CN114112002B - 一种无振膜干涉型光纤声传感器探头和光纤声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，包括壳体具有中空结构，盖片设置于壳体的上方；反光片，设置于盖片的下表面，反光片沿壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因第一反光部和第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；光纤固定结构具有中空柱状结构，光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于壳体的下部；光纤，固定于光纤固定结构内部。本申请实现对高声压声波的敏感，通过极短光程差和轴对称结构，提高光路抗温度变化的能力，实现高对比度的干涉，使干涉型光纤传感探头具有良好的稳定性。本申请中光纤声传感器探头的结构简单，体积小，制作容易，成本低。本发明还涉及一种无振膜干涉型光纤声传感器。

Description

一种无振膜干涉型光纤声传感器探头和光纤声传感器

技术领域

本发明涉及声传感技术领域，尤其涉及一种无振膜干涉型光纤声传感器探头和光纤声传感器。

背景技术

作为一种新型声传感器，光纤声传感器与现有电动式、压电式和电容式等传统的声-电直接转换原理的声传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输损耗低、耐腐蚀、体积小和重量轻等优点。在环境噪声监测、噪声源定位和光声探测等应用领域也有广泛的需求，特别是对强电磁干扰环境下的声波拾取具有不可替代性。因此光纤声传感器得到了广泛研究。

现有干涉型光纤声传感器大多基于振膜结构，通常动态范围上限小，同时由于干涉结构光路受温度影响大稳定性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无振膜干涉型光纤声传感器探头和光纤声传感器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，包括：

壳体，具有中空结构，所述壳体内壁的下部设置有螺纹；

盖片，设置于所述壳体的上方；

反光片，设置于所述盖片的下表面，所述反光片沿所述壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因所述第一反光部和所述第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；

光纤固定结构，具有中空柱状结构，所述光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于所述壳体的下部；

光纤，固定于所述光纤固定结构内部；

其中，所述壳体、所述盖片、所述反光结构、所述光纤固定结构和所述光纤共同构成一传声腔体，所述反光结构反射从所述光纤出射的光得到干涉光，当声波作用于探头，引起所述干涉光的强度变化。

本方法发明的有益效果是：提出了一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，包括：壳体，具有中空结构，所述壳体内壁的下部设置有螺纹；盖片，设置于所述壳体的上方；反光片，设置于所述盖片的下表面，所述反光片沿所述壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因所述第一反光部和所述第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；光纤固定结构，具有中空柱状结构，所述光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于所述壳体的下部；光纤，固定于所述光纤固定结构内部；其中，所述壳体、所述盖片、所述反光结构、所述光纤固定结构和所述光纤共同构成一传声腔体，所述反光结构反射从所述光纤出射的光得到干涉光，当声波作用于探头，引起所述干涉光的强度变化。本申请针对现有光纤声传感器动态范围上限小的问题，通过采无振膜结构，通过对空气折射率变化的敏感，实现对高声压声波的敏感；针对现有技术方案中干涉结构光路受温度影响大的问题，通过极短光程差和轴对称结构，提高光路抗温度变化的能力，实现高对比度的干涉，使干涉型光纤传感探头具有良好的稳定性。本申请中光纤声传感器探头的结构简单，体积小，制作容易，成本低。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述台阶的高度为预设工作激光波长的1/4至10微米，所述反光片的台阶一侧朝向所述壳体的内部，即所述反光片的反光面朝向所述壳体内部。

进一步地，所述反光片的反光面是镀于振膜朝向所述壳体内部一侧的金属反射层或介质反射层。

进一步地，所述反光片由金属材料、硅片或玻璃片制成。

进一步地，所述光纤是单模光纤或由自聚焦光纤与单模光纤熔接形成的光纤。

进一步地，所述壳体下部垂直于轴的方向设有顶丝孔，所述顶丝孔沿所述壳体的圆周均匀分布；

所述壳体还包括顶丝，所述顶丝数量与所述顶丝孔数量一致，安装于所述顶丝孔的螺丝孔内，用于固定所述光纤固定结构。

进一步地，所述盖片与所述反光片的一侧紧贴，安装于所述壳体的外部，用于保护所述反光片。

进一步地，所述壳体和所述光纤固定结构分别是由不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金和镍铬合金中的一种或几种金属材料制备。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：

一种光纤声传感器，包括如上述技术方案中任一所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头和第二壳体，所述无振膜干涉型光纤声传感器探头安装在所述第二壳体上。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为根据本发明实施例一种无振膜干涉型光纤声传感器探头结构剖面示意图；

