CN112763052A - 一种反电子监测的宽带声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种反电子监测的声波传感器，是一种基于共振腔的宽频带声波传感器，其包含光电收发模块、信号获取传感部件、固件、信号处理模块。信号获取传感部件的共振腔受到声波作用后，引起薄膜振动，使得薄膜反射的探针光到达收发模块前端的接收耦合光纤时发生位置偏移，此时进入接收耦合光纤的光强随薄膜振动强弱规律性变化，探测接收耦合光纤的光强度并经过信号处理，即可获得声波信息。固件固定准直光纤和信号获取传感部件。本发明不含金属部件和电子器件，不会对电磁检测信号产生响应，其本身也不辐射电磁波，因而具有反电子监测、覆盖次声波段、宽带宽、体积小、重量轻、灵敏度高等优点，可在空气和水下声波传感场景中应用。

Description

一种反电子监测的宽带声波传感器

技术领域

本发明属于光电传感以及次声探测领域，更具体地，涉及一种微小型非金属传感探头的宽频声波传感器的设计、制作和测量方法。

背景技术

具有反电子监测的覆盖次声波的宽带光电声压传感在基于声波的侦察领域中十分重要。

常用的次声波探测器是电容式或压电式次声传感器，虽然电声传感器工艺和技术都已十分成熟，但因包含电学部件显然易被电磁检测装置检测、易受电磁干扰，且制作成本较高、在极端环境下无法正常工作。而光纤声压传感器的主要材料是光纤，能在强电磁场等恶劣环境下使用，光纤的小体积和轻重量也适用于某些空间有限的场所，光纤易复用的特性利于传感器阵列的组成，完成多点测量，是制造具有反电子监测的覆盖次声波的宽带光电声压传感的一种良好选择。

近些年来，基于光纤技术的新型传感设备受到广泛关注。在次声波传感方面，提出了一种EFPI次声波传感器，在换能器的聚合物薄膜中心粘贴铝质薄膜，并对其直径和厚度进行了优化设计，使传感器能探测到1Hz-20 Hz的次声波，灵敏度为121mV/Pa。在宽带声波传感方面，提出了硅基上光刻周期性光子晶体薄膜，能在一定波长范围内具有高的反射率，在1Hz-30kHz范围内获得高的灵敏度。在覆盖次声波的宽频带声波传感方面，提出了采用石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成硅基微纳结构共振腔，声频响应范围为1Hz-50MHz。以上方法，能覆盖次声波的传感。

综上所述，目前已有的声波传感器在满足覆盖次声波的宽频带声压传感的同时，并不能实现反电子监测的目标。

为此，本发明针对反电子侦测次声波到超声波的宽谱范围声波传感检测应用，提出并研制了一款具有抗电子侦测功能的宽谱声波光电传感器，获得了良好的应用特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷与改进需求，本发明提出并研制了一种覆盖次声波的宽带光电声波传感器，其目的在于增强宽带声波传感器的反电子监测功能，解决克服传统声波传感器隐蔽性不足的缺陷技术问题。

本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：

本发明提供的反电子监测的宽带声波传感器，主要由光电收发模块、信号获取传感部件、信号处理模块组成，其中：光电收发模块由光发射模块和光接收模块两个部分组成，光发射模块实现激光发射至信号获取传感部件，光接收模块则接收由信号获取传感部件反射的光信号；信号获取传感部件由硅基微纳结构共振腔、支撑件组成，支撑件支撑硅基微纳结构共振腔，共同形成传感声波的部件；信号处理模块主要由电信号依次连接的光电转换、信号放大、语音输出、语音存储和语音传输组成。

所述的信号获取传感部件采用激光冲洗工艺，在硅片上扫描加工，形成微纳结果谐振孔状结构。

本发明可以将硅基微纳结构共振腔用光学胶固定在环状PET柔顺支撑膜上。

所述的硅片厚度为90-110μm，硅片直径为9.5-10.5mm，形成微纳结构谐振孔状结构高度为8.5-11.5μm。

所述的硅片，其厚度优选为100μm，其硅片直径优选为10mm，于此形成的微纳结构谐振孔状结构高度为10μm。

所述的光发射模块包括以光信号连接的激光器、光纤、光纤耦合链接器、自聚焦透镜，以及通过电信号与激光器连接的驱动电路。

所述的光接收模块由光电探测器、光纤耦合链接器、自聚焦透镜组成。

所述的信号处理模块通过电信号与光电探测器连接，用于被传感语音信号的电接收、功率/幅度的放大、播放、存储与远程传输。

本发明反电子监测的宽带声波传感器，设有由热固性ABS材料制成的固件，其由主固件和辅助固件组成，用于固定准直光纤和信号获取传感部件。

所述的主固件为中空圆筒形；辅助固件为外壁光滑的圆筒形状，其和主固件台阶部分螺纹相连。

本发明与现有的其他同类型的传感器相比，具有以下的主要优点：

1.采用了硅基微纳结构共振腔和PET薄膜，既有较好地力学特性，又不包含金属介质，增强了隐蔽性。

2.硅基微纳结构共振腔是传感超声的主要部件，PET薄膜是传感次声的主要部件，而且两者都能传感可听声波，因而本发明的声波传感器具有较宽的频带响应，带宽可覆盖1-50MHz。

