CN115900920A - 一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁结构的非本征法布里‑珀罗声学传感器。它包括悬臂梁和45度全反射结构。其基本原理是利用45全反射结构对传输光传播方向的改变在悬臂梁和光纤之间形成非本征法布里‑珀罗腔。悬臂梁置于自由声场中，施加一定频率和幅值的声压推动其产生同期性偏转变形，从而导致干涉腔长变化，通过对干涉光谱进行解调得到干涉腔长变化量，结合悬臂梁理论形变模型，实现对被测位置处声压信号的测量。本发明提出的悬臂梁结构具有灵敏度高、动态范围大等优点。

Description

一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及了一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器。

背景技术

声学传感器作为日常生活中较为常见的声音信号采集工具，传统的声学传感器主要是基于材料的压电特性将声信号转换为电信号。然而，这种结构存在着很大的局限性，如容易受到外界噪声和电磁干扰等问题，且无法使用在一些复杂的环境下，比如磁场和水下等环境。

与传统的各电传感器相比，光学传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐腐蚀、损耗低等优点，因此受到了广泛关注。光纤声学传感器作为一种新型声传感器，利用声压信号实现对光信号参数的调制，再通过对光信号的解调获得声压信号的信息。根据光信号调制参数的不同，我们主要将光学声传感器分为：强度调制型、波长调制型、相位调制型。

基于相位调制型的光纤法布里-珀罗声学传感器由于其结构紧凑、灵敏度高、解调方法简单等优点而被广泛应用。光纤法布里-珀罗声学传感器是基于光纤法珀干涉原理形成的一种高灵敏度光学干涉检测仪，一定频率和幅值的声压信号推动悬臂梁产生周期性偏转变形，即干涉腔长发生变化，结合悬臂梁理论形变模型，可以实现对被测位置处声压信号的测量。

目前采用的光纤法布里-珀罗声学传感器主要是膜片式结构，两反射面由光纤端面和不锈钢、硅、石英、石墨烯等材料制备的膜片构成。膜片式结构对于声信号的检测是通过膜片的振动来实现，主要依赖于膜片材料的机械性能，其声学传感器灵敏度一般较低，并且由于膜片式结构一般是全封闭结构，容易受到外界环境温度的影响而使干涉光谱产生漂移，稳定性较差。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器。相比于传统膜片式结构，本发明所提出的悬臂梁结构在相同声压下的形变量能够提高两个数量级，实现更高的声压信号检测灵敏度。此外，不同于膜片式的全封闭结构，悬臂梁结构能够在形成非本征法布里-珀罗腔的同时形成一种“开腔”结构，可以避免膜片式结构腔内外温度差对干涉光谱的影响。

本发明是一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器。通过微加工工艺制备不同尺寸参数的悬臂梁，将悬臂梁置于自由声场中，施加一定频率和幅值的声压推动其产生周期性偏转变形，从而导致干涉腔长变化。利用解调***可以得到干涉腔长变化量大小，结合悬臂梁结构的形变理论模型，可以实现对被测位置处声压信号的测量。

为了达到上述发明创造目的，本发明的构思：

设计了45度斜角单模光纤和45度反射镜的两种45度全反射结构，利用该结构改变传输光的传播方向，从而在单模光纤和悬臂梁的两个反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。再进一步地，通过悬臂梁的变形，即干涉腔长的变化解调出悬臂梁的形变大小，进而实现声压测量。

根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，包括悬臂梁和45度全反射结构，45度全反射结构主要由45度斜角单模光纤和45度反射镜两种形式得到。利用该45度全反射结构改变光束传播方向，从而形成由单模光纤和悬臂梁组成的非本征法布里-珀罗腔。

优选地，所述单模光纤为45度斜角光纤，其侧壁为第一反射面，悬臂梁下侧面为第二反射面，两反射面之间形成非本征法布里-珀罗腔。

优选地，所述单模光纤为普通端面平整的单模光纤，其端面为第一反射面，悬臂梁下侧面为第二反射面，利用45度反射镜来改变传输光的传播方向，使得两个反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。

优选地，所述悬臂梁在一定频率和幅值的声压推动下产生周期性偏转变形，从而导致干涉腔长发生变化，通过对干涉光谱进行解调得到干涉腔长变化量。

优选地，所述悬臂梁在均匀声压下的形变量即为干涉腔长变化量，所施加声压大小与悬臂梁形变量的关系为

基于微加工技术的自由性，所述悬臂梁尺寸参数可调节以适应不同频率的声压信号测量；其本征频率计算公式为

式中E为杨氏模量，ρ为密度，长度为L，厚度为h，I为其转动惯量。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.相比于传统的膜片式声学传感器，加工的悬臂梁结构在相同声压下具有更好的机械性能，振动位移高出两个数量级，在动态范围方面也优于传统的膜片式声学传感器；

