CN203859873U - 光纤固体振动传声器 - Google Patents
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本实用新型公开一种光纤固体振动传声器，它是一种基于惯性振动检测与激光分光干涉原理的传声器，用于测量固体介质中传输的声音振动信号，是由激光器驱动电路、激光器、光纤光引导单元、光纤固体振动传声器探头、光前端和信号处理单元组成。其中，光纤固体振动传声器探头分为振动耦合单元与光纤传感单元两部分；振动耦合单元将固体介质中的振动信号转换为振动敏感质量块与光纤传感单元的相对位移，引起光纤传感单元内信号反射光与参考反射光之间的相位差变化，从而调制光强信号，实现振动信号到光信号的转换。本实用新型抗电磁干扰，可进行远程传感和传输，且具有灵敏度和信噪比高，频率响应范围宽等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体地说，本实用新型涉及一种基于惯性振动检测和激光分光干涉原理的光纤固体振动传声器。
背景技术
声音可以通过气体、液体和固体等弹性介质进行传播。传声器即是对弹性介质中传播的声音振动信号进行拾取、转换和传输的装置，如麦克风、水听器等。声音在固体中的传播有许多实际的应用。对固体中声波进行探测的传声器依据其工作原理的不同，可分为压电式、压阻式、电容式等声-电转换式传声器，以及声-光-电转换式传声器；声-电转换式传声器中又以压电式最为常用。
声-电转换式传声器是一种由声音振动信号转换成电信号输出的装置，主要由振动敏感质量块、弹性部件、转换元件、金属壳体和/或前置电子放大电路组成。这种类型的传声器基于惯性原理，由敏感质量块对振动信号做出反应，改变转换元件的电气参数，经过电子电路转换和放大之后输出电信号，或者直接输出电信号；该类型传声器容易受到电磁干扰，信号传输损耗大，不适合在复杂电磁环境、高压危险等区域中应用，也不适合长距离传感、传输应用。
基于光纤传感技术的光纤固体振动传声器，依据其被调制的方式不同，可以有强度调制、相位调制、波长调制、频率调制和偏振态调制等类型。如专利申请号为200910242527.9的中国专利申请中选取强度调制型光纤振动传感器作为声-光换能单元，虽不易受到电磁干扰、信号传输损耗小，但此传声器存在着灵敏度和信噪比低、频率响应范围较窄的缺点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光纤固体振动传声器，解决声-电转换式固体振动传声器易受电磁干扰、信号传输损耗大的问题，同时弥补现有强度调制型光纤振动传感器灵敏度和信噪比低，频率响应范围窄的不足。
为实现上述目的，本实用新型采用以下方案：基于惯性振动检测和激光分光干涉原理的光纤固体振动传声器，包括传输器本体，所述传输器本体由激光器驱动电路、激光器、光纤光引导单元、传声器探头、光前端和信号处理单元组成；激光器驱动电路的输出端与激光器的输入端相连接；激光器的输出端经发射光纤与光纤光引导单元的端口I连接；光纤光引导单元的端口II经传输光纤与传声器探头相连接；光前端的输入端经接收光纤与光纤光引导单元的端口III相连接；光前端的输出端与信号处理单元的输入端相连接；信号处理单元的反馈端与激光器驱动电路相连接，信号处理单元的输出端作为传输器本体的振动信号还原输出端。
其中，所述的振动传声器探头包括壳体、振动耦合单元和光纤传感单元。
所述壳体包括外框架和上底板；外框架呈中空的柱状，其主要由侧壁、下底板和后盖板构成，侧壁呈上下贯通的环柱状，后盖板和下底板分别覆盖在侧壁的上开口和下开口处；上底板横跨在上述外框架的内腔中，且上底板的边缘与外框架的侧壁内侧面相连，上底板将外框架分隔为上腔体和下腔体两部分；振动耦合单元安装在下腔体内，光纤传感单元安装在上腔体内；下底板的下表面与固体介质紧密贴合。
所述振动耦合单元包括振动敏感质量块和弹性部件；振动敏感质量块为实心柱体，振动敏感质量块的侧面与外框架的侧壁的内侧面光滑相贴；振动敏感质量块的上表面和下表面的中央各设有一个环状的中心突环，这两个中心突环的轴心与振动敏感质量块的轴心重叠；设置在振动敏感质量块的上表面的中心突环内制作有反光膜区域；弹性部件包括弹性部件I和弹性部件II；弹性部件I支撑在振动敏感质量块和下底板之间，弹性部件I的上表面直接与振动敏感质量块的下表面的突起相接触，弹性部件I的下表面通过加工在该表面上的环状的***突环与下底板相接触；弹性部件II支撑在振动敏感质量块和上底板之间，弹性部件II的下表面直接与振动敏感质量块的上表面的突起相接触，弹性部件II的上表面通过加工在该表面上的环状的***突环与上底板相接触；弹性部件II和上底板的中心位置处均设置有上下贯通的透光孔。
