双FP腔光纤声传感探头及其传感系统技术方案

本发明专利技术提供了一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统。该双FP腔光纤声传感探头通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题，具有稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，可广泛用于语音通讯、环境噪声监测、噪声源定位、复杂电磁环境下的声波信号拾取等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声传感器
，尤其涉及一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统。
技术介绍
近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感技术也获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声波传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等，这些光纤传感器采用的原理也多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、M-Z干涉仪式、Signac干涉仪式、以及FP腔光纤传声器。由于光纤传感器采用光纤传感技术，因而具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，适合于复杂电磁环境和微弱信号的情况。在各种原理的光纤声传感器中，FP腔光纤声传感器因其结构简单、灵敏度高、解调方法简单而被广泛研究，形成了各种结构的FP腔光纤声传感器。如参考文献1(Sensors and Actuators A，2010，163：42-47)报道了一种探头大小为光纤直径的FP腔传声器，其探头为一段空心光纤与单模光纤端头熔接在一起，然后直接将振膜贴在空心光纤的端头而形成；参考文献2(Opt.Express，2009，17：16613-16618)报道了一种利用MEMS技术制作出V形槽，并利用光纤45°的斜端面与硅片构成FP腔制作的传声器。这些FP腔光纤传感器都存在性能不稳定的问题，究其原因是外界影响导致FP腔的腔长发生变化，使工作点发生了漂移。这是FP腔声传感器的一个致命缺点。为了提高FP腔光纤声传感器的稳定性，参考文献3(Optics & Laser Technology，2013，51：43-46)报道了采用可调谐激光器和反馈电路，通过改变波长对腔长变化进行补偿的方法，这种方法成本高、技术复杂，不利于实际的应用。此外，参考文献4(Optics and Laser Technology，2008，40：874-880)报道了采用双波长获得两路正交信号的方法来提高传感器稳定性，该方法利用从ASE宽谱光源发出的光，经过1×2耦合器进入FP腔传感头，由传感头返回的光信号送入一个WDM，将两个正交波长的信号分开，并分别进行探测，获得两路正交信号，最后利用正交信号解调原理解调出被测的动态信号。然而双波长方法存在几个问题：1)需要宽谱光源或双LD光源以及波分复用器，导致系统成本高，2)由干涉光相位可知，相位与波长λ成反比，因此对于不同腔长，两个正交波长的波长差是不同的，因此对于较大的腔长变化，将会导致信号不再正交，测量误差变大，甚至失效，3)由于相位与波长成反比，对于设计的正交波长要求有确定的腔长，这没有降低制作光纤FP腔敏感头的难度，在工艺上没有优势。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统，以用较低的成本消除FP腔光纤声传感器工作点漂移的问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种双FP腔光纤声传感探头。该双FP腔光纤声传感探头包括：外壳，其内部形成一作用腔；敏感声波信号的振膜1，蒙于所述作用腔的上部；第一导光单元2和第二导光单元3，其前端伸入所述作用腔内；其中，所述第一导光单元的上端面201与所述振膜的反光面101形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面301与所述振膜的反光面101形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种包括上述双FP腔光纤声传感器探头的双FP腔光纤声传感系统。该双FP腔光纤声传感系统还包括：光源7；分光元件8，连接于所述光源8的后端；第一导光结构9a和第二导光结构9b；第一光电探测器10a和第二光电探测器10b；以及信号处理电路11。其中，光源7发出单色光，所述分光元件8将该单色光分为两路；第一路单色光由第一导光结构9a的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感器探头中第一导光单元的后端，且经由第一FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第一光电探测器10a进行光电转换；第二路单色光由第二导光结构9b的端口I进入，通过端口II进入所述FP腔光纤声传感器探头中第二导光单元的后端，且经由第二FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第二光电探测器10b进行光电转换；所述信号处理电路11对第一光电探测器10a和第二光电探测器10b输出的信号进行处理，解调出声波信息。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术双FP腔光纤声传感探头及其传感系统具有以下有益效果：(1)通过设置两个长度差为八分之一工作光波长的奇数倍的两个FP腔，利用该两个FP腔获得的正交的两个信号进行处理而消除了工作点漂移的问题，具有稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，可广泛用于语音通讯、环境噪声监测、噪声源定位、复杂电磁环境下的声波信号拾取等领域；(2)仅需要一组激光光源，即解决了工作点漂移的问题，极好控制了成本；(3)结构简单、便于生产、成本低，适合于广泛推广。附图说明图1为本专利技术双FP腔光纤声传感探头结构示意图；图2为本专利技术基于双FP腔光纤声传感探头的传感系统结构示意图；图3为本专利技术双FP腔光纤声传感系统工作过程；图4为根据本专利技术实施例的一种采用MEMS工艺的双FP腔光纤声传感探头结构示意图。【本专利技术主要元件符号说明】1-振膜                    101-振膜反光面；2-第一导光单元；          201-第一导光单元上端面202-第一导光单元传光光纤；3-第二导光单元；          301-第二导光单元上端面；302-第一导光单元传光光纤；4-第一FP腔；              5-第二FP腔；6-双FP腔光纤声传感探头；  7-光源；8-耦合器；                   9a和9b-单向导光器；10a和10b-光电探测器；        11-信号处理电路；12-上结构体；                13-下结构体；14-上保护体；                15-下保护体；16-隔振体；                  17-入声孔；18-锁环；                    19-硅片结构体；20-玻璃结构体；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，包括：外壳，其内部形成一作用腔；敏感声波信号的振膜(1)，蒙于所述作用腔的上部；第一导光单元(2)和第二导光单元(3)，其前端伸入所述作用腔内；其中，所述第一导光单元的上端面(201)与所述振膜的反光面(101)形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面(301)与所述振膜的反光面(101)形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