图2为根据本发明实施例一种无振膜干涉型光纤声传感器探头的壳体结构剖面示意图；

图3为根据本发明实施例一种无振膜干涉型光纤声传感器探头的反光片结构示意图；

图4为根据本发明实施例一种无振膜干涉型光纤声传感器探头的光纤结构示意图；

其中，附图标记：

1-壳体、101－入声孔、102－顶丝孔、2－反光片、3－光纤固定结构、4－光纤、401－自聚焦光纤、5－顶丝、6－盖片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

光纤声传感器根据调制光学参量的不同，可分为强度型、相位型、波长型等，其中相位型是通过不同的干涉结构实现的，包括Michelson干涉结构、Mach-Zehnder干涉结构、法-珀干涉结构、Sagnac干涉结构，波长型主要是基于光栅结构。

这些不同类型的光纤声传感器各有特点，强度型原理简单，但它受光源强度起伏和光电探测器噪声的影响较大，因此它的本底噪声比较大；波长型抗干扰能力强，但需要波长解调，因此这类光纤声传感器一般需要利用光谱仪，这导致系统体积比较大，成本比较高；相位型是基于各种干涉结构实现的，干涉检测方法是一种公认的超灵敏检测方法，因此这类光纤声传感器灵敏度高。

相位调制型光纤声传感器是声波引起了光纤纤芯折射率变化或是引起光传播路径发生变化，进而引起光程发生变化，从而导致相位变化，但由于光频过高，目前不能直接检测光波相位变化。然而通过干涉仪结构，可将相位变化转换为随之变化的强度变化，通过解调即可得到声波信号。

为了克服现有技术存在动态范围上限小和稳定性差的问题，本申请提供一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，通过无振膜结构，采用对空气折射率敏感的结构实现对高声压声波的敏感；同时通过结构实现极短光程差和轴对称结构，提高光路抗温度变化的能力，实现高对比度的干涉，使无振膜干涉型光纤声传感器探头本身具有良好的稳定性。

如图1-4所述，本发明实施例所述的一种无振膜干涉型光纤声传感器探头包括：

壳体，具有中空结构，所述壳体内壁的下部设置有螺纹；

盖片，设置于所述壳体的上方；

反光片，设置于所述盖片的下表面，所述反光片沿所述壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因所述第一反光部和所述第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；

光纤固定结构，具有中空柱状结构，所述光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于所述壳体的下部；

光纤，固定于所述光纤固定结构内部；

其中，所述壳体、所述盖片、所述反光结构、所述光纤固定结构和所述光纤共同构成一传声腔体，所述反光结构反射从所述光纤出射的光得到干涉光，当声波作用于探头，引起所述干涉光的强度变化。

基于上述实施例，进一步地，所述台阶的高度为预设工作激光波长的1/4至10微米，所述反光片的台阶一侧朝向所述壳体的内部，即所述反光片的反光面朝向所述壳体内部。

进一步地，所述反光片的反光面是镀于振膜朝向所述壳体内部一侧的金属反射层或介质反射层。

进一步地，所述反光片由金属材料、硅片或玻璃片制成。

进一步地，所述光纤是单模光纤或由自聚焦光纤与单模光纤熔接形成的光纤。

进一步地，所述壳体下部垂直于轴的方向设有顶丝孔，所述顶丝孔沿所述壳体的圆周均匀分布；

所述壳体还包括顶丝，所述顶丝数量与所述顶丝孔数量一致，安装于所述顶丝孔的螺丝孔内，用于固定所述光纤固定结构。

进一步地，所述盖片与所述反光片的一侧紧贴，安装于所述壳体的外部，用于保护所述反光片。

进一步地，所述壳体和所述光纤固定结构分别是由不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金和镍铬合金中的一种或几种金属材料制备。

应理解，如上述实施例所述的一种无振膜干涉型光纤声传感器探头壳体，为一中空结构，其内壁下半部分设有螺纹；反光片，为片状结构，其外形为矩形或圆形，沿对称轴反光片分为两部分，厚度不同，形成台阶，形成台阶的两个平面分别为两个反光面，台阶高度为工作激光波长的1/4至10微米之间，所述反光片有台阶的一侧朝向壳体内部。

