无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法
【专利摘要】本发明公开了无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法，无膜片全光纤拾音器传感探头包括传感部件，传感部件为光纤轴，光纤轴由轴体、光纤和对声音产生形变的声音敏感材料组成，光纤有输入端和输出端，声音敏感材料附于轴体外表面，光纤缠绕于声音敏感材料上；传感探头之间通过连接光纤可以实现串并联；置于声音环境中对声音产生的光相位变化进行解调。本发明的有益效果为通过对光纤拾音器传感探头采用声音敏感材料和光纤实现了在声音作用下光脉冲的相位变化，摆脱了现有光纤拾音器传感探头对膜片或者弹片的质量依赖，从而使得成本低廉，使用寿命长，并且制作工艺简单化，降低了制作要求。
【专利说明】无膜片全光纤拾音器传感探头、传感探头组及传感方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤拾音器【技术领域】，具体涉及无膜片全光纤拾音器的传感探头、传感探头组及传感方法。
【背景技术】
[0002]光纤拾音器是一种将光纤传感应用于声音探测的设备，具有光纤传感的一系列优势，如抗电磁干扰、耐腐蚀、安全可靠、结构简单等。同时，它还具有体积小、灵敏度高、隐蔽性强等特点，而且其测量动态范围广、音质好。因此，光纤拾音器及其变形器件备受研究者们的青睐。
[0003]在先技术一介绍了一种反射式光纤麦克风传感探头。该探头是采用简单的强度解调方式，精度有限。而且，声音的再现效果很大程度上取决于弹片的质量以及弹片与多模光纤的位置。因此，其制作过程的要求会非常严格。此外，该传感头只能单独使用，无法进行串并联° 参照:Zhang Hongju, Yao Shengli, Mi Lei, Theoretical analysis ofsensing probe in fiber microphone, Journal of Applied Optics,2008, Vol.29,N0.5,pp812_814。
[0004]在先技术二提出了一种基于MZ干涉仪的全光纤麦克风,将膜片的振动转换为光路相位的调制，解调精度提高。但是，与上述先技术一类似，声音的效果取决于膜片的质量和位置。并且，无法实现多个麦克风的串并联，大大限制了光纤拾音器的应用范围。参照:WuDongfang, Jia Bo, Theoretical and Experimental Research of All Fiber MicrophoneBased on M-Z Interferometer, CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS,2007,Vol.20, N0.7，ppl528-1530。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:现有的光纤拾音器传感探头对膜片质量依赖性强，制作工艺复杂、制作要求严格，成本高，并且难于实现对传感探头的串并联。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的一种无膜片全光纤拾音器传感探头，包括传感部件，所述传感部件为光纤轴，光纤轴由轴体、光纤和对声音产生形变的声音敏感材料组成，光纤有输入端和输出端，声音敏感材料附于轴体外表面，光纤缠绕于声音敏感材料上。
[0007]声音敏感材料是一类对声音敏感的材料，在声音作用下，其会发生形变，进而引起缠绕在其外部的光纤被拉伸。此为现有材料。
[0008]本发明一种无膜片全光纤拾音器传感探头的工作原理为:
[0009]传感探头置于声音环境中，在声音的作用下，附在光纤轴轴体上的声音敏感材料发生形变，从而使得缠绕在声音敏感材料上的光纤被拉伸。光纤拉伸时，其纤芯的折射率会发生变化，从而引起光纤中光脉冲的相位变化。外部的解调系统解调出无膜片全光纤拾音器传感探头处的相位-时间变化，从而获得该处的声音信息。传感方法的详细原理如下:
[0010]将所述无膜片全光纤拾音器传感探头置于所需探测的环境中，声音敏感材料在声音的作用下发生形变，该形变引起声音敏感材料外部光纤的变化。光纤内注入的光为窄线宽相干光脉冲，其相位对应变、温度等非常灵敏。应变会通过改变折射率和光纤长度引起光程的变化AL，记作:
