CN114136431A - 一种基于光学的声敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光学的声敏传感器，通过激光光源不间断发出激光光束照射到谐振片后反射的光线投射到半透明成像片上，在半透明成像片背后形成一光点，当谐振片因声波冲击而发生震动时，该光点的位置会随着谐振片表面的凹凸变化发生改变，微成像器通过连续拍摄半透明成像片背面光点的位置变化图像，将前后多幅光点位置变化图像传输到数字信号处理器，通过对比前后图像以判断光点的位置变化情况，从而得到光点位置变化数值，电流控制器中将光点位置变化信号转换为电流信号，再通过电信号放大器放大后，作为音频信号输出。本发明的传感器灵敏度高，具有较强的防爆、防腐蚀和防潮的能力，尤其能满足埋于地底监听地底情况等特殊环境的应用。
Description
技术领域
本发明涉及声敏传感器领域，具体涉及一种基于光学的声敏传感器。
背景技术
随着科学技术的发展，人们需要采集音频信号的场景越来越多，现有的声敏传感器基本能满足绝大多数场景的应用需求，但对于很多安防工程中如古墓、博物馆、银行金库等场所，由于传统的声敏采集器均是靠声波带动谐振片，通过谐振片的震动由机械传导的方式带动电路中电子元件(电压、电阻、电感和电容)使其改变内部结构，从而达到将声音信号转换为电信号的目的。对于监控环境特殊的地底，声波能量在传输过程中的损失量远大于空气，监控范围大打折扣，而在改变电子元件结构的过程中无疑会造成部分声音动能的损失，那将会使监控范围进一步减小，也就是说，在声音分贝微弱时，剩余的动能将有可能无法达到改变电子元件结构所需要的力，导致很多微弱且重要的声音信息无法被转换为电流信号。同时，现有的传感器大部分是以接触方式传动，导致在高温高压时需要大量先进的材料来隔离温度和压力，以防止损坏电子元件。
发明内容
为了解决传统声敏采集器在将声音信号转换为电信号过程中动能损耗的问题，本发明提出一种基于光学的声敏传感器，采用光线照射到谐振片上发生反射后的反射光线在半透明成像片上形成的光点的位置偏移信息间接的获得谐振片的震动幅度的信息，从而可以避免传统的声敏采集器在信号传输过程中的能量的损失，可用于实现微弱信号的监测。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于光学的声敏传感器，包括物理谐振腔、设置在物理谐振腔顶面的谐振片、以及设置在物理谐振腔内的激光光源、半透明成像片、微成像器、数字信号处理器、电流控制器和电信号放大器，所述激光光源发出激光光源照射到谐振片后发生反射，反射后的光线投射到半透明成像片上，在半透明成像片背后形成一光点，当谐振片因为声波冲击而发生震动时，该光点的位置会随着谐振片表面的凹凸变化发生改变，微成像器通过连续拍摄半透明成像片背面光点的位置变化图像，将位置变化图像传输到数字信号处理器，以判断光点的位置变化情况，从而得到光点位置变化数值，电流控制器将光点位置变化信号转换为电流信号，再通过电信号放大器放大后，作为音频信号输出。
进一步地，所述谐振片在物理谐振腔内的一面光滑且具有反光性。
进一步地，当谐振片发生震动时，谐振片表面会发生凹凸等不规则的形变，导致照射到该表面的光线反射角度发生偏移，进而在半透明成像片上的光点位置会发生相应的改变。
进一步地，数字信号处理器通过对比前后每帧图像中光点的位置变化情况，得到光点位置变化数值，再传递到电流控制器中，改变电路中电流的大小获得电信号，再将电信号通过电信号放大器，得到音频信号。
进一步地，入射角度固定时，半透明成像片距离谐振片距离越远，光点的位置变化灵敏度越高。
进一步地，入射角度固定时，通过增加光线在物理谐振腔内的反射次数，即增加镜面片，使其多次反射后将光点投射到半透明成像片上，从而增加灵敏度。
本发明在机械传动部分进行了改进，采用光线照射到谐振片上发生反射后的反射光线在半透明成像片上形成的光点的位置偏移信息间接的获得谐振片的震动幅度的信息，从而可以避免传统的声敏采集器在信号传输过程中的能量的损失，可用于实现微弱信号的监测。