2.本发明采用45度全反射结构与悬臂梁组合形成非本征法布里-珀罗腔，与膜片式全封闭结构不同，该法珀腔为“开腔”结构，因此能够避免腔内外温度差对干涉光谱的影响；

3.本发明能利用微加工工艺具有一定的自由性，因此能够加工不同尺寸参数的悬臂梁结构，实现声学频响范围和灵敏度的调整。

附图说明

图1(a)为本发明的基于45度斜角光纤的悬臂梁结构声学传感器的示意图。

图1(b)为本发明的基于45度斜角光纤的非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)原理光谱示意图。

图2(a)为本发明的基于45度反射镜的悬臂梁结构声学传感器的示意图。

图2(b)为本发明的基于45度反射镜的非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)原理光谱示意图。

图3为本发明的一个45度全反射结构的结构示意图。

图4为不同的悬臂梁结构。

图5(a)为利用COMSOL多物理场仿真软件对悬臂梁结构实现的力学形变仿真图。

图5(b)是利用COMSOL多物理场仿真软件计算得到的悬臂梁结构频响数值分析图。

图6为声学传感测试的解调***图。

图7(a)为本发明所提出的悬臂梁声学传感器在不同声压下的干涉光谱图。

图7(b)为本发明所提出的悬臂梁声学传感器在不同声压下的悬臂梁形变幅值响应图。

附图标记说明：

1–单模光纤；11–45度斜角光纤侧壁，为本发明提供的基于45度斜角光纤的悬臂梁结构声学传感器的第一反射面；12–光纤的平整端面，为本发明提供的基于45度反射镜的悬臂梁结构声学传感器的第一反射面；6–45度反射镜；61–45度反射镜面；2–悬臂梁；21–悬臂梁下侧面，为第二反射面；3–底座，用于组装固定元器件；31–凸台，用于形成初始干涉腔长；4–悬臂梁夹具；附图中各个模块上出现的圆形孔皆为直径2mm的螺纹孔，用于组装固定各个模块。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明申请实施例的特点和技术内容，下面将结合附图对本发明申请实施例进行阐述。

本发明申请实施例结合非本征法布里-珀罗干涉原理，提供了基于45度全反射结构与悬臂梁组合形成的声学传感器结构。声压信号推动悬臂梁产生的周期性偏转变形可以转换成干涉腔长变化量，通过解调得到干涉腔长的变化量来确定被测位置处所施加声压的信息。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1(a)、(b)，一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，包括悬臂梁2和45度全反射结构，其特征在于：45度全反射结构由45度斜角单模光纤1得到；利用该45度全反射结构改变光束传播方向，从而形成由单模光纤1和悬臂梁2组成的非本征法布里-珀罗腔。

在本实施例中，所述单模光纤1为45度斜角光纤，其侧壁11为第一反射面，悬臂梁下侧面21为第二反射面，在两反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。

在本实施例中，所述单模光纤1为普通端面平整的单模光纤，其端面12为第一反射面，悬臂梁下侧面21为第二反射面，利用45度反射镜6来改变传输光的传播方向，使得两个反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。

在本实施例中，所述45度斜角单模光纤是通过研磨机平台制备得到，最后通过抛光片进行处理，以增大其斜面反射率。

在本实施例中，入射光在45度斜角光纤的斜面位置发生全反射，传播方向偏转90度，从而在斜角光纤侧壁和悬臂梁下端面分别形成反射，得到干涉光信号。

实施例二：

本实施例与上述实施例基本相同，参见图2(a)、(b)，特别之处在于：

在本实施例中，采用普通端面平整的单模光纤1，主要设置了45度反射镜来形成全反射结构改变传输光的传播方向。

在本实施例中，入射光射出单模光纤1，在45度反射镜6界面处发生全反射，传输光偏转90度，在悬臂梁2位置处反射回来，得到干涉光信号。

图3为本发明的整体结构示意图，如图所示，包括：悬臂梁2、底座3、悬臂梁夹具4、45度反射镜6。在实施例1中，不放置45度反射镜6，仅应用在在实施例2，其他结构不变，适用于上述提到的两种实施例中。悬臂梁2结构指的是左侧的矩形模块，长度为10mm，宽度为3mm，另一侧用来安装放置。在底座3一端设计了高度为0.2mm的凸台31，用于形成非本征法布里–珀罗腔的初始腔长；且凸台中间预留截面为长0.5mm、宽0.2mm的矩形凹槽，用于放置光纤45度斜角光纤1、端面平整的单模光纤5。悬臂梁夹具4用于固定制备的悬臂梁结构2。45度反射镜6用于实施例2中改变光的传播方向，形成干涉腔。可以观察到，各模块上包含有直径2mm的圆形螺纹孔，用于安装固定各个模块。

常用的悬臂梁结构主要包括：矩形悬臂梁、矩形悬臂梁+质量块、三角形悬臂梁。图4为除本发明申请提出的矩形悬臂梁结构的另外两种：一种是在矩形悬臂梁自由端加工一个圆形结构，相当于增加了一种质量块结构；另一种是三角形悬臂梁结构。上述悬臂梁结构均适用于本发明申请提出的悬臂梁结构声学传感器，并且还可应用于加速度、压力、湿度、温度等物理和化学参量传感领域。

