CN109029687A - 一种光纤声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤声波传感器，包括：声场发生装置、声波传感头以及声波解调***；声波发生装置产生声波信号，声波信号作用于声波传感头；声波传感头包括石墨烯薄膜和单模光纤，石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成光学空气腔，所述单模光纤接收声波解调***发射的单色光；所述石墨烯薄膜受所述声波信号的动态压力作用形成周期性的振动，石墨烯薄膜周期性的振动导致所述声波传感头的空气腔的腔长周期性的变化，从而使得从单模光纤反射回声波解调***的单色光为周期性强弱变化的光信号；声波解调***用于向声波传感头发射单色光，并接收从声波传感头反射回的单色光，根据反射回的单色光解调出待测声波信号。本发明实现了一种超宽频范围的声波测量。
Description
技术领域
本发明涉及光纤声波测量技术领域，更具体地，涉及一种光纤声波传感器。
背景技术
超宽频的声波传感器在结构健康监测和光声光谱等民用等领域具有重要的发展前景。光纤声波传感器主要是探测外界环境中产生的声波，与普通的电传感器相比，光纤传感器无电磁干扰，易制造，低成本，响应快和高探测灵敏度。
为了满足工程应用领域对超宽频声波测量的需求，国内外研究人员对光纤声波传感进行了大量的研究。在超宽频光纤声波测量方面，提出了通过光刻技术在硅膜上周期性打孔形成光子晶体薄膜，它在一定波长带宽内具有很高反射率，并将其用于FP声传感器的传感薄膜，在1kHz-30kHz频率范围内，平均最小可探测声压为2.65μPa/Hz1/2。提出了采用100nm的石墨烯薄膜形成FP结构实现了200Hz～22kHz范围内的宽频声波传感，最小可探测声压为60μPa/Hz1/2。将100nm的银膜通过环形器接入到MZ干涉的一条臂中，实现了最小可探测声压为14.5μPa/Hz1/2，声频响应范围为0.5～8kHz。将100nm厚的石墨烯薄膜通过耦合器接入到Sagnac环中，利用单向频移器引入正交相位差，该传感器在5kHz时的最小可探测声压为450μPa/Hz1/2，其声频响应范围为1kHz～20kHz。以上方法，其响应频率为几十千赫兹以下，尚未实现超宽频声波信号的探测。
综上所述，目前已有的光纤声波传感器在满足最小可探测声压的同时，并不能实现超宽频测量的目标。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决目前已有的光纤声波传感器在满足最小可探测声压的同时，并不能实现超宽频测量的目标的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种光纤声波传感器，包括：声场发生装置、声波传感头以及声波解调***；
所述声波发生装置用于产生声波信号，所述声波信号作用于声波传感头；
所述声波传感头包括石墨烯薄膜和单模光纤，石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成光学空气腔，所述单模光纤接收声波解调***发射的单色光；所述石墨烯薄膜受所述声波信号的动态压力作用形成周期性的振动，石墨烯薄膜周期性的振动导致所述声波传感头的空气腔的腔长周期性的变化，从而使得从单模光纤反射回声波解调***的单色光为周期性强弱变化的光信号；
所述声波解调***用于向声波传感头发射单色光，并接收从声波传感头反射回的单色光，根据反射回的单色光解调出待测声波信号。
可选地，所述声波解调***包括：激光器、光纤环形器、光电探测器以及信号处理器；
所述激光器发射单色光；
所述光纤环形器包括三个端口，其第一端口连接所述激光器，第二端口连接所述声波传感头，第三端口连接所述光电探测器；所述激光器发射的单色光从第一端口进入光纤环形器，从第二端口发射至所述声波传感头，所述声波传感头反射的单色光从第二端口进入所述光纤环形器，从第三端口发射至所述光电探测器；
所述光电探测器将所述反射的单色光转换成电信号；
所述信号处理器根据所述转换成的电信号解调出待测声波信号。
具体地，通过光电探测器进行光电转换后，周期性的单色光信号转换为周期性的电信号，周期性的电信号随之进入信号处理器进行处理，经过信号处理器进行信号恢复后，周期性的声波信号即可在个人计算机(personal computer，PC)上被还原出来。
可选地，所述声波发生装置包括：驱动控制器和声源；
所述声源用于产生声波信号；
所述驱动控制器用于控制声源的声频范围。