本发明的传感器灵敏度高，具有较强的防爆、防腐蚀和防潮的能力，尤其能满足埋于地底监听地底情况等特殊环境的应用。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于光学的声敏传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例中谐振片震动与光点位置关系示意图；
图中：(a)谐振片无形变光线成像结果；(b)谐振片凸形变光线成像结果；(c)谐振片凹形变光线成像结果。
图3为HDNS2000内部模块框图。
图4为HDNS2000芯片的结构图。
图5为光点移动状态变化示意图。
图6为负向移动和正向移动时输出的电流波形；
图中：(a)负向移动时输出的电流波形；(b)正向移动时输出的电流波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的一种基于光学的声敏传感器，包括物理谐振腔1、设置在物理谐振腔1顶面的谐振片2、以及设置在物理谐振腔1内的激光光源3、半透明成像片4、微成像器5、数字信号处理器6、电流控制器7和电信号放大器8，所述谐振片2在物理谐振腔内的一面光滑且具有反光性，所述激光光源3发出激光光源照射到谐振片后发生反射，反射后的光线投射到半透明成像片4上，在半透明成像片4背后形成一个细小的光点，当谐振片2因为声波冲击而发生震动时，谐振片2表面会发生凹凸等不规则的形变，导致照射到该表面的光线反射角度发生偏移，进而在半透明成像片上的光点位置会发生相应的改变，微成像器5通过连续拍摄半透明成像片背面光点的位置变化图像，将位置变化图像经数据线9传输到数字信号处理器6，数字信号处理器6通过对比各位置变化图像内光点的位置得到光点位置变化数值，将该光点位置变化数值传输到电流控制器7中，将光点位置变化信号转换为电流信号，改变电路中电流的大小获得电信号，再通过电信号放大器放大后，作为音频信号经音频信号输出端11输出。
图2中，(a)图表示谐振片在无形变情况下，激光光线经过谐振片反射后在半透明成像片背面的光点成像位置示意图，其入射角用a1表示。(b)图表示谐振片在凸形变情况下，激光光线经过谐振片反射后在半透明成像片背面的光点成像位置示意图，其入射角用α2表示。(c)图表示谐振片在凹形变情况下，激光光线经过谐振片反射后在半透明成像片背面的光点成像位置示意图，其入射角用α3表示。观察成像结果光线的位置能随着谐振片的幅度变化光点在半透明成像片背面的成像位置信息也会发生改变，并且可以得到当谐振片无形变、凸形变和凹形变的时候光线的入射角满足：α3＞α1＞a2，根据这个原理，当入射固定时，半透明成像片距离谐振片距离越远，其成像后光点的位置变化灵敏度越高。因此，在实际工程中为了提高声敏传感器的采集灵敏度，适当的调节半透明成像片都谐振片的距离能有效增强传感器的灵敏度。
本发明通过数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)对比图(a)、图(b)、图(c)得到光点位置信息变化的移动数值，传递到电流控制器中，改变电路中电流的大小获得电信号，再将电信号通过电信号放大器，得到音频信号，避免了传统声敏传感器采用机械原理来改变电流大小的过程，从而可以更好的采集微弱的声波信号。
本实施例中，激光光源型号可以为市面上已有的可见光点状光源，如深圳市远大激光科技有限公司生产的激光器，型号：YD-D650P5-S12-36。
本实施例中，所述微成像器可采用高安捷伦(Agilent)公司生产的高性能运动检测器件，型号为HDNS2000芯片，该芯片包含了，图像采集系统、数字图像处理器、状态电流输出模块，三个基本模块组成，HDNS2000内部模块框图如图3所示。该芯片的底部自带一个小型摄像头即为本专利中微成像器。该摄像头的性能：每秒可拍摄1500张图像，解析度为400点每英寸。将采集的图像输入到数字信号处理模块中，通过对比前后两帧图像的差异判断光点的运动方向和大小。HDNS2000芯片结构如图4所示：