本发明申请实施例中提出的悬臂梁厚度均为0.5mm，该厚度能够保证在自由声场中，微弱的声压也能够使得悬臂梁产生一定形变而被检测到。

本发明申请所选用的矩形悬臂梁2材质为不锈钢，杨氏模量为E，密度为ρ，其本征频率f为(长度为L，厚度为h)：

本发明申请所选用的矩形悬臂梁2在受到幅值大小为P的均匀声压下，其自由端最边缘处位移大小为(I为其转动惯量)：

图5(a)为利用COMSOL多物理场仿真软件对所提出的悬臂梁结构进行的力学仿真，对悬臂梁上侧施加5Pa的均匀边界载荷，得到了所设计悬臂梁的变形图，可以看出在悬臂梁自由端的形变量最大。因此，为了获得最大的声压检测灵敏度，实验过程中将光纤尖端平行放置于悬臂梁自由端正下方。

图5(b)为COMSOL多物理场仿真软件对悬臂梁结构进行的频率响应分析，从图中可以看出，所加工悬臂梁结构的本征频率在4KHz附近，与通过本征频率f计算公式得到的结果基本保持一致。基于微加工技术的自由性，可以加工不同尺寸的悬臂梁结构来改变本征频率，从而实现不同频率声压信号的测量。

图6为实验过程中搭建的声压解调***测试图。信号解调***主要包括宽带光源、光电探测器、示波器、环行器、商用光学麦克风(B&K4966)以及本发明申请所提出的悬臂梁结构声学传感器。将组装好的悬臂梁结构声学传感器和商用光学麦克风(B&K 4966)置于由函数发生器驱动扬声器产生的自由声场下，悬臂梁在一定频率和幅值的声压作用下产生周期性偏转变形，干涉腔长会发生变化，利用解调出来的干涉腔长变化量，结合悬臂梁形变理论模型实现待测位置处声压信号的测量。具体的解调***如图6所示：宽带光源从光纤环行器端口1输入，由端口2输出到达本发明申请提出的悬臂梁结构声学传感器，在自由场声压的作用下，悬臂梁发生周期性偏转变形，干涉腔长发生变化；反射回来的光信号通过端口2输入，由端口3输出被光电探测器转化为电信号由示波器接收，并送计算机进行解调处理。

图7(a)为分别施加1Pa和1.5Pa均匀声压时，利用图6所示解调***得到的干涉光谱图，可以看出施加不同声压时干涉光谱会发生漂移。基于法珀干涉腔相位解调原理：干涉腔长变化会导致干涉光谱发生偏移，通过追踪谱线的波峰(或者波谷)所对应的波长偏移量，可以解调出干涉腔长变化量大小。

图7(b)为对悬臂梁施加不同声压得到的振幅响应图，可以看出：在悬臂梁变形承受范围内，悬臂梁的形变量与所施加声压的大小成线性关系。

本实施例基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器。它包括悬臂梁和自由声场结构。悬臂梁置于自由声场中，施加一定频率和幅值的声压推动其产生同期性偏转变形，从而导致干涉腔长变化，通过对干涉光谱进行解调得到干涉腔长变化量，结合悬臂梁理论形变模型，实现对被测位置处声压信号的测量。本实施例的悬臂梁结构具有灵敏度高、动态范围大等优点。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，包括悬臂梁(2)和45度全反射结构，其特征在于：45度全反射结构主要由45度斜角单模光纤(1)和45度反射镜(6)两种形式得到；利用该45度全反射结构改变光束传播方向，从而形成由单模光纤(1)和悬臂梁(2)组成的非本征法布里-珀罗腔。

2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，其特征在于：所述单模光纤(1)为45度斜角光纤，其侧壁(11)为第一反射面，悬臂梁下侧面(21)为第二反射面，在两反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。

3.根据权利要求1所述的基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，其特征在于：所述单模光纤(1)为普通端面平整的单模光纤，其端面(12)为第一反射面，悬臂梁下侧面(21)为第二反射面，利用45度反射镜(6)来改变传输光的传播方向，使得两个反射面之间形成法布里-珀罗干涉腔。

4.根据权利要求2或3所述的基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，其特征在于：所述悬臂梁(2)在一定频率和幅值的声压推动下产生周期性偏转变形，从而导致干涉腔长发生变化，通过对干涉光谱进行解调得到干涉腔长变化量。

5.根据权利要求4所述的基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器，其特征在于：所述悬臂梁(2)在均匀声压下的形变量即为干涉腔长变化量，所施加声压大小与悬臂梁形变量的关系为

基于微加工技术的自由性，所述悬臂梁(2)尺寸参数可调节以适应不同频率的声压信号测量；其本征频率计算公式为

式中E为杨氏模量，ρ为密度，长度为L，厚度为h，I为其转动惯量。

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