CN108151866A - 一种光纤法珀声波探头及信号解调*** - Google Patents

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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Abstract

本发明涉及光纤技术、光学工程、材料工程及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤法珀声波探头及信号解调***。本发明的光纤法珀声波探头采用还原氧化石墨烯薄膜作为声波振动敏感薄膜，易于转移、制作简单、成本低、成品率高；其解调***采用了一种三波长相位解调方法，宽带光源、环形器、光纤法珀声波探头、波分复用器、三通道光电探测器、数据采集卡和数据处理模块的配合运用，使本发明的光纤法珀声波探头在工作中不受温度影响。本发明的解调***适用成本低的宽带光源且稳定性高，与本发明的光纤法珀声波探头配合可应用于安全布防监控、医学及生物医学工程等领域。

Description

一种光纤法珀声波探头及信号解调***
技术领域
本发明涉及光纤技术、光学工程、材料工程及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤法珀声波探头及其信号解调***。
背景技术
光纤法珀腔作为一种十分重要的光学结构，由于其体积小，成本低，抗电磁干扰，可远距离传输信号的诸多优点被广泛应用于精密仪器、工业生产、通信、传感等领域。也正是由于这些优点，基于光纤法珀腔声波传感器的研究也得到了越来越多人的关注。
传统的光纤法珀声波探头一般是由光纤和振动膜片组成，光纤端面和振动膜片组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。对于这种结构的光纤声波探头，影响探测灵敏度的两个关键因素就是振动膜片的反射率和厚度。目前，对于振动膜片的选择通常有有机膜和金属膜等，但是这些类型的振动膜片厚度都很难做薄，而且制作过程复杂，工艺要求高，这在很大程度上限制了声波探头的灵敏度提高和批量生产。石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，已经被广泛地应用于各个领域。
对于石墨烯的压力传感器，靳伟等人于2012年制作了本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma，Wei Jin,Hoi Lut Ho，etal.High-sensitivity fiber-tippressure sensor withgraphene diaphragm[J].Optics letters,2012,13(37):2493-2495.)，以及于2014年制作了非本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma,WeiJin,HaifengXuan，etal.Fiber-optic ferrule-top nanomechanical resonator withmultilayer graphene film[J].Optics letters,2014,16(39):4769-4772.)。申请专利号为201310564209.6、申请公开号为CN103557929A的中国发明专利“一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置”公开了一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器。他们都是用的单层或多层石墨烯薄膜。
这种纯石墨烯膜的探头都存在一些缺点。首先，在制作薄膜方面，这种单层或多层的石墨烯通常采用化学气相沉积的方法，这种方法需要昂贵的设备和复杂的工艺，这大大增加了制作成本和制作难度。其次，单层或多层的石墨烯厚度只有几纳米至几十个纳米，在薄膜的转移过程中，它们通常需要一层聚合物薄膜(PMMA)作为衬底，否则转移到套管端面非常困难，在最后去除PMMA膜的时候极易使石墨烯膜破裂，这就使得石墨烯探头的成品率很低。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决如何优化光纤法珀声波探头的制作工艺，降低制作成本，提高成品率，得到能实用化的声波探头产品。如何克服传统解调方法中的一些缺点，使得该光纤声波探测***的更接近实用化。本发明提供了一种光纤法珀声波探头及其信号解调***。
一种光纤法珀声波探头，包括：两端喇叭口形玻璃套管，其一端覆盖石墨烯薄膜，另一端***单模光纤，光纤端面与石墨烯薄膜形成干涉法珀腔。
所述石墨烯薄膜为还原氧化石墨烯薄膜作为声波敏感元件，其弹性模量为50-100GPa，厚度为0.1-1微米。光纤为单模光纤，其大小与玻璃套管内径相适应，玻璃套管两端为喇叭开口形状，目的一是为了易于***光纤，二是为了增大悬空还原氧化石墨烯薄膜的振动面积，增加声波探头对声波探测的灵敏度，玻璃套管的喇叭开口端最大处的直径为0.8-2.8毫米。
采用上述光纤法珀声波探头的信号解调***，包括：宽带光源，环形器，光纤法珀声波探头，波分复用器，三通道光电探测器，数据采集卡，数据处理模块。
宽带光源连接环形器1端口，环形器2端口接光纤法珀声波探头，环形器3端口接波分复用器，波分复用器接三通道光电探测器，三通道光电探测器接数据采集卡，数据采集卡接数据处理模块。
其中，波分复用器输出的三束波长间隔相等的光，波长间隔为探头法珀干涉腔自由光谱范围(FSR)的三分之一，使得三个波长之间在干涉条纹上的相位差为120度。这样，三束光强的信息经光电探测器转换成电压信号，电压信号被数据采集卡转换成数字信号，数字信号经由数据处理模块通过数字信号算法处理后可以准确的还原出被探测到的声波信息，并且不受外界温度变化的影响。
上述信号解调***的工作流程如下：
宽带光源发出信号光经过环形器1、2端口进入声波探头后，反射信号光再经环形器3端口进入波分复用器分出三路波长等间隔的光波；三束光波分别进入三通道光电探测器的三个输入口，光电探测器将输入的光强信号转换为电压信号，由三个电压输出端口输至数据采集卡；数据采集卡将采集到的三路电压数据送入数据处理模块进行信号处理，最终还原输出声波信息。
在本发明中，还原氧化石墨烯薄膜和宽带光源以及波分复用器起到了最重要的作用：还原氧化石墨烯薄膜制作简单，易于转移；宽带光源提供一个宽谱的信号光，经过波分复用器分成三路波长等间隔的光束，使得三个波长之间在干涉条纹上的相位差为120度，经数据处理模块通过数字信号算法处理即可准确的还原出被探测到的声波信息。
本发明提供的光纤法珀声波探头采用还原氧化石墨烯薄膜作为声波振动敏感薄膜，相比于已报道的基于单层及多层石墨烯薄膜的声波探头，还原氧化石墨烯薄膜有易于成膜，制作过程简单，成本低，成品率高的优势，使得该探头具备很高的实用价值。解调***采用了一种三波长相位解调方法，与传统的强度解调相比，本发明的解调***克服了在实际应用中受温度影响工作点的问题，提高了探头的灵敏度和稳定性；与传统的相位解调相比，本发明的解调***用成本低的宽带光源代替了成本昂贵的窄线宽激光光源，降低了***的成本，稳定性更高。
综上所述，本发明提供的光纤法珀声波探头简化了制作工艺，降低了成本，提高了成品率；其解调***具有成本低、稳定性好，可应用于安全布防监控、医学及生物医学工程等领域。
附图说明
图1为本发明声波探头的结构示意图；
图2为本发明氧化石墨烯膜还原流程示意图；
图3为本发明声波探头制作流程示意图；
图4为本发明声波探头信号解调***的硬件框图；
图5为本发明探头干涉条纹与三个波长间隔关系示意图；
图6为频率1000Hz的声波信号经算法解调后输出的电压信息。
附图标记：1-氧化石墨烯溶液，2-铜箔基底，3-氧化石墨烯膜，4-工业维生素C溶液，5-还原氧化石墨烯薄膜，6-喇叭形开口玻璃管，7-光纤，8-玻璃管喇叭开口，9-法珀干涉腔，10-宽带光源，11-环形器，12-光纤法珀声波探头，13-波分复用器，14-三通道光电探测器，15-数据采集卡，16-数据处理模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述：
制备如图1所示光纤法珀声波探头。
图2为本发明氧化石墨烯膜还原流程示意图。首先把氧化石墨烯粉末超声溶于去离子水中，得到氧化石墨烯溶液1，再把氧化石墨烯溶液1转移到铜箔基底2上，在60度环境中自然蒸干氧化石墨烯溶液1，在铜箔基底2上得到氧化石墨烯薄膜3，把铜箔基底2连同氧化石墨烯膜3放入80度水浴的工业维生素C溶液4中，水浴还原60分钟，在铜箔基底2上得到还原氧化石墨烯薄膜5。
图3为实施例声波探头制作流程示意图。在铜箔基底2上得到还原的氧化石墨烯膜5后，用氯化铁溶液腐蚀去掉铜箔基底2，得到还原氧化石墨烯薄膜5，再把还原氧化石墨烯薄膜5转移到喇叭形开口玻璃管6的端面与光纤7形成法珀干涉腔9得到光纤声波探头。
图4是该光纤法珀声波探头的信号解调***示意图。该***由宽带光源10，环形器11，声波探头12，波分复用器13，三通道光电探测器14，数据采集卡15和数据处理模块16组成。宽带光源10发出信号光经过环形器11进入声波探头12后，反射信号光再经环形器11进入波分复用器13分出三路波长等间隔的光波，三束光分别进入三通道光电探测器14的三个输入口，三个电压输出端口接数据采集卡15，采集到的三路电压数据送入数据处理模块16进行信号处理，即可还原并输出声波信息。
图5为本发明探头干涉条纹与三个波长间隔关系原理示意图。在本发明中的解调***中，波分复用器13分出来的三路光的波长间隔为探头干涉条纹自由光谱范围的三分之一。如图5所示，波分复用器分出的波长λ3-λ2＝λ2-λ1＝FSR/3，使得三个波长之间在干涉条纹上的相位差为120度。
图6为经本发明信号解调***的数据处理模块16解调后输出的声波电压信息结果图。声源信号为1000Hz的声波信号，从解调输出的结果图中可以看出输出信号的频率为1000Hz，与声源发出的声波频率完全一样，验证了本发明中的信号解调***可以很好的还原出被探测到的声波信息。

