CN104697624B - 一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，包括窄带光源、光电转换单元、数据采集分析单元和声波探测传感头；声波探测传感头的输入端连接窄带光源的输出端，光电转换单元的输入端连接声波探测传感头的输出端；数据采集分析单元的输入端连接光端转换单元的输出端；通过声波探测传感头将声信号转化为光信号传播，采集光信号并通过光电转换单元将光信号转变为电信号，由数据采集分析单元采集到电信号并根据电信号获取探测到的声信号的频率和声压。本发明提供的声波探测器具有抗电磁干扰能力好，体积小的特点，尤其在灵敏度方面具有很大程度的提高。

Description

一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器

技术领域

本发明属于声波探测技术领域，更具体地，涉及一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器。

背景技术

声波探测可以用于健康监测、灾害预警、地质勘探等，人们对于声波探测仪器多有研究，最常用的声波探测器是电容式麦克风，由膜片、极板、前腔、后腔等部分组成,其中膜片和极板构成一个平板电容，称为单电容式；单电容式传声器具有灵敏度高、体积小、输出信号强等优点，但是它防潮性差，机械强度低，抗电磁干扰能力弱。

基于光纤声学传感技术的测声设备由于其体积小、动态范围广、抗电磁干扰可在恶劣环境下工作，稳定性好且易于复用等优点而受到广泛关注，现有的基于声学传感的测声设备有法布里-珀罗干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫曾德尔干涉仪等。法布里-珀罗干涉仪一般在薄膜和光纤端面形成，膜的种类多种多样，可以是硅膜、银膜、铝膜、石墨烯膜等，具有体积小、稳定好的特点，但其薄膜制造工艺复杂、检测的声压动态范围有限；迈克尔逊干涉仪和马赫曾德尔干涉仪一般是将其一条臂作为参考臂，另一条臂作为传感臂，光纤传感臂成线圈的形式粘贴在薄膜或者弹性圆柱体上，这种声学传感器灵敏度高，测量声压动态范围大，制作工艺简单，但是所需要的传感光纤很长，导致其偏振态、折射率等易受干扰，从而影响测量结果，稳定性差。相应的，在相关领域存在对声波探测器的稳定性及灵敏度方面做出进一步改进的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，其目的在于，利用设置于声波探测传感头的薄膜两面的反射光形成迈克尔逊干涉仪，声压作用于薄膜引起迈克尔逊干涉仪的一个臂光程增加而另一个臂光程减小，通过增大迈克尔逊干涉仪两个臂之间的光程差，提高声波探测器的灵敏度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，包括声波探测传感头、光电转换单元、数据采集分析单元和窄带光源；

其中，声波探测传感头包括固定支架、薄膜、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振控制器、光纤耦合器和环形器；

固定支架包括第一部分和第二部分；两部分结构相同，均为圆筒结构，圆筒内部设有起支撑作用的肋条；所述薄膜两个面的光反射率相同，附着于第一部分与第二部分的结合处；固定支架的中空通道形成了薄膜与外界空气的交换通道，薄膜由此接收到声波的振荡变化；

第一光纤准直器安装于固定支架第一部分的肋条上，端面与薄膜平行，端面中心对准薄膜一面的中心；第二光纤准直器安装于固定支架第二部分的肋条上，端面与薄膜平行，端面中心对准薄膜另一面的中心；

偏振控制器的第一端连接第一光纤准直器的光接口端，第二端连接光纤耦合器的第四端；

光纤耦合器的第六端连接第二光纤准直器的光接口端、第二端连接环形器的第二端；

其中，光纤耦合器的第一端作为声波探测传感头的第一输出端、第三端作为声波探测传感头的第三输出端；环形器的第三端作为声波探测传感头的第二输出端、第一端作为声波探测传感头的输入端；声波探测传感头的输入端与窄带光源的输出端通过单模光纤连接；

