一种基于F-P干涉的低谐振偏心光纤声敏传感装置的制作方法

本发明涉及一种基于f-p干涉的低谐振偏心光纤声敏传感装置，具体利用f-p光学干涉来设计制作偏心光纤声敏传感器，可以获得低谐振高精度和高分辨率的压力信号检测。

(二)

背景技术：

声波检测技术是一种通过检测声波在介质中反射的回波的波速、频率和振幅变化来了解介质内部信息的技术，它可以在无损状态下对生物体或原材料进行检测，广泛应用于生物医学、航空航天等领域。声波检测技术的关键是声敏传感器，但是截至目前，传统声敏传感器一般采用压电材料采集振动信息，存在着诸如灵敏度低及带宽受限等缺点。干涉型光纤声敏传感器通过光束之间的干涉来测量声波信号的幅频特性，是近年来发展起来的一种新型声敏传感器，它具有抗电磁干扰能力强、体积小、灵敏度高等优点，是声敏传感器一个重要的研究方向。根据原理不同，干涉型光纤声敏传感器可分为michelson干涉型、mach-zehnder干涉型、sagnac干涉型以及f-p干涉型等光纤声敏传感器。michelson干涉型光纤声敏传感器结构比较简单，但是由于光在多路光纤中传输干涉时易受外界因素影响，这限制了其精度和应用环境。mach-zehnder干涉型光纤声敏传感器具有较大的检测带宽，但是其存在着稳定性差的缺点。sagnac干涉型光纤声敏传感器具有较高的稳定性，但是其一般应用于角速度的测量，应用场景比较受限。在干涉型声敏传感器中基于f-p干涉的光纤声敏传感器因具有精度高、尺寸小以及稳定性高而备受重视，但这种传感器存在较强的谐振以及较长的回响持续时间，这往往会导致较大的噪声。为了克服这个缺点，本发明基于f-p干涉效应提出了一种偏心光纤声敏传感器，结果显示这种新型的光纤声敏传感器在低谐振下具有较高的精度和信噪比。

(三)

技术实现要素：

本发明主要解决的问题是提供一种低谐振偏心光纤声敏传感装置，采用光纤尖端镀膜的方法设计f-p谐振腔，形成压力敏感端面，在外界声压发生变换时腔长随之产生变化，f-p干涉产生的反射信号发生变化，可以能够获得很高的测量精度。光纤纤芯的偏心设置可以降低光纤尖端的谐振，实现传感头在不降低测量精度的基础上降低回响产生的噪声。

为解决光纤声敏传感器的谐振问题，本发明采用的技术方案是：提供一种光纤声敏传感装置，包括：可调谐激光器模块、光纤耦合器、光纤环形器、偏心光纤声敏传感头、光电转换模块、放大器模块和信号处理单元。所述可调谐激光器发出的光通过光纤耦合器后分成两路，一路由光纤环形器第一端口进入，从光纤环形器第二端口输出到单模光纤转偏心光纤模块，然后再通过偏心光纤进入到偏心光纤声敏传感头，另一路直接进入光电转换模块转换为电信号作为强度对比信号。光进入光纤声敏传感头后会在两层金属膜形成的谐振腔中产生f-p干涉，然后将干涉后的光再次传回偏心光纤。当声音传输到偏心光纤声敏传感头时会引起金属膜震动，造成f-p干涉产生变化，进而引起反射到偏心光纤中的光强发生变化。从偏心光纤中反射回的光经单模光纤转偏心光纤模块进入到光纤环形器第二端口，然后由第三端口输出到光电转换模块。两路光电转换模块输出的电信号经放大器放大后传给采集与信号处理单元，进而可完成对声音信号的解调。

所述偏心光纤声敏传感装置的核心是由f-p腔构成的偏心光纤声敏传感头，传感头是光纤尖端的f-p谐振腔，由两层金属膜和中间一层有机高分子膜构成。金属膜具有较高的反射率而有机高分子膜的透光率较高。声音传输到谐振腔时会改变谐振腔的腔长，光在谐振腔的反射会随之发生变化进而完成对声压的测量。

优选地，根据干涉光的波长确定有机分子膜的厚度，根据反射和透射率可以分别确定两层金属膜的厚度；

优选地，根据偏心光纤声敏传感器中有机分子膜的实际厚度，可调谐激光器的输出波长，直至波长处于反射率随厚度变化的最大斜率上，此时传感器具有最高灵敏度；

优选地，根据最低的余振幅度和时间，可以确定偏心光纤的半径和纤芯到光纤几何中心的距离。

本发明的有益效果是：通过设计偏心光纤前端为两层金属膜和中间有机分子膜组成的f-p腔，可以达到很高的测量精度，纤芯在包层中偏心放置能有效地降低余振，进而制作出高灵敏度宽带声敏传感器。

(四)附图说明

图1为本发明一种偏心光纤声敏传感装置光路示意图。

图2为基于f-p干涉的偏心光纤声敏传感器结构示意图。

图3是偏心光纤横截面示意图。

图1中：1-可调谐激光器模块；2-光纤耦合器；3-光纤环形器；4-单模光纤转偏心光纤模块；5-偏心光纤；6-偏心光纤声敏传感头；7光电转换模块a；8-光电转换模块b；9-放大器模块a；10-放大器模块b；11-信号采集与处理单元。

图2中：12-光纤纤芯；13-光纤包层；14-金属膜a；15-有机高分子膜；16-金属膜b。

图3中：r1为偏心光纤的半径；r2为内芯半径；r为内芯到光纤中心距离。

(五)具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示是本实施例中偏心光纤声敏传感装置光路示意图。本实施例的偏心光纤声敏传感装置包括可调谐激光器模块1、光纤耦合器2、光纤环形器3、单模光纤转偏心光纤模块4、偏心光纤声敏传感头6、偏心光纤5、光电转换模块7和8、放大器模块9和10和信号采集与处理单元11。图2所示是基于f-p干涉的偏心光纤声敏传感器，其基本结构是一个由三层膜构成的f-p干涉仪，用于将声压转换为反射的光强信号。

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

步骤一，可调谐激光器1发出的光由光纤耦合器2分成两路，一路通过光纤环形器3第一端口进入，从光纤环形器第二端口输出到单模光纤转偏心光纤模块4，然后再通过偏心光纤5进入到光纤声敏传感器6；

步骤二，光进入偏心光纤声敏传感头后会在金属膜a和金属膜b之间形成的谐振腔中产生f-p干涉，然后将干涉后的光再次经单模光纤转偏心光纤模块传回偏心光纤；

步骤三，选取波长可调谐的激光器用于进行干涉实验研究，通过连续扫描来保证光强随谐振腔厚度的变化处于最大斜率处；

步骤四，当声音传输到光纤声敏传感器时会引起金属膜震动，引起f-p谐振腔厚度的变化，进而造成反射到偏心光纤中的光强发生变化；

步骤五，从光纤耦合器2分出的另一路光进入光电转换模块7，然后经放大器模块9进入信号采集与处理单元；

步骤六，从偏心光纤中反射回的光经单模光纤转偏心光纤模块后由光纤环形器第二端口进入从第三端口输出到光电转换模块8，然后经放大器模块10放大后传给信号采集与处理单元11，进而可完成对声音信号的解调。

实验结果表明，偏心光纤传感器测得的余振较低，回响持续时间小，具有较高的测量精度和较小的噪声。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。