CN114235134A - 一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器 - Google Patents
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Abstract
一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤，单模光纤的端头外包裹有内径为微米级别的支撑毛细管，单模光纤的端头和光纤端面微球连接；单模光纤端面和光纤端面微球分界面形成第一分界面，光纤端面微球和环境空气分界面形成第二分界面，第一分界面和第二分界面之间形成Fizeau干涉微腔，被测的声波作用在光纤端面微球上，在弹光效应的作用下导致Fizeau干涉微腔内折射率发生改变，进而使得Fizeau干涉相位改变，当通过给单模光纤注入窄带激光，通过测量Fizeau干涉输出光的光强解析出相位的改变从而反演出被测的声波信息；本发明具有平坦的频响特性，对全方向声波都敏感，具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤声传声器技术领域，尤其涉及一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器。
背景技术
声传感器(麦克风)是一种拾取声波信息检测装置，广泛用于生产生活、设备状态监测、智能制造等各个领域。现有的电学声传感器，抗电磁干扰能力差、测量频带窄、灵敏度低、需要供电、无法满足恶劣电磁环境变电站、富有瓦斯气体煤矿井下、石油开采油井等恶劣环境中对声波的测量需求。光纤声传感器与传统电学传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、本质无源等优势，可以在强电磁干扰环境下、煤矿油井等防爆要求较高的场合中应用，且光纤可以直接将信号与通信系统连接，便于将测得的声波信息实时远程传输。
然而，现有的光纤声传感器含有振膜结构，其机理为利用振膜在被测声波的作用下产生振动，通过光学方法测得振膜的振动，进而反演出声波信息。由于受到振膜机械共振的影响，使得含振膜结构的光纤声传感器对共振频率附近的声波响应灵敏度很高，而频率远离共振频率处的响应灵敏度很低，进而导致在宽频带被测声波范围内，频率响应不平坦，难以完成对宽频声波的测量；此外，现有光纤声传感器通常只能敏感垂直于振膜方向传播的声波信息，即仅能测量单一方向的声波，这对声源位置未知声波信号的测量带来了困难。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，在20Hz～20kHz范围内具有平坦的频响特性，对全方向声波都敏感，可实现对声源位置不确定的声波进行精确测量；具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤1，单模光纤1的端头外包裹有内径为微米级别的支撑毛细管3，单模光纤1的端头和光纤端面微球2连接，通过光纤端面微球2接受声波4；单模光纤1端面和光纤端面微球2分界面形成第一分界面5，光纤端面微球2和环境空气分界面形成第二分界面6，第一分界面5和第二分界面6之间形成Fizeau干涉微腔，被测的声波4作用在光纤端面微球2上，在弹光效应的作用下导致Fizeau干涉微腔内折射率发生改变，进而使得Fizeau干涉相位改变，当通过给单模光纤1注入窄带激光，通过测量Fizeau干涉输出光的光强解析出相位的改变从而反演出被测的声波4信息。
所述的光纤端面微球2与单模光纤1端面、支撑毛细管3熔接形成一个整体。
所述的光纤端面微球2为实心结构，由同一种均匀材料构成，在不施加声压的情况下各向同性，仅当有声波4作用在光纤端面微球2上时才会在声压的作用下感应出光轴，呈现各向异性的特征，并产生折射率变化。
所述的光纤端面微球2半径、材料固有折射率引起的初始相位差和Guoy相移引起的相位差之和应接近π/2。
所述的光纤微球声传感器通过单模光纤1注入输入光7并通过同一单模光纤1接收光纤微球声传感器的输出光8。
给单模光纤1注入输入光7的窄带激光波长3dB，带宽应小于1nm，窄带激光波长应同时满足能在单模光纤1材料和光纤端面微球2材料中低损耗传输。
所述的单模光纤1长度根据实际应用控制，即激光器和光强测量器件能够置于距离光纤微球声传感器较远的数公里以外地点，实现对声波4信号的远程探测。
所述的光纤微球声传感器接收所处环境中任意方向传输至光纤微球声传感器的声波4信号，由于光纤端面微球2材料和结构的高度均匀性和对成性，光纤微球声传感器对来自空间任意方向的声波4具有高度一致的灵敏度。