其中，光电转换单元的第一输入端连接声波探测传感头的第一输出端、第二输入端连接声波探测传感头的第二输出端、第三输入端连接声波探测传感头的第三输出端；该单元用于将声波探测器传感头输出的光信号转换为电信号；

其中，数据采集分析单元第一输入端连接光电转换单元的第一输出端，第二输入端连接光电转换单元的第二输出端，第三输入端连接光电转换单元的第三输出端；该单元根据采集到的电信号，解调出声波探测传感头探测到的声波信号的频率和声压。

优选的，光纤耦合器采用3×3光纤耦合器，分光比为1:1:1；分光比为1:1:1；第一端口与二端口之间、第二端口与第三端口之间，第一端口与第三端口之间的相位差均为120度；第四端口与第五端口之间、第五端口与第六端口之间、第四端口与第六端口之间的相位差均为120度；相关端口之间的相位差在120度时，解调出来的信号稳定性最好、失真度最小。

优选的，第一光纤长度L1与第二光纤长度L2的取值范围为0.1m～5m，L1与L2的长度差小于1cm；其中，第一光纤是指用于连接光纤耦合器第四端与第一光纤准直器的光纤，第二光纤是指用于连接光纤耦合器第六端与第二光纤准直器的光纤；只有当光源的相干长度不小于迈克尔逊干涉仪两条臂的光程差时，干涉仪才能发生干涉现象；因此当L1与L2的长度差约等于迈克尔逊干涉仪的光程差，小于1cm时，现有的大部分窄带光源都能满足相干长度的需求，由此窄带光源的选择范围更广。

优选的，薄膜的光反射率大于光纤准直器端面的光反射率，差值在10％以上；光纤准直器端面的光反射率越小，且与薄膜光反射率的差值越大，光纤准直器端面的反射光对传感头的影响越小。

优选的，薄膜采用圆薄膜，直径为1mm～20mm，厚度为1um～50um；一方面，由于薄膜直径越小灵敏度越低且传感器制作工艺越复杂，直径小于1mm的薄膜在工艺上无法采用粘贴的方式固定在固定支架上；而另一方面，直径大于20mm时，光纤准直器的端面的中心很难对准薄膜中心；对于薄膜厚度而言，一方面，薄膜厚度越小，传感器灵敏度大，当厚度大于50um时，传感器将不能响应声波；另一方面，当厚度小于1um，薄膜制作成本将大大提高，因此在1um～50um范围内取值兼顾了传感器灵敏度和成本；薄膜可以采用塑料薄膜、铝质薄膜、铜质薄膜或银质薄膜。

优选的，光纤准直器的端面与薄膜的距离为10um～100um；光纤准直器端面与圆薄膜之间的距离保持在该范围内，以减小光纤的发散角，保证光平行地照射到圆薄膜。

优选的，环形器的3个端口的光相位差为零。

优选的，起支撑作用的肋条呈十字型，端部与圆筒侧壁抵接，肋条交叉部位设有沿圆筒轴向的通孔，光纤准直器平行固定于通孔内；肋条的下底面与圆筒的下底面保持高度差；其中，肋条下底面是指靠近薄膜附着面的底面，圆筒的下底面是指圆筒的薄膜附着面。

优选的，起支撑作用的肋条的下底面与固定支架的薄膜附着端的距离d大于500um；由于直径为1～20mm、厚度为1～50um的薄膜的中心形变小于500um，因此d取值大于500um，以预留薄膜的形变空间，避免对其对薄膜形变的影响。

优选的，光电转换单元包括三个光电探头，第一光电探头的输入端作为光电转换单元的第一输入端，第二光电探头的输入端作为光电转换单元的第二输入端，第三光电探头的输入端作为光电转换单元的第三输入端；通过光电探头采集声波探测传感头送来的光信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，通过声波探测传感头将探测到的声波信号转换为光信号传播，相比现有技术里电容式或压电式的声波探测器而言，具有传播损耗小，易于长距离传输，便于复用的特点，尤其具有抗电磁干扰能力强的特点；