所述光纤传感单元包括直角反射镜和光纤准直单元；直角反射镜安装在上底板的上表面上；直角反射镜的一个直角面与振动敏感质量块上的反光膜区域平行，且与上底板的透光孔正对，另一个直角面与所述光纤准直单元的出射端面平行；光纤准直单元的尾纤即传输光纤经外框架的侧壁上开设的开孔引出。
另外，所述上底板的边缘与外框架的内侧壁通过活动连接。
所述下底板与弹性部件I之间的空腔内部填充有硅油。
所述光纤准直单元由传输光纤、毛细玻璃管、自聚焦透镜和匹配套筒所组成；毛细玻璃管的外径、自聚焦透镜的外径和所述匹配套筒的内径相一致，毛细玻璃管和自聚焦透镜同时内嵌在匹配套筒中，自聚焦透镜位于靠近直角反射镜一侧，毛细玻璃管位于靠近外框架侧壁一侧；毛细玻璃管内径与传输光纤的纤芯匹配，传输光纤的一端内嵌在毛细玻璃管的内径中，传输光纤的另一端经外框架的侧壁上开设的开孔引出。
所述光纤准直单元的出射面上镀有部分反射膜或增透膜。
直角反射镜的两个直角面上均镀有增透膜。
所述光纤光引导单元为光纤环形器或者光纤耦合器。
光前端由光电二极管及与其相连的前置放大器组成，其中光电二极管的输入端与光纤光引导单元相连，光电二极管的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端与信号处理单元相连。
所述激光器驱动电路为受控调制电流源。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
(1)本实用新型的光纤固体振动传声器对固体声音振动信号进行拾取和转换的过程中无需电信号的参与，输出为光信号并通过光纤传输，既不产生电磁信号，也不受电磁信号的干扰，可以应用于强电场、强磁场或强射频场环境中，还可以进行远程传感和传输。
(2)本实用新型的光纤固体振动传声器探头采用激光分光干涉原理，通过实时监测光前端输出信号直流分量的变化情况，适时调整激光器驱动电流，从而改变激光器输出激光信号的中心波长，保证探头始终处于最灵敏的状态。本实用新型光纤固体振动传声器具有灵敏度和信噪比高，频率响应范围宽等优点。
附图说明
图1是本实用新型的光纤固体振动传声器的***框图。
图2是本实用新型的光纤固体振动传声器探头的纵剖面构造图。
图1中，1.激光器驱动电路，2.激光器，3.发射光纤，4.光纤光引导单元，41.端口I，42.端口II，43.端口III，5.传输光纤，6.光纤固体振动传声器探头，7.接收光纤，8.光前端，9.信号处理单元。
图2中，611.侧壁，612.下底板，613.弹性部件I，614.振动敏感质量块，615.弹性部件II，616.上底板，617.后盖板，621.反光膜区域，622.直角反射棱镜，623.光纤准直单元，623a.自聚焦透镜，623b.毛细玻璃管，623c.匹配套筒。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的光纤固体振动传声器的优选的具体实施例进行详细说明。
图1示出了一种基于惯性振动检测和激光分光干涉原理的光纤固体振动传声器的***框图。该光纤固体振动传声器包括传输器本体，所述传输器本体由激光器驱动电路1、激光器2、光纤光引导单元4、传声器探头6、光前端8和信号处理单元9组成；激光器驱动电路1的输出端与激光器2的输入端相连接；激光器2的输出端经发射光纤3与光纤光引导单元4的端口I41连接；光纤光引导单元4的端口II42经传输光纤5与传声器探头相连接；光前端8的输入端经接收光纤7与光纤光引导单元4的端口III43相连接；光前端8的输出端与信号处理单元9的输入端相连接；信号处理单元9的反馈端与激光器驱动电路1相连接，信号处理单元9的输出端作为传输器本体的振动信号还原输出端。所述信号处理单元9可以将振动信号解调出来，同时通过监测光前端8输出信号的直流分量变化情况，反馈控制信号给激光器驱动电路1，调节激光器2工作电流，从而改变激光器2输出激光中心波长，保证探头始终处于最灵敏的状态；通过提取光前端8的输出电压信号中的语音带宽范围内的交流分量，可以输出与所检测的固体介质中的声音振动信号变化一致的电压信号或者还原为声音信号。