所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的制备方法为：
步骤1，将支撑毛细管3尾端浸入聚合物溶液9中；
步骤2，通过滴蘸提拉方法将支撑毛细管3提拉出聚合物溶液9，在支撑毛细管3尾端上形成一个光纤端面微球2，此时光纤端面微球2处于液滴状态；
步骤3，在光纤端面微球2固化前，将端面平整的单模光纤1经过支撑毛细管3伸入光纤端面微球2内部，在此过程中实时观察输出光8的光谱特征，当输出光8呈现出频域干涉光谱时，让单模光纤1停止伸入，并保持由单模光纤1、光纤端面微球2、支撑毛细管3构成的结构静止，待光纤端面微球2中的溶剂完全挥发，光纤端面微球2由液滴状固化为固态稳定后，制备完成。
所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的测试系统，包括窄带激光器10，由窄带激光器10发出的激光经过环形器光源输入光纤16传输至光纤环形器11，然后通过环形器连接传感器光纤18传输至光纤微球声传感器，光纤微球声传感器将获取的传感信号通过环形器连接传感器光纤18传回光纤环形器11，并经环形器光信号返回光纤17传输到光电探测器12；光电探测器12将光信号转化为电流信号，然后经第一同轴电缆19传输至电流/电压转换放大器13转成电压信号，再由第二同轴电缆20传输到数据采集器14进行采集；在此过程中，光纤微球声传感器接收到由声发射器15发出的声波4将最终转化成数据采集器14采集到的数据，对数据采集器14采集到的数据进行分析处理，便获得被测声波4的时域、频率信息，通过分析时域、频率信息便分析出光纤微球声传感器的性能。
本发明的有益效果为：
由于本发明光纤微球声传感器不含有机械振膜结构，不受振膜共振效应的影响，本发明光纤微球声传感器在20Hz～20kHz整个人耳可听频段内具有平坦的频响特性；此外，来自任何方向的声波都可被接收并转化为光学信号，使得光纤微球声传感器可实现对声波信号的全向测量，克服了传统传感器仅对单方向声波敏感的局限性。
本发明光纤微球声传感器制作简单、测量频带宽、频响特性好、成本低廉、体积超小、可测量来自任意方向的声波、易于产业化，在语音通讯、故障诊断、噪声监测、军事监听、智能制造等各个领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的光纤端面微球Fizeau干涉原理图。
图3为本发明实施例的制备流程图。
图4为本发明实施例的传感器输出光谱图。
图5为本发明实施例的传感性能测试系统结构示意图。
图6为本发明实施例对不同频率声波响应测试结果图。
图7为本发明实施例的频响图。
图8为本发明实施例的方向敏感性能测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
如图1所示，一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤1，单模光纤1的端头外包裹有内径127微米左右的支撑毛细管3，单模光纤1的端头和光纤端面微球2连接，通过光纤端面微球2接受声波4。
如图2所示，所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的光纤端面微球Fizeau干涉仪的干涉机制为：当输入光7注入光纤端面微球2后，部分光被单模光纤1端面和光纤端面微球2分界面形成的第一分界面5反射，形成第一逆向光束；其余部分透射过第一分界面5到达光纤端面微球2和环境空气分界面形成第二分界面6，由于第二分界面6的反射作用，又有部分光束被反射形成第二逆向光束，第一逆向光束和第二逆向光束在光纤中进行干涉形成输出光8；由于第一分界面5和第二分界面6的反射率较低，该干涉为Fizeau干涉，第一分界面5和第二分界面6之间形成Fizeau干涉微腔；输出光8的光强取决于第一逆向光束和第二逆向光束之间的相位差，该相位差由两部分构成：其中一部分是Guoy相移引起的相位差；另一部分是第一逆向光束和第二逆向光束所经历光程的不同造成的相位差，其可表示为：
式中，
为第一逆向光束和第二逆向光束之间的相位差；n为纤端面微球2组成材料的固有折射率；d为第一分界面5和第二分界面6之间的间距；ω和ω’为光束经过第一分界面5和第二分界面6而形成新光束的束腰直径；
为由纤端面微球2几何结构形成的固有相位差；通过上式可以看出，当Guoy相移和初始相位差之和等于π/2时，Fizeau干涉输出光强Iout为：
如图1所示，当被测的声波4作用在光纤端面微球2上时，由于弹光效应，施加在光纤端面微球2上的声压将导致光纤端面微球2折射率的变化，即：