PS2_C：PS/2接口的时钟端。
XA：引脚，为XA输出。
XB：引脚，为XB输出。
YA：引脚，为YA输出。
YB：引脚，为YB输出。
XY_KED：激光光源控制输出，在光点较长时间不移动时，HDNS2000可以控制激光发射器关闭，达到节约能量的目的。
VDD3：3.3V直流电源输入。
REFB：内部参考引脚，通过电容与VDD3连接
PS2_D：PS/2接口的数据端。
NRESET：低电平复位引脚。
VDD5：5V直流电流输入。
GND：电源地。
0SC2：晶振输出。
OSC1：晶振输入，外接18.432MHz晶振。
本实施例中，所述电信号放大器可以采用市面上已有的产品，如型号为MAX9814的高性能麦克风放大器。
值得注意的是，半透明成像片的尺寸需满足：照射到该成像片上的光点，无论在谐振片如何因声波震动下发生形变导致入射角变化时反射的光点均能在成像片上成像，并且成像片的大小应在微成像器的采集范围内；激光的入射角度，根据激光发射器、谐振片、半透明成像片三者的位置决定，目的是为了保证发出的光源通过谐振片反射后能将光点打在半透明成像片内部，且无论谐振片在声波的震动下如何形变改变入射面角度，其最终光点均能在半透明成像片内部成像。
电信号状态输出：
判断光点位置变化，即X方向与Y方向两通道四种状态输出模式，此时，XA、XB表示在X方向移动状态，而YA、YB表示在Y方向移动状态，如图5所示，一开始光点处于状态0，每当检测到光点正向或反向移动1个单位时就转移到下一个状态，因此，只要连续检测光点状态变化就可以判断光点移动的方向和距离。图6(a)和(b)分别为负向移动和正向移动时输出的电流波形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：包括物理谐振腔、设置在物理谐振腔顶面的谐振片、以及设置在物理谐振腔内的激光光源、半透明成像片、微成像器、数字信号处理器、电流控制器和电信号放大器，所述激光光源发出激光光源照射到谐振片后发生反射，反射后的光线投射到半透明成像片上，在半透明成像片背后形成一光点，当谐振片因为声波冲击而发生震动时，该光点的位置会随着谐振片表面的凹凸变化发生改变，微成像器通过连续拍摄半透明成像片背面光点的位置变化图像，将位置变化图像传输到数字信号处理器，以判断光点的位置变化情况，从而得到光点位置变化数值，电流控制器中将光点位置变化信号转换为电流信号，再通过电信号放大器放大后，作为音频信号输出。
2.如权利要求1所述的一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：所述谐振片在物理谐振腔内的一面光滑且具有反光性。
3.如权利要求1所述的一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：当谐振片发生震动时，谐振片表面会发生凹凸等不规则的形变，导致照射到该表面的光线反射角度发生偏移，进而在半透明成像片上的光点位置会发生相应的改变。
4.如权利要求1所述的一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：数字信号处理器通过对比前后每帧图像中光点的位置变化情况，得到光点位置变化数值，再传递到电流控制器中，改变电路中电流的大小获得电信号，再将电信号通过电信号放大器，得到音频信号。
5.如权利要求1所述的一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：入射角度固定时，半透明成像片距离谐振片距离越远，光点的位置变化灵敏度越高。
6.如权利要求1所述的一种基于光学的声敏传感器，其特征在于：通过增加光线在物理谐振腔内的反射次数，即增加镜面片，使其多次反射后将光点投射到半透明成像片上，从而增加灵敏度。
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