CN111982267A - 一种用于声波和振动测量的光纤传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于声波和振动测量的光纤传感器，所述光纤传感器包括传感头外壳，微型光分束器和悬臂梁；微型光分束器内嵌于传感头外壳的底部，悬臂梁设置于传感头外壳的顶部并与传感头外壳形成一个密闭空间；当一束激光通过光纤射入到微型光分束器，通过微型光分束器，使得在光纤传感器内部产生方向互相垂直两束光，由于半透半反镜的透射与反射以及悬臂梁和全反镜的反射，两束光在反射回光纤时，会产生光程差，且半透半反镜与全反镜的距离在工作时是固定的，所以利用微型光分束器这种结构可以得到确定的光程差，从而就消除了环境温度变化下光程差发生改变从而导致最佳静态工作点漂移的问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种用于声波和振动测量的光纤传感器。
背景技术
干涉-强度调制型光纤传感器相比于电子传感器在声波与振动测量方面，具有体积小、结构简单、灵敏度高、耐高温高压、耐腐蚀、抗电磁干扰、可形成光纤传感网络等优点。因而在声波感测，环境比较恶劣的石油天然气管道运输的监测，建筑结构健康监测，医疗诊断以及对抗干扰能力要求比较高的安全侦听等领域有着广泛的应用。
但是由于干涉-强度调制型光纤传感器由于环境因素变化会产生传感器工作点飘移的问题，这是此种调制方式在实际应用中的最大障碍。对于双光束干涉调制型的传感器，其干涉谱为余弦函数，我们通常利用余弦曲线中线性度最好的一段作为相位-强度转换曲线。在对声波一类的交流信号检测时静态工作点一般设置在曲线斜率最大的π/2相位点，也称为Q点。在Q点附近，小信号的响应是线性的，而且响应的灵敏度最大。但如果工作点因外界因素偏离Q点，传感器的灵敏度就会降低并出现非线性响应。针对干涉-强度调制型传感器工作点漂移问题已提出了多种方案，但是都没有从原理上克服Q点漂移。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于声波和振动测量的光纤传感器，使其在环境温度发生改变时仍可以稳定在最佳静态工作点工作，弥补了现有技术的不足。
为达到上述发明的目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于声波和振动测量的光纤传感器，包括传感头外壳，微型光分束器和悬臂梁；微型光分束器内嵌于传感头外壳的底部，悬臂梁设置于传感头外壳的顶部并与传感头外壳形成一个密闭空间。
进一步的，所述微型光分束器由相互平行的半透半反镜和全反镜构成。
进一步的，光纤与传感头外壳的底部连接，且连接点位于半透半反镜的下方；通过半透半反镜将激光分为互相垂直的两个方向。
进一步的，所述悬臂梁两端设置两个点，其中一端为振动点，另一端为固定点；振动点受到检测声波影响产生震动，从而改变光程，经过处理获得检测声波强度。
进一步的，所述半透半反镜和全反镜的材质为石英；石英对温度的改变不敏感，使得测量精度更高。
进一步的，所述悬臂梁材质为声敏材料，对声波感应敏感，提高检测精度。
进一步的，所述传输光纤为普通单模光纤。
进一步的，相互平行的半透半反镜和全反镜的距离L满足L＝OPD/2n，其中OPD为一束激光入射到半透半反镜和全反镜经过反射与透射后返回入射点的光程差，n为半透半反镜和全反镜所选材料的折射率；光程差
为目标相位差，λ为激光光源的中心波长。
所述工作方法包括以下步骤：
S1、激光经过光纤打在微型光分束器的半透半反镜上；半透半反镜将激光分为互相垂直方向的两束激光，其中一个方向的激光打在悬臂梁的振动点处，然后反射回光纤，另一个方向的光经过全反镜反射到悬臂梁的固定点处，然后也返射回光纤，此时两束激光的光程差OPD为确定值；
S2、半透半反镜与全反镜距离记为L，由OPD＝2nL，在半透半反镜与全反镜材料折射率n相同的情况下，光程差OPD与半透半反镜与全反镜距离L成2倍关系，通过调节半透半反镜与全反镜距离L控制光程差OPD；
S3、由相位差
知，通过调节半透半反镜与全反镜距离L进而调节相位差
使工作点稳定在最佳静态工作点。
本发明的有益效果为：当一束激光通过光纤射入到微型光分束器，通过微型光分束器，使得在光纤传感器内部产生方向互相垂直两束光，由于半透半反镜的透射与反射以及悬臂梁和全反镜的反射，两束光在反射回光纤时，会产生光程差，且半透半反镜与全反镜的距离在工作时是固定的，所以利用微型光分束器这种结构可以得到确定的光程差，从而就消除了环境温度变化下光程差发生改变，保证光纤传感器在最佳静态工作点工作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是用于声波和振动测量的光纤传感器结构以及光路的示意图；
图2是光纤传感器结构中微型光分束器的示意图；