3.传输光路中利用了光纤准直器，与信号获取传感部件构成优质的谐振器，优化了声压传感器的结构，提高了灵敏度，灵敏度可达420mV/Pa。

4.本发明的声波传感器的传感部件仅含半导体和绝缘材料，且携带长短可控的光纤，因而具有较好的抗电磁干扰能力，并易于长距离传输与组网。

附图说明

图1是本发明光发射模块示意框图；

图2是本发明光接收模块示意框图；

图3是本发明信号获取传感部件结构示意图；

图4是本发明固件结构示意图；

图5是本发明传感部件与主固件及辅助固件装配示意图；

图6是本发明信号处理模块结构示意图；

图7是本发明传感器的工作原理图；

图8是本发明声波传感器频率响应曲线图。

图中：1.硅基微纳结构共振腔；2.PET支撑薄膜；3.主固件；4.辅助固件；5.光纤准直器通孔；6.固定孔；7.微纳结构传感部件；8.发射光纤；9.接收光纤；10.外力信号变化曲线；11.光强信号变化曲线。

具体实施方式

本发明提供的一种反电子监测的声波传感器，是一种基于共振腔的宽频带声波传感器，其包含光电收发模块、信号获取传感部件、固件、信号处理模块。信号获取传感部件的共振腔受到声波作用后，引起薄膜振动，使得薄膜反射的探针光到达收发模块前端的接收耦合光纤时发生位置偏移，此时进入接收耦合光纤的光强随薄膜振动强弱规律性变化，探测接收耦合光纤的光强度并经过信号处理，即可获得声波信息。固件固定准直光纤和信号获取传感部件。本发明不含金属部件和电子器件，不会对电磁检测信号产生响应，其本身也不辐射电磁波，因而具有反电子监测、覆盖次声波段、宽带宽、体积小、重量轻、灵敏度高等优点，可在空气和水下声波传感场景中应用。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，但不限定本发明。

本发明提供的反电子监测的宽带声波传感器，由光电收发模块、信号获取传感部件、固件、信号处理模块几部分组成，其中：光电收发模块通过固件与信号获取传感部件相连，信号处理模块通过光电探测器与接收模块相连；光电收发模块具有向信号获取传感部件提供探测光和接收信号获取传感部件反射的信号光等两个基本功能；信号获取传感部件用于将带探测的声波信号调制至探测光上，实现声光信号转换；固件用来固定光电收发模块的自聚焦透镜和信号获取传感部件；信号处理模块用于信号光电转换、信号放大、播放、存储和远程传输。

一.光电收发模块：

光电收发模块包括光发射和光接收两个部分。

1.光发射部分：

如图1所示，包括以光信号连接的激光器、光纤、光纤耦合链接器、自聚焦透镜，以及通过电信号与激光器连接的驱动电路。驱动电路提供激光器工作电流，使激光器处于受激辐射工作状态，激光器辐射的激光由光纤耦合链接器进入光纤，光纤将光直接耦合送入自聚焦透镜，再经自聚焦透镜将调制光投射到硅基微纳结构共振腔的光学面。

所述激光器采用1550nm半导体激光器。

所述激光器驱动电路主要由电压转换电路、恒压电路和恒流电路组成，其中：电压转换电路、恒压电路和恒流电路依次电信号相连，电压转换电路将220V交流信号转换成直流电信号，恒压电路和恒流电路分别对直流电信号的电压和电流进行恒定处理。

所述光纤耦合链接器采用高隔离度的环形器组成，用于链接激光器和光纤，以至于发射激光单向传送至自聚焦透镜。

所述自聚焦透镜采用聚焦透镜组，用于聚焦光纤出射的激光，并将聚焦光投射于硅基微纳结构共振腔的光学面。

2.光接收部分：

如图2所示，光接收部分由光电探测器、光纤耦合链接器、自聚焦透镜组成，以及通过电信号与光电探测器连接的信号处理模块。自聚焦透镜接收从硅基微纳结构共振腔光学面反射的经外部声波调制作用后的光能量，通过光纤进入光纤耦合链接器，再由光纤耦合链接器耦合进入光电探测器，光电探测器将调制光信号转换成电信号，然后再送入信号处理模块，解调语音信号。