所述激光光源为能够发射单色光的半导体激光器，可以采用中心波长为1310nm或1550nm的DFB类型半导体激光器，其中心波长会随着驱动电流的变化而发生变化。另外，所述激光器驱动电路1为受控调制电流源，其接收来自于信号处理单元9输出的控制信号与来自于常规高频振荡器输出的周期振荡信号，为激光器2提供工作电流。
发射光纤3、传输光纤5和接收光纤7均为单模光纤，并可以双向传输光信号。光纤光引导单元4是一种三端口的光纤环形器或者光纤耦合器，也可以是一种四端口的光纤环形器或者光纤耦合器，实际只使用了其中三个端口，其余不用的一个端口则连接至光吸收物质。
光前端8由光电二极管及与其相连的直流互阻式前置放大器组成，其中光电二极管的输入端与光纤光引导单元4相连，光电二极管的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端与信号处理单元9相连，输出为线性正比于输入光强信号的电压信号。所述直流互阻式前置放大器输出信号的直流分量可以表征探头的灵敏度状态，并作为激光器驱动电路1的低频控制信号输入。
图2是本实用新型的光纤固体振动传声器探头6的纵剖面构造图。其中，所述的振动传声器探头6包括壳体、振动耦合单元61和光纤传感单元62。
所述壳体包括外框架和上底板616；外框架呈中空的柱状，其主要由侧壁611、下底板612和后盖板617构成，侧壁611呈上下贯通的环柱状，后盖板617和下底板612分别覆盖在侧壁611的上开口和下开口处；上底板616横跨在上述外框架的内腔中，且上底板616的边缘与外框架的侧壁611内侧面相连，上底板616将外框架分隔为上腔体和下腔体两部分，通过调节所述上底板616在所述外框架的圆环结构中深入的位置，可以改变振动耦合单元的谐振频率。所述下底板与所述外框架的圆环结构通过焊接、上胶或者螺纹刚性连接。振动耦合单元61安装在下腔体内，光纤传感单元62安装在上腔体内；下底板612的下表面与固体介质紧密贴合。
所述振动耦合单元61包括振动敏感质量块614和弹性部件；振动敏感质量块614为实心柱体，振动敏感质量块614的侧面与外框架的侧壁611的内侧面相贴面均经过抛光处理，这样可减小振动检测过程中由于二者相对运动所产生的摩擦作用；振动敏感质量块614的上表面和下表面的中央各设有一个环状的中心突环，这两个中心突环的轴心与振动敏感质量块614的轴心重叠；设置在振动敏感质量块614的上表面的中心突环内制作有反光膜区域621；弹性部件包括弹性部件I613和弹性部件II615，可为振动敏感质量块614提供弹性恢复力；弹性部件I613支撑在振动敏感质量块614和下底板612之间，弹性部件I613的上表面直接与振动敏感质量块614的下表面的突起相接触，弹性部件I613的下表面通过加工在该表面上的环状的***突环与下底板612相接触；弹性部件II615支撑在振动敏感质量块614和上底板616之间，弹性部件II615的下表面直接与振动敏感质量块614的上表面的突起相接触，弹性部件II615的上表面通过加工在该表面上的环状的***突环与上底板616相接触；弹性部件II615和上底板616的中心位置处均设置有上下贯通的透光孔。
所述光纤传感单元62包括直角反射镜622和光纤准直单元623；直角反射镜622安装在上底板616的上表面上；直角反射镜622的一个直角面与振动敏感质量块614上的反光膜区域621平行，且与上底板616的透光孔正对，另一个直角面与所述光纤准直单元623的出射端面平行；光纤准直单元623的尾纤即传输光纤5经外框架的侧壁611上开设的开孔引出。
另外，所述下底板612与所述弹性部件I613之间，以及所述上底板616与所述弹性部件II615之间存在一个振动空间。所述下底板612和所述弹性部件I613之间的空间内填充有一部分硅油，以充当声学阻尼，调节振动耦合单元的Q值，改善频率响应特性。