(2)本发明提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，声压作用于薄膜，通过光纤准直器感应薄膜两个面的形变距离，无需将光纤粘贴在薄膜上；而现有技术的迈克尔逊干涉式声波探测器，需要将一段很长的光纤呈线圈的形式粘贴在较大的薄膜上，通过薄膜形变来拉伸或者压缩光纤，相比较而言，本发明减小了声波探测器的尺寸；

(3)本发明提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，声波探测传感头利用薄膜两个面的反射光形成迈克尔逊干涉仪；声压作用于薄膜时，薄膜发生形变，导致迈克尔逊干涉仪的一个臂光程增加而另一个臂光程减小，两个臂之间的光程差比薄膜形变的大小大一倍，相比于现有技术的法布里-珀罗干涉式声波探测器而言，换能效率提高了一倍，探测灵敏度提高了一倍；

(4)本发明提供的基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，相比现有技术的电容式或压电式声波探测器而言，传感头体积小，具有成本低廉的特点，适于大批量生产的特点。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器***框图；

图2是本发明实施例1提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器的声波探测传感头的结构示意图；

图4是实施例1的固定支架示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为窄带光源、22为环形器、23为3×3光纤耦合器、24为偏振控制器、25为第一光纤准直器、26为第二光纤准直器、28为薄膜、27为固定支架、32为第一光电探头，30为第二光电探头，31为第三光电探头，4为数据采集分析单元，13为固定支架第一部分，14为空气交换通道，15为肋条通孔。

具体实施方式

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。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，如图1所示的，包括窄带光源1、光电转换单元3、数据采集分析单元4和声波探测传感头2。其中，声波探测传感头包括固定支架、薄膜、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振控制器、光纤耦合器和环形器；窄带光源输出的光经过环形器进入光纤耦合器，经过两个光纤准直器之后分别到达薄膜两面，再被薄膜反射回来形成迈克尔逊干涉仪；当声波作用于声波探测传感头的薄膜使之振荡，导致干涉仪光程差发生变化，从而导致光相位变化，捕捉该光相位差，由此将探测到的声信号转化为光信号；光电转换单元将该光信号转换为电信号；数据采集分析单元根据采集到该电信号，通过解调光的相位变化获取声信号的频率和声压。

其中，薄膜可以采用塑料薄膜、铝质薄膜、铜质薄膜或银质薄膜；形状可采用矩形，圆形等；光纤耦合器可以采用3×3光纤耦合器，也可以采用其他多端口的光纤耦合器。

如图2所示的，是实施例1提供的基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器的结构示意图；在实施例1中，薄膜是以圆薄膜为例，光纤耦合器是以3×3光纤耦合器为例，窄带光源是以DFB光源为例。DFB光源为声波探测传感头提供光源，通过单模光纤连接声波探测传感头的输入端，也就是环形器2的端口1。

如图3所示的，实施例1的声波探测传感头包括环形器22、3×3光纤耦合器23、第一光纤准直器25、第二光纤准直器26、偏振控制器24、圆薄膜28和固定支架27；3×3光纤耦合器的端口1作为声波探测传感头的第一输出端口端；端口3作为声波探测传感头的第三输出端口；环形器22的端口3作为声波探测传感头的第二输出端口；环形器22的端口1作为声波探测传感头的输入端；

环形器22的端口2连接分光比为1:1:1的3×3光纤耦合器23的端口2，环形器22使得3×3光纤耦合器23的端口1、端口3和环形器22的端口3两两之间的相位差为120度。

3×3光纤耦合器23的端口4连接偏振控制器24的一端，偏振控制器24的另一端连接第一光纤准直器25的光接口端；3×3光纤耦合器23的端口6连接第二光纤准直器26的光接口端；连接3×3耦合器端口4与第一光纤准直器5的光纤长度为L1，连接3×3耦合器端口6与第二光纤准直器6的光纤长度为L2，L1与L2长度相近，均在0.1m～5m范围取值，L1与L2的长度差控制在1cm之内；