光纤固定结构，为一中空柱状结构，其外侧面设螺纹，所述的光纤固定结构安装于壳体下部。光纤，固定于光纤固定结构内，用于传光。

在无振膜干涉型光纤声传感器探头结构中，形成台阶的两个反光面分别反射从光纤出射的光，通过轴对称结构，实现对入射光均等反射，由于台阶高度极小，两束反射光强度基本相等，从而获得高对比度的干涉条纹，当声波作用于探头，导致光路中的空气折射率发生变化，从而引起干涉光强度的变化，实现无振膜声波敏感。反光片的反光面为振膜本身朝向壳体内部的面，反光片的反光面为镀于振膜朝向壳体内部一侧的金属反射层或介质反射层。反光片由金属材料、硅片、玻璃片制作。光纤为单模光纤或所述的光纤为自聚焦光纤与单模光纤熔接形成的光纤。壳体下部垂直于轴的方向设有顶丝孔，孔的个数为2－4个，沿圆周均匀分布；还包括顶丝，其个数与固定螺丝孔的个数一致，安装于固定螺丝孔内，用于固定插光纤固定结构；盖片，从反光片一侧安装在壳体的外部，保护反光片。

壳体和光纤固定结构由以下材料其中的一种或几种金属材料制备：不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金、镍铬合金。

基于上述实施例中提出的一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，包括壳体，具有中空结构，所述壳体内壁的下部设置有螺纹；盖片，设置于所述壳体的上方；反光片，设置于所述盖片的下表面，所述反光片沿所述壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因所述第一反光部和所述第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；光纤固定结构，具有中空柱状结构，所述光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于所述壳体的下部；光纤，固定于所述光纤固定结构内部；其中，所述壳体、所述盖片、所述反光结构、所述光纤固定结构和所述光纤共同构成一传声腔体，所述反光结构反射从所述光纤出射的光得到干涉光，当声波作用于探头，引起所述干涉光的强度变化。本申请针对现有光纤声传感器动态范围上限小的问题，通过采无振膜结构，通过对空气折射率变化的敏感，实现对高声压声波的敏感；针对现有技术方案中干涉结构光路受温度影响大的问题，通过极短光程差和轴对称结构，提高光路抗温度变化的能力，实现高对比度的干涉，使干涉型光纤传感探头具有良好的稳定性。本申请中光纤声传感器探头的结构简单，体积小，制作容易，成本低。

本申请还提供一种光纤声传感器，包括如上述技术方案中任一所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头和第二壳体，所述无振膜干涉型光纤声传感器探头安装在所述第二壳体上。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，包括：

壳体，具有中空结构，所述壳体内壁的下部设置有螺纹；

盖片，设置于所述壳体的上方；

反光片，设置于所述盖片的下表面，所述反光片沿所述壳体的对称轴分为第一反光部和第二反光部，因所述第一反光部和所述第二反光部的厚度不同，从而形成台阶；

光纤固定结构，具有中空柱状结构，所述光纤固定结构的外侧面设置螺纹，通过螺纹固定于所述壳体的下部；

光纤，固定于所述光纤固定结构内部；

其中，所述壳体、所述盖片、所述反光片、所述光纤固定结构和所述光纤共同构成一传声腔体，所述反光片反射从所述光纤出射的光得到干涉光，当声波作用于探头，引起所述干涉光的强度变化；

具体地，形成台阶的两个反光面分别反射从光纤出射的光，通过轴对称结构，实现对入射光均等反射，由于台阶高度极小，两束反射光强度基本相等，从而获得高对比度的干涉条纹，当声波作用于探头，导致光路中的空气折射率发生变化，从而引起干涉光强度的变化。

2.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述台阶的高度为预设工作激光波长的1/4至10微米，所述反光片的台阶一侧朝向所述壳体的内部，即所述反光片的反光面朝向所述壳体内部。

3.根据权利要求2所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述反光片的反光面是镀于振膜朝向所述壳体内部一侧的金属反射层或介质反射层。

4.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述反光片由金属材料、硅片或玻璃片制成。

5.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述光纤是单模光纤或由自聚焦光纤与单模光纤熔接形成的光纤。

6.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述壳体下部垂直于轴的方向设有顶丝孔，所述顶丝孔沿所述壳体的圆周均匀分布；

所述壳体还包括顶丝，所述顶丝数量与所述顶丝孔数量一致，安装于所述顶丝孔的螺丝孔内，用于固定所述光纤固定结构。

7.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述盖片与所述反光片的一侧紧贴，安装于所述壳体的外部，用于保护所述反光片。

8.根据权利要求1所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头，其特征在于，所述壳体和所述光纤固定结构分别是由不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金和镍铬合金中的一种或几种金属材料制备。

9.一种光纤声传感器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的无振膜干涉型光纤声传感器探头和第二壳体，所述无振膜干涉型光纤声传感器探头安装在所述第二壳体上。