所述光纤耦合链接器采用高隔离度的环形器，用于链接光纤和光电探测器，以至于从硅基微纳结构共振腔反射回光纤的光信号单向传送至自光电探测器。

二.信号获取传感部件：

如图3所示，信号获取传感部件用于将待探测的声波信号转换成光信号，该部件由硅基微纳结构共振腔1、PET柔顺支撑膜2组成。硅基微纳结构共振腔1是本发明核心部分，采用激光冲洗工艺，在硅片上扫描加工，形成微纳谐振孔状结构。硅片厚度为90-110μm，优选100μm，硅片直径为9.5-10.5mm，优选10mm，形成微纳结构谐振孔状结构高度为8.5-11.5μm，优选10μm。最后，将硅基微纳结构共振腔用光学胶固定在环状PET柔顺支撑膜2上。

硅基微纳结构共振腔有良好的力学性能，有较强的耐冲击能力，耐折性好；可在-70℃低温至120℃温度范围内长期稳定工作。所述硅基微纳结构共振腔的基底为硅，在硅基材料设计特殊微纳结构，结合本发明传感器的支撑部件(PET膜)，能接收1Hz到50MHz频率范围的声波。同时，支撑硅基微纳结构共振腔的支撑膜，该部件为改良PET薄膜材料，厚度约为100μm到500μm，设计为圆环形，与微纳结构硅基谐振腔进行力学耦合，形成本发明传感器的核心——传感部件。PET柔顺支撑膜材料具有较好的柔顺特性，与硅基微纳结构共振腔组合后形成的杨氏模量，使本发明传感器具有420mV/Pa的灵敏度和1Hz-50MHz频率范围的声波探测能力，在10MPa压力情况仍能正常工作。

所述激光冲洗工艺可以采用可编程高功率激光雕刻。

三.固件

固件由主固件3和辅助固件4两个部分组成，其结构如图4所示。

1.主固件：

主固件3可以由热固性ABS材料制成，为圆筒形。外径为10-13mm，优选为12mm。长度为12-15mm，优选为15mm。ABS工程塑料具有优良的尺寸稳定性、加工流动性、耐高温，所形成的固件的结构稳定，保证声波传感器的性能稳定，可工作在高温等恶劣环境。

圆筒形主固件的筒内孔径设计成几个层次：第一层孔为光纤准直器通孔5，用于放置自聚焦透镜，其孔径2.5-3mm，优选3mm，长度为11-12mm，优选12mm；在筒中间且垂直于筒轴位置，设计有一个螺纹的固定孔6，用于固定自聚焦透镜，避免在使用过程中滑动，筒中间位置距离筒上下面间距为5.5-6mm，优选6mm，螺纹固定孔径为2.5-3.5mm，优选3mm；紧邻第一层结束为第二层，其外部设计加工为台阶形，加工有外螺纹，其中第二次孔径为4.5-5.5mm，优选5mm，长度为4-5mm，优选5mm，台阶部分长度为2.5-3.5mm，优选3mm，外径为7-8mm，优选8mm。

2.辅助固件：

辅助固件4可以由热固性ABS材料制成，设计加工为外壁光滑的圆筒形状，内孔径加工有螺纹，和主固件台阶部分螺纹配合可拧紧，内孔长度为4.5-5.5mm，优选5mm，外径为11-13mm，优选12mm,内径为7.5-8.5mm，优选8mm，内孔深度为2.5-3.5mm，优选3mm。

信号获取传感部件与主固件及辅助固件装配后如图5所示。装配时，首先将粘贴在环状PET支撑薄膜2上的硅基微纳结构共振腔1紧贴主固件的第二层孔径台阶上，然后通过辅助固件4与主固件3的螺纹配合并拧紧，进而将粘贴在环状PET支撑薄膜2上的硅基微纳结构共振腔1固定在主固件3和辅助固件4之间。最后，将携带光纤的自聚焦透镜固定在主固件的通孔中，即形成了完整的信号获取传感前端。

四.信号处理模块

信号处理模块用于电信号转换为光信号及声波的播放、存储和远程传输，其结构如图6所示，主要由电信号依次连接的光电转换、信号放大、语音输出、语音存储和语音传输组成。

所述光电转换采用高灵敏光电探测器，用于光信号转换成电信号。

所述信号放大采用低噪声、高增益的放大电路，用于将光电探测器输出的小电信号放大至扬声器能播放的信号，或者放大至数模转换器工作电压范围内的信号。

所述语音输出采用扬声器，用于播放传感的可闻声波信号。

所述语音存储采用FLASH存储器，用于存储系统采集的声波信号。

所述语音传输采用网口，用于远程传输语音信号和组网。

本发明信号处理模块工作过程是：语言信号通过语音共鸣腔将语音信号调制至光载波上，经过调制发射和光纤传输，将语音信号传输至远端接收部分进行信号处理。远端接收首先将携带语音信号的光波转换成电信号并进行放大，经过放大的电信号可以直接通过扬声器实时播放传感到的语音信号。同时，也可以将放大的电信号进行采集并对语音信号进行存储、发送至计算机或网络接口等常规的语音信号数字处理。还能对采集到的语音信号进一步进行光调制以进行组网等。