3×3耦合器端口5的端面斜8度角切平使其端面反射率小于0.5％；偏振控制器24用于控制迈克尔逊干涉仪一条臂的偏振态，使得迈克尔逊干涉仪的条纹满足信号解调的条件；

第一光纤准直器25和第二光纤准直器26的端面中心分别对准薄膜28两个面的中心，距薄膜中心10um～100um；端面与薄膜中心的距离控制在该范围内，以减小光纤的发散角，保证光平行地照射到薄膜28；光纤准直器端面的反射率取0.8％；

薄膜28具有很高的反射率，采用铝膜或银膜，其厚度为1um～50um,直径为1mm～20mm；特定频率的声波作用在薄膜28上，引起薄膜28周期性形变，从而导致迈克尔逊干涉仪相位成周期性变化，通过解调该相位变化测出相应的声波频率；

固定支架27包括第一部和第二部，两部分为结构相同，均为圆筒结构，用于固定薄膜28，并使得薄膜28两边压强一致；薄膜28附着在固定支架27第一部与第二部的接合处；在实施例1中，固定支架采用金属结构，内部起支撑作用的肋条呈十字架型，肋条交叉部位设有沿圆筒轴向的通孔15，光纤准直器平行固定于通孔15内；第一光纤准直器25固定于第一部的肋条通孔内，第二光纤准直器26固定于第二部的肋条通孔内；

固定支架27的第一部13的结构如图4所示，外半径r1与薄膜的半径一致，为0.5mm～10mm；内半径r2比r1至少小0.5mm；圆柱体高度L为5cm～10cm；其中，空气交换通道14用于保证薄膜感受声压变化；肋条15用于支撑光纤准直器，使其端面与薄膜平行，端面中心对准薄膜中心；肋条15的底端距固定支架27薄膜附着端的距离d大于500um；由于直径为1～20mm、厚度为1～50um的薄膜的中心形变小于500um，因此d取值大于500um，预留第一光纤准直器25与薄膜的空间，避免对其对薄膜形变的影响；当第一光纤准直器25和第二光纤准直器26的端面反射率比薄膜28的反射率小10％以上的时候，从DFB光源送出的光经过环形器22进入3×3光纤耦合器23,经过第一光纤准直器25和第二光纤准直器26准直后到达薄膜两侧，再被薄膜28反射回来形成迈克尔逊干涉仪；通过调节第一光纤准直器25和第二光纤准直器26与薄膜28的距离，使光从薄膜28反射到第一光纤准直器25和第二光纤准直器26的光强一致；再调节3×3光纤耦合器23的端口4与第一准直器25之间的偏振控制器24，由此获得高于0.1的干涉条纹对比度。

光电转换单元包括第一、二、三光电探头9、10、11，第一、第二、第三光电探头输入端分别对应的连接声波探测传感头的端口1、2、3；光电转换单元的输出端连接数据采集分析单元的端口1、2、3；三个光电探头9、10、11参数性能一致，将探测到的光信号转化为电信号。

数据采集分析单元包括数据采集模块和分析模块，根据光电转换单元发送的电信号解析声波探测传感头接收到的声信号；由于声波探测传感头的第一、二、三输出端输出的信号两两之间的相位差为120度，采用3×3耦合器解调方法对从声波探测传感头第一、二、三输出端采集到并进行光电转换后的三路电信号进行去直流、微分、交叉相乘等处理后，可获取声波探测传感头接收到的声信号的频率和压强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，其特征在于，包括窄带光源(1)、声波探测传感头(2)、光电转换单元(3)和数据采集分析单元(4)；

所述声波探测传感头(2)包括固定支架(27)、薄膜(28)、第一光纤准直器(25)、第二光纤准直器(26)、偏振控制器(24)、光纤耦合器(23)和环形器(22)；

