一种基于悬臂梁结构的非本征法布里-珀罗声学传感器

本发明属于光纤传感，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。利用解调系统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。

3、为了达到上述发明创造目的，本发明的构思：

4、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。

5、根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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：

12、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；

13、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；

14、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。

技术特征：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：张琦,罗杰锋,张小贝,王梓杰,杨勇,余洋,邓传鲁,黄怿,王廷云
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12