可选地，所述激光器可以为1570nmDFB激光器。所述1570nmDFB激光器的波长稳定性波动范围为-0.01nm～0.01nm，功率稳定性波动范围为-0.02dB～0.02dB。
可选地，所述石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成光学空气腔的形状为喇叭形，以增大石墨烯薄膜和声波接触的有效尺寸，从而能提高了声波探测的灵敏度。
可选地，所述光学空气腔的开口直径为0.5mm～1mm。
可选地，所述石墨烯薄膜的厚度为5nm～20nm。
可选地，所述声波传感头的石墨烯薄膜的半径和厚度均为上述选定的尺寸，结合传统膜片谐振频率的计算理论，得到所述声波传感头的谐振频率在1Hz以下的低频次声水平，从而可以分别实现低频空气次声波和水下超声波的平坦响应。
可选地，所述声波传感头采用端面周期性通孔的金属防护罩紧套。保护所述声波传感头受外界压力等条件作用时不受影响。
可选地，所述驱动控制器的频率驱动范围在1Hz～25MHz，所述声源的声频范围与所述驱动控制器的驱动范围保持一致。
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，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的超宽频测量的光纤声波传感器，由于石墨烯薄膜的超薄和硬度超强的特性，从而实现光纤声波传感器从空气次声波到水下超声波范围内的超宽频测量。
(2)本发明提供的超宽频测量的光纤声波传感器，由于石墨烯薄膜的谐振频率设计在1Hz以下的低频次声水平，从而可以分别实现低频空气次声波和水下超声波的平坦响应。
(3)本发明提供的光纤声波传感头，由于石墨烯薄膜的尺寸小，结构简单，易制作，相比传统的声波传感器，所述光纤声波传感器具有结构紧凑、易批量化生产、价格低廉等优势。
附图说明
图1是本发明实施例1的超宽频测量的光纤声波传感器原理图；
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：10为声波解调***，11为1570nmDFB激光器，12为光纤环形器，13为光电探测器，14为信号处理器，15为PC；20为声波传感头，21为普通单模光纤，22为陶瓷插芯，23为普通单模光纤端面，24为石墨烯薄膜，25为周期性通孔金属防护罩；30为声场发生装置，31为驱动控制器，32为声源。
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。
本发明提供了一种从低频空气次声波到高频水下超声波超宽频范围测量的光纤声波传感器，其目的在于通过石墨烯薄膜和普通单模光纤端面构成外腔式法布里珀罗干涉结构，声场发生装置产生的声波作用在石墨烯薄膜上，石墨烯薄膜产生周期性的振动，从而周期性的改变了声波传感头的空气腔腔长，即声波信号被转换成周期性的光信号变化，采用边缘滤波解调的方法，并通过光电探测器探测声波传感头反射回的单色光的强弱，将待测的声波信号解调出来，并在PC上恢复出原声波信号。
为实现上述目的，本发明提供了一种从低频空气次声波到高频水下超声波超宽频范围测量的光纤声波传感器，包括激光器、光纤环形器、声波传感头、光电探测器、信号处理器、PC、驱动控制器以及声源。
其中，激光器可以是1570nmDFB激光器，或者其他满足波长稳定性波动范围为-0.01nm～0.01nm，功率稳定性波动范围为-0.02dB～0.02dB的激光器。以下仅以1570nmDFB激光器为例进行说明，并不对本发明做任何限定。
其中，1570nmDFB激光器的输出端连接光纤环形器的第一端口，1570nmDFB激光器用于单色光，单色光从光纤环形器的第一端口进入光纤环形器的第二端口；光纤环形器的第二端口连接声波传感头，从声波传感头反射的单色光回到光纤环形器的第二端口，单色光从光纤环形器的第二端口进入光纤环形器的第三端口；光纤环形器的第三端口连接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接信号处理器，光电探测器用于将反射回的单色光信号转换成电信号，电信号进入信号处理器进行处理；信号处理器连接PC，PC用于显示经过信号处理器解调出来的待测声波信号。
优选地，所示声波传感头的石墨烯薄膜的厚度为5nm～20nm，石墨烯薄膜的厚度部分决定了声波传感头的谐振频率，需要合理的设计石墨烯薄膜的厚度和与声波的有效接触面积，从而设计出最合适的谐振频率，实现空气中低频次声波和水下超声波的平坦响应。