固定支架(27)包括第一部分和第二部分；两部分结构相同，均为圆筒结构，圆筒内部设有起支撑作用的肋条；所述薄膜(28)两个面的光反射率相同，附着于第一部分与第二部分的结合处；固定支架(27)的中空通道形成了薄膜与外界空气的交换通道；

第一光纤准直器(25)安装于固定支架第一部分的肋条上，端面与薄膜(28)平行，端面中心对准薄膜一面的中心；第二光纤准直器(26)安装于固定支架第二部分的肋条上，端面与薄膜(28)平行，端面中心对准薄膜另一面的中心；

偏振控制器(24)的第一端连接第一光纤准直器(25)的光接口端，第二端连接光纤耦合器(23)的第四端；

光纤耦合器(23)的第六端连接第二光纤准直器(26)的光接口端、第二端连接环形器(22)的第二端；

所述光纤耦合器(23)的第一端作为所述声波探测传感头(2)的第一输出端、第三端作为声波探测传感头(2)的第三输出端；环形器的第三端作为声波探测传感头的第二输出端、第一端作为声波探测传感头(2)的输入端；声波探测传感头(2)的输入端与窄带光源(1)的输出端通过单模光纤连接；

所述光电转换单元(3)的第一输入端连接声波探测传感头(2)的第一输出端、第二输入端连接声波探测传感头(2)的第二输出端、第三输入端连接声波探测传感头(2)的第三输出端；光电转换单元用于将声波探测传感头输出的光信号转换为电信号；

所述数据采集分析单元(4)的第一输入端连接光电转换单元(3)的第一输出端，第二输入端连接光电转换单元(3)的第二输出端，第三输入端连接光电转换单元(3)的第三输出端；数据采集分析单元(4)用于根据采集到的电信号，解调出声波探测传感头探测到的声波信号的频率和声压。

2.如权利要求1所述的声波探测器，其特征在于，所述光纤耦合器(23)采用3×3光纤耦合器，分光比为1:1:1；第一端口与二端口之间、第二端口与第三端口之间，第一端口与第三端口之间的相位差均为120度；第四端口与第五端口之间、第五端口与第六端口之间、第四端口与第六端口之间的相位差均为120度。

3.如权利要求1或2所述的声波探测器，其特征在于，第一光纤长度L1与第二光纤长度L2的取值范围为0.1m～5m，L1与L2的长度差小于1cm；其中，第一光纤是指用于连接光纤耦合器第四端与第一光纤准直器的光纤，第二光纤是指用于连接光纤耦合器第六端与第二光纤准直器的光纤。

4.如权利要求1或2所述的声波探测器，其特征在于，薄膜(28)的光反射率大于光纤准直器端面的光反射率，差值在10％以上。

5.如权利要求4所述的声波探测器，其特征在于，所述薄膜(28)采用圆薄膜，直径为1mm～20mm，厚度为1um～50um。

6.如权利要求1所述的声波探测器，其特征在于，两个光纤准直器的端面与薄膜的距离均为10um～100um。

7.如权利要求1所述的声波探测器，其特征在于，所述环形器(22)的3个端口之间的光相位差为零。

8.如权利要求1所述的声波探测器，其特征在于，所述起支撑作用的肋条呈十字型，端部与圆筒侧壁抵接，肋条交叉部位设有沿圆筒轴向的通孔(15)，光纤准直器平行固定于通孔内；肋条的下底面与圆筒的下底面保持高度差；其中，肋条下底面是指靠近薄膜附着面的底面，圆筒的下底面是指圆筒的薄膜附着面。

9.如权利要求1或8所述的声波探测器，其特征在于，所述起支撑作用的肋条的下底面与固定支架(27)的薄膜附着端的距离d大于500um。

10.如权利要求1或5至8任一项所述的声波探测器，其特征在于，所述光电转换单元(3)包括三个光电探头，第一光电探头(32)的输入端作为光电转换单元的第一输入端，第二光电探头(30)的输入端作为光电转换单元的第二输入端，第三光电探头(31)的输入端作为光电转换单元的第三输入端。