[0011]nl-n010 =AL
[0012]其中，nO和η分别是变化前后的折射率，10和I则为变化前后的光纤长度，Λ L为光程的变化。
[0013]而相位的变化可以按照如下公式进行计算:
[0014]
【权利要求】
1.一种无膜片全光纤拾音器传感探头，包括传感部件，其特征在于:所述传感部件为光纤轴(6),光纤轴(6)由轴体(6-1)、光纤(6-5)和对声音产生形变的声音敏感材料(6-2)组成，光纤(6-5)有输入端(6-3)和输出端(6-4),声音敏感材料(6-2)附于轴体(6_1)外表面，光纤(6-5)缠绕于声音敏感材料(6-2)上。
2.根据权利要求1所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:还包括防护外壳(5)和底座(4),所述光纤轴(6)置于底座(4)上,防护外壳(5)设于光纤轴(6)外部,所述防护外壳上设有声孔(7)。
3.根据权利要求2所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:所述底座(4)包括光纤轴底座(4-3)、输入端光纤底座(4-1)和输出端光纤底座(4-2),其中输入端光纤底座(4-1)和输出端光纤底座(4-2)分别设有光纤槽,所述防护外壳(5)由光纤轴外壳(5-3)、左翼外壳(5-1)和右翼外壳(5-2)组成，光纤轴外壳(5-3)、左翼外壳(5-1)和右翼外壳(5-2 )分别罩在光纤轴底座(4-3 )、输入端光纤底座(4-1)和输出端光纤底座(4-2 )外部，所述光纤轴(6)置于所述光纤轴底座(4-3)上,所述声孔(7)设于光纤轴外壳(5-3)上,所述光纤输入端(6-3)与输出端(6-4)分别通过紧固件(3)固定在输入端光纤底座(4-1)和输出端光纤底座(4-2)的光纤槽中。
4.根据权利要求3所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:所述声孔(7)位于所述光纤轴外壳(5-3)的侧面和/或上面。
5.根据权利要求1至4任一项所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:所述轴体(6-1)为柱形。
6.根据权利要求5所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:所述轴体(6-1)横截面为圆形、梅花形、三叶草形或蝶形。`
7.根据权利要求1至4任一项所述的无膜片全光纤拾音器传感探头，其特征在于:所述轴体(6-1)为球体。
8.一种基于权利要求1至4任一项所述无膜片全光纤拾音器传感探头的无膜片全光纤拾音器传感探头组，其特征在于:包括两个以上无膜片全光纤拾音器传感探头，所述无膜片全光纤拾音器传感探头之间通过连接光纤串联、并联或串并联。
9.一种基于权利要求1所述无膜片全光纤拾音器传感探头的传感方法，其特征在于: 将所述无膜片全光纤拾音器传感探头置于所需探测的环境中，声音敏感材料在声音的作用下发生形变，该形变引起声音敏感材料外部光纤的变化； 具体为光纤折射率和光纤长度发生变化，进而引起光程发生变化，公式为 nl-n010 =AL 其中，nO和η分别是变化前后的折射率，10和I则为变化前后的光纤长度，AL为光程的变化； 相位的变化按照如下公式进行计算:Αφ = ^χ{ηΙ-ηοΙο) = ^
AA 其中—是相位变化，λ是光在真空中的波长； 光程的变化AL在um量级时，即产生几个λ的相位差；解调系统解调出探头处的相位-时间变化，获得该处的声音信息。
10.一种基于权利要求8所述无膜片全光纤拾音器传感探头组的传感方法，其特征在于: 将所述无膜片全光纤拾音器传感探头组与光源及解调系统连接后置于所需探测的环境中； 光源及解调系统发出的光依次通过各无膜片全光纤拾音器传感探头； 光在传输的过程中产生后向瑞利散射，后向的散射光将沿原路返回至光源及解调系统； 根据光时域反射计的原理确定每一个探头处的位置，然后解调出相应位置信号的时间变化，最后获得所有探头或者指定探头处`的声音信息。
【文档编号】G01H9/00GK103884417SQ201410098502
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】蔡圣闻, 殷磊, 姜晓冰, 邵世海, 马康 申请人:南京派光信息技术有限公司