优选地，所述声波传感头的开口设计成喇叭形状，不仅可以提高声波测量的灵敏度，还扩展了石墨烯薄膜与声波的有效接触面积。喇叭形开口的直径为0.5mm～1mm，即石墨烯薄膜与声波的有效接触面为0.5mm～1mm，从而可以得到所述声波传感头的谐振频率在1Hz以下范围内的低频次声频段，从而可以实现5Hz～25MHz的超宽频声波测量范围。
优选地，所述1570nmDFB激光器的波长稳定性波动范围为-0.01nm～0.01nm，功率稳定性波动范围为-0.02dB～0.02dB，将输入的激光波长稳定的控制在正交工作点和边缘滤波解调的线性区范围内，即可实现待测声波信号高保真的输出和还原。
以下结合实施例1提供的从低频空气次声波到高频水下超声波超宽频范围测量的光纤声波传感器，进一步阐述本发明；
本发明实施例1的超宽频测量的光纤声波传感器结构如图1所示，包括：声波解调***10、声波传感头20以及声场发生装置30。
其中，声波解调***10中11为1570nmDFB激光器，12为光纤环形器，13为光电探测器，14为信号处理器，15为PC。声波传感头20中21为普通单模光纤，22为陶瓷插芯，23为普通单模光纤端面，24为石墨烯薄膜，25为周期性通孔金属防护罩。声场发生装置30中31为驱动控制器，32为声源。
具体地，1570nmDFB激光器11的输出端连接光纤环形器12的第一端口，光纤环形器12的第二端口连接声波传感头20的输入端，光纤环形器12的第三端口连接光电探测器13的输入端，光电探测器13的输出端连接信号处理器14的输入端，信号处理器14的输出端连接PC15，驱动控制器31的输出端连接声源32。
具体地，实施例1中，声波传感头20的喇叭形开口直径为1mm，石墨烯薄膜厚度为10nm；1570nmDFB激光器11的输出端与光纤环形器12的第一端口，光纤环形器12的第二端口与声波传感头20的输入端以及光纤环形器12的第三端口与光电探测器13的输入端之间利用FC/APC光纤接头或通过法兰盘对接；光电探测器13的输出端与信号处理器14的输入端以及驱动控制器31的输出端与声源32的输入端之间采用卡扣配合型连接器(Bayonet NutConnector，BNC)线连接；信号处理器14的输出端与PC15的输入端之间采用具有水晶头的双绞线连接。
下面结合实施例1对上述超宽频测量的光纤声波传感器的工作原理进行阐述。
1570nmDFB激光器11的发出的单色光经过普通单模光纤传输至光纤环形器12的第一端口，单色光在光纤环形器12内由第一端口传输至第二端口，单色光从光纤环形器12的第二端口出来后经普通单模光纤传输至声波传感头20，单色光经声波传感头的普通单模光纤21传输至普通单模光纤端面23和石墨烯薄膜24，石墨烯薄膜24紧贴在陶瓷插芯22端面，单色光在普通单模光纤端面23和石墨烯薄膜24的内表面均会发生反射，即从石墨烯薄膜24的内表面反射回的单色光在普通单模光纤端面23处形成法布里珀罗干涉，普通单模光纤端面23与石墨烯薄膜24的内表面的距离为法布里珀罗干涉的腔长，单色光在普通单模光纤端面23处形成干涉后再沿着普通单模光纤反向传输至光纤环形器12的第二端口，干涉后的单色光在光纤环形器12内由第二端口传输至第三端口，单色光由光纤环形器12的第三端口经由普通单模光纤传输至光电探测器13的输入端，单色光信号经光电探测器13进行光电转换后将电信号传输至信号处理器14的输入端，信号处理器14处理电信号后传输至PC15，经PC15显示出恢复的声波信号。所述光电探测器的输出端连接所述信号处理器，所述光电探测器用于将反射回的单色光信号转换成电信号，电信号进入信号处理器进行处理；所述信号处理器连接所述PC，PC用于显示经过所述信号处理器解调出来的待测声波信号。
此外，在单色光传输的过程中，同时驱动控制器31将设置的单频驱动信号传输至声源32，声源产生声波后直接作用于声波传感头20的石墨烯薄膜24上，石墨烯薄膜24受声波的周期性压力作用后形成周期性的振动，周期性的振动导致法布里珀罗干涉结构的腔长发生周期性的变化，导致了传输中的单色光信号也是周期性的，即将声波信号调制成了光信号，通过解调光信号，即可恢复出声波信号。
下面结合调制的单色光信号阐述声波信号恢复的工作原理。
将调制的单色光信号恢复成待测的声波信号的解调方法为边缘滤波解调算法，其工作原理是1570nmDFB激光器11发出的单色光工作在声波传感头20产生法布里珀罗干涉谱的正交工作点，声波作用在石墨烯薄膜24上导致薄膜周期性的振动，其光谱发生漂移使得1570nm的单色光仍在解调的线性区范围，从而周期性的声波信号即可无失真的解调出来。