Claims (3)

1.一种光纤法珀声波探头制作方法及其信号解调***，包括两端喇叭口形玻璃套管、石墨烯薄膜和单模光纤，其特征在于：
两端喇叭口形玻璃套管，其一端覆盖石墨烯薄膜，另一端***单模光纤，单模光纤端面与石墨烯薄膜形成干涉法珀腔；
所述石墨烯薄膜为还原氧化石墨烯薄膜作为声波敏感元件，其弹性模量为50-100GPa，厚度为0.1-1微米；光纤为单模光纤，其大小与玻璃套管内径相适应，玻璃套管的喇叭开口端最大处的直径为0.8-2.8毫米。
2.一种信号解调***，包括宽带光源、环形器、光纤法珀声波探头、波分复用器、三通道光电探测器、数据采集卡和数据处理模块，其特征在于：
宽带光源连接环形器1端口，环形器2端口接光纤法珀声波探头，环形器3端口接波分复用器，波分复用器接三通道光电探测器，三通道光电探测器接数据采集卡，数据采集卡接数据处理模块；
所述光纤法珀声波探头采用权利要求1所述光纤法珀声波探头；
所述波分复用器输出的三束波长间隔相等的光，波长间隔为探头法珀干涉腔自由光谱范围FSR的三分之一，三个波长之间在干涉条纹上的相位差为120度。
3.如权利要求2所述光纤法珀声波探头信号解调***，其工作流程如下：
宽带光源发出信号光经过环形器1、2端口进入声波探头后，反射信号光再经环形器3端口进入波分复用器分出三路波长等间隔的光波；三束光波分别进入三通道光电探测器的三个输入口，光电探测器将输入的光强信号转换为电压信号，由三个电压输出端口输至数据采集卡；数据采集卡将采集到的三路电压数据送入数据处理模块进行信号处理，最终还原输出声波信息。
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