所述光纤准直单元623由传输光纤5、毛细玻璃管623b、自聚焦透镜623a和匹配套筒623c组成；毛细玻璃管623b的外径、自聚焦透镜623a的外径和所述匹配套筒623c的内径相一致，毛细玻璃管623b和自聚焦透镜623a同时内嵌在匹配套筒623c中，自聚焦透镜623a位于靠近直角反射镜622一侧，毛细玻璃管623b位于靠近外框架侧壁611一侧；毛细玻璃管623b内径与传输光纤5的纤芯匹配，传输光纤5的一端内嵌在毛细玻璃管623b的内径中，传输光纤5的另一端经外框架的侧壁611上开设的开孔引出。在匹配套筒623c内部调节毛细玻璃管623b和自聚焦透镜623a的相对位置，上胶固化即可得到光纤准直单元623，也可以直接购买现成的光纤准直单元62。
所述光纤准直单元623的出射面上镀有部分反射膜，以反射一部分激光作为参考反射光；或者在所述光纤准直单元623的出射面上镀上增透膜，仅使用传输光纤端面所反射的约4％的入射光作为参考反射光。直角反射镜622的两个直角面上均镀有增透膜。
一种基于惯性振动检测和激光分光干涉原理的光纤固体振动传声器的工作过程如下：所述激光器2由激光器驱动电路1驱动，发射出单色激光，经发射光纤3传输至所述光纤光引导单元4，由光纤光引导单元4的端口41引导至光纤光引导单元4的端口42，经传输光纤5传输至光纤固体振动传声器探头6；在传声器探头内部，一部分激光经传输光纤5端面反射，或者经光纤准直单元623的出射端面的反射膜反射，作为参考反射光；按照固定位置安装好直角反射棱镜622与光纤准直单元623的相互位置之后，微调光纤准直单元623，使得由光纤准直单元623出射的光束，经过直角反射棱镜622的反射斜面与振动敏感质量块614上的反光膜区域621之后，可以最大程度反射回光纤准直单元623内部，作为信号反射光与参考反射光发生干涉，从而获得被调制光强信号。振动耦合单元61可以将固体介质中的振动信号转换为振动敏感质量块614与外框架之间的相对位移，从而改变信号反射光的光程，引起信号反射光与参考反射光之间的相位差变化，从而调制光强信号，实现对固体振动信号的拾取和声-光转换。被调制的激光信号经传输光纤5传输至光纤光引导单元4，由光纤光引导单元4的端口II42引导至端口III43，经接收光纤7传输至光前端8进行光电转换，经信号处理单元9解调出原始振动信号，然后进行滤波、放大和数字信号处理，最终输出与所探测的固体声音振动信号变化一致的电信号还原为声音信号。
Claims (10)
1.光纤固体振动传声器，包括传输器本体，其特征在于，所述传输器本体主要由激光器驱动电路(1)、激光器(2)、光纤光引导单元(4)、传声器探头(6)、光前端(8)和信号处理单元(9)组成；激光器驱动电路(1)的输出端与激光器(2)的输入端相连接；激光器(2)的输出端经发射光纤(3)与光纤光引导单元(4)的端口I(41)连接；光纤光引导单元(4)的端口II(43)经传输光纤(5)与传声器探头相连接；光前端(8)的输入端经接收光纤(7)与光纤光引导单元(4)的端口III(43)相连接；光前端(8)的输出端与信号处理单元(9)的输入端相连接；信号处理单元(9)的反馈端与激光器驱动电路(1)相连接，信号处理单元(9)的输出端作为传输器本体的振动信号还原输出端。
2.根据权利要求1所述的光纤固体振动传声器，其特征在于，所述的振动传声器探头(6)包括壳体、振动耦合单元(61)和光纤传感单元(62)；
所述壳体包括外框架和上底板(616)；外框架呈中空的柱状，其主要由侧壁(611)、下底板(612)和后盖板(617)构成，侧壁(611)呈上下贯通的环柱状，后盖板(617)和下底板(612)分别覆盖在侧壁(611)的上开口和下开口处；上底板(616)横跨在上述外框架的内腔中，且上底板(616)的边缘与外框架的侧壁(611)内侧面相连，上底板(616)将外框架分隔为上腔体和下腔体两部分；振动耦合单元(61)安装在下腔体内，光纤传感单元(62)安装在上腔体内；下底板(612)的下表面与固体介质紧密贴合；
所述振动耦合单元(61)包括振动敏感质量块(614)和弹性部件；振动敏感质量块(614)为实心柱体，振动敏感质量块(614)的侧面与外框架的侧壁(611)的内侧面光滑相贴；振动敏感质量块(614)的上表面和下表面的中央各设有一个环状的中心突环，这两个中心突环的轴心与振动敏感质量块(614)的轴心重叠；设置在振动敏感质量块(614)的上表面的中心突环内制作有反光膜区域(621)；弹性部件包括弹性部件I(613)和弹性部件II(615)；弹性部件I(613)支撑在振动敏感质量块(614)和下底板(612)之间，弹性部件I(613)的上表面直接与振动敏感质量块(614)的下表面的突起相接触，弹性部件I(613)的下表面通过加工在该表面上的环状的***突环与下底板(612)相接触；弹性部件II(615)支撑在振动敏感质量块(614)和上底板(616)之间，弹性部件II(615)的下表面直接与振动敏感质量块(614)的上表面的突起相接触，弹性部件II(615)的上表面通过加工在该表面上的环状的***突环与上底板(616)相接触；弹性部件II(615)和上底板(616)的中心位置处均设置有上下贯通的透光孔；