由于声波测量的范围取决于薄膜换能材料的物理、化学和机械属性，即通过合理设置薄膜换能材料的厚度、有效作用面积、杨氏模量、泊松比和质量密度等物理量，即可在理论上实现超宽频范围内的声波测量。但实际操作过程中，由于重力的作用，使得薄膜转移到陶瓷插芯端面后会有预弯曲产生，即难以实现范围超宽的宽频声波测量。因此，通过设置声波传感头的空气腔形状，增大薄膜换能材料的有效接触面积，不仅可以提高声波测量的灵敏度，还能实现声波测量范围的拓宽。
石墨烯薄膜24由于其超薄、相对尺寸大的优势，是超宽频声波测量的最佳薄膜换能材料选择。此外，由于超薄石墨烯薄膜采用化学气相沉积法制作而成，需要生长在基底上，而石墨烯薄膜转移至声波传感头端面上时，必须先腐蚀掉基底再进行转移。腐蚀后的石墨烯薄膜需要反复的采用去离子水进行清洗，以除去残留在石墨烯薄膜上的腐蚀液金属离子，经过多次反复清洗后，从去离子水中将石墨烯薄膜转移至声波传感头的端面。石墨烯薄膜转移完成后，将声波传感头在无尘环境放置6小时左右，待石墨烯薄膜中的水分蒸发。残留的水蒸发后，由于分子间超强的范德瓦耳斯力作用，使得石墨烯薄膜紧贴在陶瓷插芯端面。由于其超强的分子间作用力，使得石墨烯薄膜无法从陶瓷插芯端面脱落。因此，基于石墨烯薄膜的声波传感头既可以实现空气中的声波测量，也可以实现水下的声波测量。
综上所述，本发明提供的一种从低频空气次声波到高频水下超声波超宽频范围测量的光纤声波传感器即可实现。
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 (9)
1.一种光纤声波传感器，其特征在于，包括：声场发生装置、声波传感头以及声波解调***；
所述声波发生装置用于产生声波信号，所述声波信号作用于声波传感头；
所述声波传感头包括石墨烯薄膜和单模光纤，石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成光学空气腔，所述单模光纤接收声波解调***发射的单色光；所述石墨烯薄膜受所述声波信号的动态压力作用形成周期性的振动，石墨烯薄膜周期性的振动导致所述声波传感头的空气腔的腔长周期性的变化，从而使得从单模光纤反射回声波解调***的单色光为周期性强弱变化的光信号；
所述声波解调***用于向声波传感头发射单色光，并接收从声波传感头反射回的单色光，根据反射回的单色光解调出待测声波信号。
2.根据权利要求1所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述声波解调***包括：激光器、光纤环形器、光电探测器以及信号处理器；
所述激光器发射单色光；
所述光纤环形器包括三个端口，其第一端口连接所述激光器，第二端口连接所述声波传感头，第三端口连接所述光电探测器；所述激光器发射的单色光从第一端口进入光纤环形器，从第二端口发射至所述声波传感头，所述声波传感头反射的单色光从第二端口进入所述光纤环形器，从第三端口发射至所述光电探测器；
所述光电探测器将所述反射的单色光转换成电信号；
所述信号处理器根据所述转换成的电信号解调出待测声波信号。
3.根据权利要求1或2所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述声波发生装置包括：驱动控制器和声源；
所述声源用于产生声波信号；
所述驱动控制器用于控制声源的声频范围。
4.根据权利要求2所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述激光器可以为1570nmDFB激光器。
5.根据权利要求1所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜和单模光纤端面组合而成光学空气腔的形状为喇叭形。
6.根据权利要求1或5所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述光学空气腔的开口直径为0.5mm～1mm。
7.根据权利要求1所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜的厚度为5nm～20nm。
8.根据权利要求1所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述声波传感头采用端面周期性通孔的金属防护罩紧套。
9.根据权利要求3所述的光纤声波传感器，其特征在于，所述驱动控制器的频率驱动范围在1Hz～25MHz，所述声源的声频范围与所述驱动控制器的驱动范围保持一致。
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