Δn∝k·p
式中，k为由光纤端面微球2材料的弹光系数，为一个常数；p为施加在光纤端面微球2上的声压；从上式可以看出，施加在光纤端面微球2上的声压将导致光纤端面微球2折射率的变化，进而引起第二逆向光束光程改变，即第一逆向光束和第二逆向光束之间的相位差
产生变化，最终导致输出光8的光强随着被测的声波4的变化而变化；因此，通过检测输出光8的光强变化便可获得被测的声波4的信息；由于光纤微球声传感器中利用的是材料的弹光效应而不是传统方案中采用的振膜机械振动效应，因此没有振膜机械共振的制约，传感器响应频带宽度得到极大提高。
如图3所示，所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的制备方法为：
步骤1，将内径127微米左右的支撑毛细管3尾端浸入聚合物溶液9中；
步骤2，通过滴蘸提拉方法将内径127微米左右的支撑毛细管3提拉出聚合物溶液9，此时在聚合物溶液9自身表面张力和重力的双重作用下，在内径127微米左右的支撑毛细管3尾端上形成一个直径约为1mm左右的光纤端面微球2，此时光纤端面微球2处于液滴状态；
步骤3，在光纤端面微球2固化前，将端面平整的单模光纤1经过127微米左右的支撑毛细管3伸入光纤端面微球2内部，在此过程中实时观察输出光8的光谱特征，当输出光8呈现出如图4所示光谱特征时(呈现频域干涉条纹，某些波长的光强为很低，某些波长的光强很高)，让单模光纤1停止伸入，并保持由单模光纤1、光纤端面微球2、127微米左右的支撑毛细管3构成的结构静止，待光纤端面微球2中的溶剂完全挥发，光纤端面微球2由液滴状固化为固态稳定后，光纤微球声传感器制备完成。
由于聚合物的粘接作用，单模光纤1、127微米左右的支撑毛细管3、光纤端面微球2形成稳定的整体，具备很好的机械稳定性；光纤端面微球2材料折射率与单模光纤1纤芯折射率、光纤端面微球2周围环境空气折射率有较大区别，光纤端面微球2材料具有较高的弹光系数，在被测声压的作用下光纤端面微球2折射率发生较大变化。
所述的光纤端面微球2为实心结构，由同一种均匀材料构成，在不施加声压的情况下各向同性，仅当有声波4作用在光纤端面微球2上时才会在声压的作用下感应出光轴，呈现各向异性的特征，并产生折射率变化。
所述的Fizeau干涉微腔的长短通过调节第一分界面5和第二分界面6之间间距调节，腔为实心腔，在被测的声波4的作用下腔的几何尺寸不发生变化。
给单模光纤1注入输入光7的窄带激光波长3dB，带宽应小于1nm，窄带激光波长应同时满足能在单模光纤1材料和光纤端面微球2材料中低损耗传输。
如图5所示，所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的测试系统，包括窄带激光器10、光纤环形器11、光电探测器12、电流/电压转换放大器13、数据采集器14、声发射器15、环形器光源输入光纤16、环形器光信号返回光纤17、环形器连接传感器光纤18、第一同轴电缆19、第二同轴电缆20；由窄带激光器10发出的激光经过环形器光源输入光纤16传输至光纤环形器11，然后通过环形器连接传感器光纤18传输至光纤微球声传感器，光纤微球声传感器将获取的传感信号通过环形器连接传感器光纤18传回光纤环形器11，并经环形器光信号返回光纤17传输到光电探测器12；光电探测器12将光信号转化为电流信号，然后经第一同轴电缆19传输至电流/电压转换放大器13转成电压信号，再由第二同轴电缆20传输到数据采集器14进行采集；在此过程中，光纤传感器接收到由声发射器15发出的声波4将最终转化成数据采集器14采集到的数据；对数据采集器14采集到的数据进行分析处理，便可获得被测声波4的时域、频率信息；通过分析获得的时域、频率信息便可分析出光纤微球声传感器的性能。
如图6所示，图6给出了本实施例光纤微球声传感器对不同频率、不同声压的声波4的测试结果，从中可以看出，光纤微球声传感器对5kHz、10kHz、15kHz、20kHz声波均具有很好的响应，光纤微球声传感器信噪比均为60dB左右，对该四种频率的最低检测限可根据各频谱图计算出，分别为：10.26μPa/Hz-1/2、10.48μPa/Hz-1/2、9.58μPa/Hz-1/2、9.47μPa/Hz-1/2。
如图7所示，图7给出了本实施例光纤微球声传感器的频响图，从图中可以看出，光纤微球声传感器对频率为20Hz～20kHz范围内的声波均具有很好的响应，最低检测限均在10μPa/Hz-1/2上下，没有出现传统含振膜结构声传感器所存在的共振问题。