所述光纤传感单元(62)包括直角反射镜(622)和光纤准直单元(623)；直角反射镜(622)安装在上底板(616)的上表面上；直角反射镜(622)的一个直角面与振动敏感质量块(614)上的反光膜区域(621)平行，且与上底板(616)的透光孔正对，另一个直角面与所述光纤准直单元(623)的出射端面平行；光纤准直单元(623)的尾纤即传输光纤(5)经外框架的侧壁(611)上开设的开孔引出。
3.根据权利要求2所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：所述上底板(616)的边缘与外框架的内侧壁通过活动连接。
4.根据权利要求2所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：所述下底板(612)与弹性部件I(613)之间的空腔内部填充有硅油。
5.根据权利要求2所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：所述光纤准直单元(623)由传输光纤(5)、毛细玻璃管(623b)、自聚焦透镜(623a)和匹配套筒(623c)所组成；毛细玻璃管623b的外径、自聚焦透镜(623a)的外径和所述匹配套筒的内径相一致，毛细玻璃管(623b)和自聚焦透镜(623a)同时内嵌在匹配套筒(623c)中，自聚焦透镜(623a)位于靠近直角反射镜(622)一侧，毛细玻璃管(623b)位于靠近外框架侧壁(611)一侧；毛细玻璃管(623b)内径与传输光纤(5)的纤芯匹配，传输光纤(5)的一端内嵌在毛细玻璃管(623b)的内径中，传输光纤(5)的另一端经外框架的侧壁(611)上开设的开孔引出。
6.根据权利要求2所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：所述光纤准直单元(623)的出射面上镀有部分反射膜或增透膜。
7.根据权利要求2所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：直角反射镜(622)的两个直角面上均镀有增透膜。
8.根据权利要求1所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：所述光纤光引导单元(4)为光纤环形器或者光纤耦合器。
9.根据权利要求1所述的光纤固体振动传声器，其特征在于：光前端(8)由光电二极管及与其相连的前置放大器组成，其中光电二极管的输入端与光纤光引导单元(4)相连，光电二极管的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端与信号处理单元(9)相连。
10.根据权利要求1所述的光纤固体振动传声器，其特征在于，所述激光器驱动电路(1)为受控调制电流源。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113423051A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-09-21 | 深圳市微语信息技术开发有限公司 | 一种高灵敏度抗干扰光传导拾音器及其拾音方法 |
| WO2022048588A1 (zh) * | 2020-09-04 | 2022-03-10 | 华为技术有限公司 | 激光麦克风和终端 |
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2014
- 2014-04-22 CN CN201420197104.1U patent/CN203859873U/zh not_active Expired - Lifetime
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