【技术特征摘要】
1.一种双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，包括：
外壳，其内部形成一作用腔；
敏感声波信号的振膜(1)，蒙于所述作用腔的上部；
第一导光单元(2)和第二导光单元(3)，其前端伸入所述作用腔内；
其中，所述第一导光单元的上端面(201)与所述振膜的反光面(101)
形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面(301)与所述振膜的反光面
(101)形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之
一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。
2.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于所述
的振膜为金属材料薄膜或由MEMS技术形成的硅及氮化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于所述
的振膜反光面设有反光层，反光层材料为金、银、钛或有机物，且反光层
厚度为10-1000nm。
4.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，所
述第一导光单元(2)和第二导光单元(3)为：
光纤，或者
由光纤与透明介质组成的导光单元。
5.根据权利要求4所述的双FP腔光纤声传感器探头，其特征在于，
所述光纤为单模光纤或单模保偏光纤。
6.根据权利要求4所述的双FP腔光纤声传感器探头，其特征在于，
所述第一导光单元(2)和第二导光单元(3)为由光纤与透明介质组成的
导光单元，其中，所述透明介质为玻璃、石英或者透明塑料。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的双FP腔光纤声传感器探头，
其特征在于，所述外壳包括：
上结构体(12)，呈筒状，其内部形成一容纳腔，其中部形成一台阶；
下结构体(13)，设置于所述容纳腔内，其上部抵住所述台阶的下部，
所述振膜(1)、上结构体(12)和下结构体(13)围成所述作用腔；
锁环(18)，安装于所述下结构体(13)的下方，用于将该下结构体

\t(13)固定于所述上结构体(12)上，使两者成为一整体。
8.根据权利要求1所述的双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，还
包括：保护结构容纳腔；
该保护结构容纳腔由上保护体(12)和下保护体(13)围成，所述外
壳、振膜(1)、第一导光单元(2)和第二导光单元(3)置于该保护结构
容纳腔内；所述上保护体的上端设有入声孔(17)，所述下保护体与外壳
之间设有隔振体(16)。
9.一种双FP腔光纤声传感探头，其特征在于，包括：
第一结构体(19)，呈环状；
敏感声波信号的振膜(1)，蒙于所述第一结构体(19)的上部；
第二结构体(20)，由透明材料制备，结合于所述第一结构体的下部，
其上表面的中部沿对称中心线形成高度不同的两平面(201和301)，其下
表面的中部形成凹坑；
第一传光光纤(202)和第二传光光纤(302)，固定于所述第二结构
体下表面的凹坑中，分别对准所述高度不同的两平面(201和301)；
其中，所述第一传光光纤(202)对准所述两平面其中之一的第一平
面(201)，其与该第一平面(201)下部的第二结构体部分形成第一导光
单元，该第一平面(201)与所述振膜(1)形成第一FP腔；所述第二传
光光纤(302)对准所述两平面其中另一的第二平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：程进，逯丹凤，祁志美，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11