为了进一步验证光纤微球声传感器响应的方向性，将声发射器15发出频率为10kHz、声压为55mPa的声波4，沿着不同方向施加在光纤微球声传感器上，通过测量每一方向上测试系统输出电压来验证光纤微球声传感器对方向的敏感性能，测试结果如图8所示，从图中可以看出，沿着任何方向施加在光纤微球声传感器上的声波均可被光纤传感器捕获，且光纤微球声传感器对全方向的声波4具有一致的响应特性，这说明光纤微球声传感器具有全方位敏感声波4的能力，突破了传统声传感器仅能敏感单一方向声波的局限性。
以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明技术特征包含但不局限于本实施例，任何在本发明的基础上所作的变化或修饰，皆涵盖在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤(1)，其特征在于：单模光纤(1)的端头外包裹有内径为微米级别的支撑毛细管(3)，单模光纤(1)的端头和光纤端面微球(2)连接，通过光纤端面微球(2)接受声波(4)；单模光纤(1)端面和光纤端面微球(2)分界面形成第一分界面(5)，光纤端面微球(2)和环境空气分界面形成第二分界面(6)，第一分界面(5)和第二分界面(6)之间形成Fizeau干涉微腔，被测的声波(4)作用在光纤端面微球(2)上，在弹光效应的作用下导致Fizeau干涉微腔内折射率发生改变，进而使得Fizeau干涉相位改变，当通过给单模光纤(1)注入窄带激光，通过测量Fizeau干涉输出光的光强解析出相位的改变从而反演出被测的声波(4)信息。
2.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的光纤端面微球(2)与单模光纤(1)端面、支撑毛细管(3)熔接形成一个整体。
3.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的光纤端面微球(2)为实心结构，由同一种均匀材料构成，在不施加声压的情况下各向同性，仅当有声波(4)作用在光纤端面微球(2)上时才会在声压的作用下感应出光轴，呈现各向异性的特征，并产生折射率变化。
4.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的光纤端面微球(2)半径、材料固有折射率引起的初始相位差和Guoy相移引起的相位差之和应接近π/2。
5.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的光纤微球声传感器通过单模光纤(1)注入输入光(7)并通过同一单模光纤(1)接收光纤微球声传感器的输出光(8)。
6.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：给单模光纤(1)注入输入光(7)的窄带激光波长3dB，带宽应小于1nm，窄带激光波长应同时满足能在单模光纤(1)材料和光纤端面微球(2)材料中低损耗传输。
7.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的单模光纤(1)长度根据实际应用控制，即激光器和光强测量器件能够远离光纤微球声传感器实现对声波(4)信号的远程探测。
8.根据权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，其特征在于：所述的光纤微球声传感器接收所处环境中任意方向传输至光纤微球声传感器的声波(4)信号，光纤微球声传感器对来自空间任意方向的声波(4)具有高度一致的灵敏度。
9.根据权利要求5所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将支撑毛细管(3)尾端浸入聚合物溶液(9)中；
步骤2，通过滴蘸提拉方法将支撑毛细管(3)提拉出聚合物溶液(9)，在支撑毛细管(3)尾端上形成一个光纤端面微球(2)，此时光纤端面微球(2)处于液滴状态；
步骤3，在光纤端面微球(2)固化前，将端面平整的单模光纤(1)经过支撑毛细管(3)伸入光纤端面微球(2)内部，在此过程中实时观察输出光(8)的光谱特征，当输出光(8)呈现出频域干涉条纹时，让单模光纤(1)停止伸入，并保持由单模光纤(1)、光纤端面微球(2)、支撑毛细管(3)构成的结构静止，待光纤端面微球(2)中的溶剂完全挥发，光纤端面微球(2)由液滴状固化为固态稳定后，制备完成。