本发明提供的反电子监测的宽带声波传感器，其工作原理如图7所示。声源发出声波信号，其曲线举例可以描述为外力信号变化曲线10，微纳结构传感部件7在声波外力作用下振动，随着声波外力从弱-中-强变化，导致共振腔的位置遵循a-b-c的改变，导致发射光纤8发射的光载波经过共振腔反射回接收光纤9，接收的光信号强度也变化为弱-中-强，其曲线举例可以描述为光强信号变化曲线11，在接收模块的光电探测器上将光信号转换后的电信号将携带声波信息。最后，采用微处理器采集与处理，获得声波的相关信息。

本发明提供的反电子监测的宽带声波传感器，其频率响应测试结果如图8所示，测试时外界声压为1Pa。1Hz-50Hz的声波由拍频方式产生。结果表明上述传感器10dB带宽的频率响应为1Hz-50MHz，灵敏度最高可达420mV/Pa；在1Hz-20 Hz的次声波范围内，灵敏度也可达112mV/Pa。

本发明提供的反电子监测的宽带声波传感器，具有以下特点：

1、本发明采用激光冲洗技术，在硅基上形成特殊的微纳结构，并与PET膜构成声波传感部件，具有反电子侦测功能。

2、应用硅基微纳结构共振腔力学耦合原理与技术，本发明具有从次声波到超声波的宽谱响应特性，可探测覆盖1Hz到50MHz的次声波、可闻声波及超声波。

3、本发明传感器固件采用热稳定性良好的非金属材料，可工作在大范围温度变化的恶劣环境。

4、传感部件应用微腔技术，形成硅基微纳结构共振腔，提高探测灵敏度，扩展声波探测范围。

5、应用力学耦合原理，应用硅基微纳结构共振腔与PET薄膜材料有效组合，既具有高灵敏声波探测能力，又具有耐强冲击(最高可达10MPa)的力学特性。

6、探测到的声波调制到光载波信号，可由光纤远程传输，实现数十公里乃至更远距离的远程检测与监控。

以上只是本发明的一种实施例，本发明并不局限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种反电子监测的宽带声波传感器，其特征是该传感器主要由光电收发模块、信号获取传感部件、信号处理模块组成，其中：光电收发模块由光发射模块和光接收模块两个部分组成，光发射模块实现激光发射至信号获取传感部件，光接收模块则接收由信号获取传感部件反射的光信号；信号获取传感部件由硅基微纳结构共振腔、支撑件组成，支撑件支撑硅基微纳结构共振腔，共同形成传感声波的部件；信号处理模块主要由电信号依次连接的光电转换、信号放大、语音输出、语音存储和语音传输组成。

2.根据权利要求1所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是信号获取传感部件采用激光冲洗工艺，在硅片上扫描加工，形成微纳结果谐振孔状结构。

3.根据权利要求2所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是将硅基微纳结构共振腔用光学胶固定在环状PET柔顺支撑膜上。

4.根据权利要求2所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是硅片厚度为90-110μm，硅片直径为9.5-10.5mm，形成微纳结构谐振孔状结构高度为8.5-11.5μm。

5.根据权利要求4所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是硅片厚度为100μm，硅片直径为10mm，形成微纳结构谐振孔状结构高度为10μm。

6.根据权利要求1所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是光发射模块包括以光信号连接的激光器、光纤、光纤耦合链接器、自聚焦透镜，以及通过电信号与激光器连接的驱动电路。

7.根据权利要求1所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是光接收模块由光电探测器、光纤耦合链接器、自聚焦透镜组成。

8.根据权利要求1所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是信号处理模块通过电信号与光电探测器连接，用于被传感语音信号的电接收、功率/幅度的放大、播放、存储与远程传输。

9.根据权利要求1所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是设有由热固性ABS材料制成的固件，其由主固件和辅助固件组成，用于固定准直光纤和信号获取传感部件。

10.根据权利要求9所述的反电子监测的宽带声波传感器，其特征是主固件为中空圆筒形；辅助固件为外壁光滑的圆筒形状，其和主固件台阶部分螺纹相连。

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