于接收到来自光电检测器(5)的光强值的电信号计算声波信号的振幅；
悬臂梁膜片(9)会在外界的声音信号条件下振动，测量光信号输入光纤声波传感头(4)后经过悬臂梁膜片(9)反射后会产生衍射现象而产生衍射光，处理器(6)对光电检测器(5)转化该衍射光的光强值的电信号经过声波信号振幅与光强值的关系就计算出声波信号的振幅；
所述光纤声波传感头(4)包括自聚焦透镜(7)、外壳(8)和悬臂梁膜片(9)，测量光从左至右射入光纤声波传感头(4)，自聚焦透镜(7)位于外壳内左侧，悬臂梁膜片(9)位于外壳内右侧；悬臂梁膜片(9)垂直于光线传输方向；
所述处理器(6)包括接收光强值的接收单元；所述处理器(6)包括根据光强值解调出声波信号振幅的解调单元；所述自聚焦透镜(7)为楔形自聚焦透镜(7)；
光信号在通过光纤声波传感头(4)中的楔形自聚焦透镜(7)后，其出射光信号上下边界具有固定相位差，通过调整楔形的角度控制固定相位差的大小：固定相位差调整在Q点，当悬臂梁膜片(9)所受不同声压作用而振动时，不同的振动幅度引起反射光信号上下边界不同的光程差，不同的光程差则会引起不同的相位差，夫琅禾费衍射不同的相位差对应不同的衍射光强，当悬臂梁膜片(9)的振动范围不大时，衍射光强将在近似线性区域变化，从而将声压信号线性转化光强的波动，实现声波信号的传感。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，其特征在于：所述光纤声波传感头(4)采用悬臂梁结构光纤F-P声波传感头。
3.声波测量系统，其特征在于：包括光源(1)和权利要求1—2任一所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，所述光源(1)连接光纤环形器(2)，用于发出测量光信号。
4.悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，其特征在于：采用权利要求1-2中任一所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统进行解调；该系统在光源(1)条件下，所述方法包括以下步骤：
S1、光源(1)发出测量光；
S2、测量光经过光纤环形器(2)进入信号传输光纤(3)；
S3、测量光经过信号传输光纤(3)进入自聚焦透镜(7)，经过自聚焦透镜(7)的准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片(9)上，此时光的振幅为
Figure FDA0003602021170000021
S4、悬臂梁膜片(9)由于受到声压的作用发生振动而倾斜，该状态下，光照射在悬臂梁膜片(9)上，被悬臂梁膜片(9)不同位置反射回来的光由于光程不同在通过自聚焦透镜(7)后耦合到光纤内相干后产生夫琅禾费衍射而产生衍射光；
S5.衍射光通过信号传输光纤到达光电检测器(5)，光电检测器(5)将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值I的电信号；
S6.电信号传入处理器(6)，进而根据衍射光的光强值I和声波信号振幅的关系求解得到声压的振幅。
5.根据权利要求4所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，其特征在于：
S6具体为：
通过处理器(6)的获得光电检测器(5)输出的衍射光的光强值I；通过处理器(6)根据光强值I解调出相位ψ，其中相位ψ为反射光线之间的相位差值；通过处理器(6)根据
Figure FDA0003602021170000022
可以求出光程差D，λ为光的波长；通过处理器(6)根据光程差D与声压的正比例关系获得声压的振幅。
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