10.权利要求1所述的一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器的测试系统，其特征在于，包括窄带激光器(10)，由窄带激光器(10)发出的激光经过环形器光源输入光纤(16)传输至光纤环形器(11)，然后通过环形器连接传感器光纤(18)传输至光纤微球声传感器，光纤微球声传感器将获取的传感信号通过环形器连接传感器光纤(18)传回光纤环形器(11)，并经环形器光信号返回光纤(17)传输到光电探测器(12)；光电探测器(12)将光信号转化为电流信号，然后经第一同轴电缆(19)传输至电流/电压转换放大器(13)转成电压信号，再由第二同轴电缆(20)传输到数据采集器(14)进行采集；在此过程中，光纤微球声传感器接收到由声发射器(15)发出的声波(4)将最终转化成数据采集器(14)采集到的数据，对数据采集器(14)采集到的数据进行分析处理，便获得被测声波(4)的时域、频率信息，通过分析时域、频率信息便分析出光纤微球声传感器的性能。
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| CN202111551559.XA Pending CN114235134A (zh) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114235134A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220244096A1 (en) * | 2019-05-20 | 2022-08-04 | Hoasys | Fibre-optic acoustic sensor and associated measurement system, vehicle and measurement method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108036852A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-05-15 | 华中科技大学 | 一种光纤声传感器及多点声波检测装置 |
| CN109029687A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-18 | 华中科技大学 | 一种光纤声波传感器 |
| US20190257698A1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-22 | Washington University | Microprobe |
-
2021
- 2021-12-17 CN CN202111551559.XA patent/CN114235134A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108036852A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-05-15 | 华中科技大学 | 一种光纤声传感器及多点声波检测装置 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CHUNYANG HAN 等: "Miniature Fizeau Interferometric Thermometer", 《IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT》 * |
| CHUNYANG HAN等: "Spherical microcavity-based membrane-free Fizeau interferometric acoustic sensor", 《OPTICS LETTERS》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220244096A1 (en) * | 2019-05-20 | 2022-08-04 | Hoasys | Fibre-optic acoustic sensor and associated measurement system, vehicle and measurement method |
| US11976963B2 (en) * | 2019-05-20 | 2024-05-07 | Hoasys | Fibre-optic acoustic sensor and associated measurement system, vehicle and measurement method |
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