图3是光纤传感器结构的悬臂梁的示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-光纤，2-传感头外壳，3-微型光分束器，4-悬臂梁，5-两束激光，6-振动点，7-固定点，8-半透半反镜，9-全反镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，本实施例的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，包括传感头外壳2，微型光分束器和悬臂梁4；微型光分束器3内嵌于传感头外壳2的底部，悬臂梁4设置于传感头外壳2的顶部并与传感头外壳2形成一个密闭空间。
如图2所示，微型光分束器3由相互平行的半透半反镜8和全反镜9构成，半透半反镜8和全反镜9的材质采用但不限于石英，因为温度对石英的影响较小，所以传感器受外界的影响更小，测量数据更准确；光纤1与传感头外壳2的底部连接，且连接点位于半透半反镜8的下方，光纤1选择为单模光纤。
如图3所示，在悬臂梁4两端设置两个点，其中一端为振动点6，另一端为固定点7，悬臂梁的选材为声敏材料，有利于对检测声波的感应。
上述传感器的工作方法为：一束光经单模光纤打到微型光分束器3的半透半反镜8上，其中透射光入射到悬臂梁震动点6，反射光又经由全反镜9反射后入射到悬臂梁固定点7，这两束光5经悬臂梁4又反射回光纤1中，此时这两束光5的光程差OPD是一个确定的值；半透半反镜8与全反镜9距离记为L，由OPD＝2nL，在半透半反镜8与全反镜9材料折射率n相同的情况下，光程差OPD与半透半反镜8与全反镜9距离L成2倍关系，当确定了半透半反镜8与全反镜9之间距离L，光程差OPD也就可以确定，由相位差
知，通过调节半透半反镜(8)与全反镜(9)距离L进而调节相位差
当L确定后，相位差
确定，则相位差不会因温度的改变而改变，因此工作点在环境温度发生变化时不会发生漂移。
Claims (9)
1.一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，包括传感头外壳(2)，微型光分束器(3)和悬臂梁(4)；微型光分束器(3)内嵌于传感头外壳(2)的底部，悬臂梁(4)设置于传感头外壳(2)的顶部并与传感头外壳(2)形成一个密闭空间。
2.根据权利要求1所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，所述微型光分束器(3)由相互平行的半透半反镜(8)和全反镜(9)构成。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，光纤(1)与传感头外壳(2)的底部连接，且连接点位于半透半反镜(8)的下方。
4.根据权利要求1所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，所述悬臂梁(4)两端设置两个点，一端为振动点(6)，另一端为固定点(7)。
5.根据权利要求2所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，所述半透半反镜(8)和全反镜(9)的材质为石英。
6.根据权利要求1所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，所述悬臂梁(4)材质为声敏材料。
7.根据权利要求3所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，所述光纤(1)为普通单模光纤。
8.根据权利要求2所述的一种用于声波和振动测量的光纤传感器，其特征在于，相互平行的半透半反镜(8)和全反镜(9)的距离L满足L＝OPD/2n，其中OPD为一束激光入射到半透半反镜(8)和全反镜(9)经过反射与透射后返回到入射点的光程差，n为半透半反镜(8)和全反镜(9)所选材料的折射率；光程差
为目标相位差，λ为激光光源的中心波长。
9.如权利要求1-8任一项所述的传感器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
S1、激光经过光纤(1)打在微型光分束器(3)的半透半反镜(8)上；半透半反镜(8)将激光分为互相垂直方向的两束激光(5)，其中一个方向的激光打在悬臂梁(4)的振动点(6)处，然后反射回光纤(1)，另一个方向的光经过全反镜(9)反射到悬臂梁(4)的固定点(7)处，然后也返射回光纤(1)，此时两束激光(5)的光程差OPD为确定值；
S2、半透半反镜(8)与全反镜(9)距离记为L，由OPD＝2nL，在半透半反镜(8)与全反镜(9)材料折射率n相同的情况下，光程差OPD与半透半反镜(8)与全反镜(9)距离L成2倍关系，通过调节半透半反镜(8)与全反镜(9)距离L控制光程差OPD；
S3、由相位差
知，通过调节半透半反镜(8)与全反镜(9)距离L进而调节相位差
使工作点稳定在最佳静态工作点。
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