專利名稱：一種對聲音探測的光纖聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖聲傳感器，更特別地說，是指一種能夠?qū)⑻綔y得到的聲音進(jìn) 行聲一光一 電轉(zhuǎn)換處理的光纖聲傳感器。
背景技術(shù)：
光纖聲傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、受外界環(huán)境影響較小，在強電磁干擾環(huán)境、強腐 蝕環(huán)境，以及易燃易爆等高危險性環(huán)境中具有很廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)報道，該類聲 傳感器已用于醫(yī)療CT及核磁共振成像等高電磁干擾環(huán)境中的通話，以及高電磁干擾 環(huán)境中的無金屬化語音偵聽。同時將光纖聲傳感器用于輸油管道監(jiān)測、飛行器監(jiān)測等 無損探傷領(lǐng)域，也取得了一定的成果。目前，光纖聲傳感技術(shù)主要基于兩種原理干 涉式和強度式。干涉式光纖聲傳感方法由于其易受環(huán)境的影響，外界溫度、壓力等因 素很容易引起干涉光信號相位的改變，造成測量信號的漂移，因而很難滿足在實際中 的應(yīng)用。強度式光纖聲傳感方法直接釆用光強度調(diào)制，因而受環(huán)境影響較小。目前反 射式強度調(diào)制型光纖聲傳感中接收光纖和發(fā)射光纖通常都采用平行式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由 于光信號耦合效率較低，因而構(gòu)成的系統(tǒng)探測靈敏度和信噪比都較低，難以滿足實際 應(yīng)用要求。 發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)⑻綔y的聲音進(jìn)行聲—光 一 電轉(zhuǎn)換處理的光纖聲 傳感器，該光纖聲傳感器應(yīng)用了反射式光強調(diào)制傳感原理，通過敏感單元與光電探測 器的組合將聲音信號轉(zhuǎn)化成光強信息，并對光強信息進(jìn)行信號處理，從而還原出被測 聲音信號。
本發(fā)明的一種光纖聲傳感器是將光源發(fā)出的光信號耦合進(jìn)發(fā)射光纖中，通過發(fā)射 光纖投射在反射振動膜片上。反射振動膜片敏感待測的振動信號，通過膜片的振動對 投射到其上的光信號進(jìn)行強度調(diào)制，經(jīng)膜片反射后的光信號由接收光纖接收，并傳導(dǎo) 到后續(xù)的光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)信號處理電路處理后還原成聲 音信號。其中包括有
4一光源，是為光纖聲傳感器提供中心波長為850"m的出射光《"；
一敏感單元，是通過發(fā)射光纖接收光源輸出的出射光&，該出射光^經(jīng)發(fā)射光
纖入射到反射振動膜片上并形成反射光《 ,，該反射光P。w由接收光纖接收并傳輸?shù)?br> 光電探測器上；
一光電探測器，是將接收到的反射光轉(zhuǎn)換成表征光強信息的電壓信號F輸出
給信號處理電路；
一信號處理電路，其由信號放大電路、濾波電路和音頻輸出電路組成，該信號處 理電路用于實現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，并輸出。
所述的對聲音採測的光纖聲傳感器，其敏感單元由上蓋板、基座和反射振動膜片 組成，上蓋板安裝在基座上形成夾緊兩根光纖的夾具，該夾具與反射振動膜片的間距
記為"，J = 10 200//m;反射振動膜片是一圓片，厚度為0.1 2/zw;基座上設(shè) 有A斜槽、B斜槽，該A斜槽、B斜槽能夠保證發(fā)射光纖(1B)的發(fā)射終端與接收 光纖的接收起端形成一個夾角，該夾角記為光纖夾角-， ^=30° ~90° 。
所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其發(fā)射光纖采用芯徑為62.5//m外徑為 125，的多模光纖，接收光纖釆用芯徑為100//m外徑為125//m的多模光纖。
本發(fā)明光纖聲傳感器的優(yōu)點在于
(1) 在敏感單元中，利用反射振動膜片敏感待測聲音信號，并對反射光信號的強度 進(jìn)行調(diào)制，通過光電探測器再將調(diào)制后的光強信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)聲 —光一電的轉(zhuǎn)換。
(2) 在敏感單元中，利用夾角式光纖排列結(jié)構(gòu)，以及調(diào)整夾具與膜片之間的間距，
提升了傳感器的探測靈敏度和信噪比，使本發(fā)明能夠更好的滿足實際應(yīng)用要求。
(3) 在傳感領(lǐng)域中，中心波長為850"m的光源能夠有較大的輸出強度，因此本發(fā) 明釆用中心波長為850腦的光源，有利于通過強度提高光纖聲傳感器的靈敏度。
(4) 釆用光信號做為載體，使得本發(fā)明傳感器不受電磁干擾影響。
(5) 采用鈮酸鋰基片上刻蝕槽道安裝光纖，采用光纖作為光信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，有效 地減小了本發(fā)明傳感器的尺寸，減化了整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了微小結(jié)構(gòu)對于聲音信 號的髙靈敏度探測。


圖1是本發(fā)明光纖聲傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明敏感單元的結(jié)構(gòu)分解圖。
圖2A是本發(fā)明敏感單元中兩根光纖的夾角
圖3A是本發(fā)明信號處理電路中信號放大電路的原理圖。
圖3B是本發(fā)明信號處理電路中濾波放大電路和音頻輸出電路的原理圖。
圖中 l.敏感單元 IA.接收光纖 1B.發(fā)射光纖 ll.上蓋板
12.基板 121.A斜槽122.B斜槽 2.反射振動膜片
3.光源 4.光電探測器 5.信號處理電路
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1、圖2所示，本發(fā)明是一種能夠?qū)⑻綔y得到的聲音進(jìn)行聲一光一電轉(zhuǎn)換 處理的光纖聲傳感器，該光纖聲傳感器包括有
一光源3，是為光纖聲傳感器提供中心波長為850"m的出射光& 。
一敏感單元l，是通過發(fā)射光纖1B接收光源3輸出的出射光^ ，該出射光^經(jīng) 發(fā)射光纖1B入射到反射振動膜片2上并形成反射光i^，該反射光尸。 ,由接收光纖 1A接收并傳輸?shù)焦怆娞綔y器4上。敏感單元1由上蓋板11、基座12和反射振動膜 片2組成，上蓋板11安裝在基座12上形成夾緊兩根光纖的夾具，該夾具與反射振 動膜片2的間距記為"，^ = 10~200//附。反射振動膜片2是一圓片，厚度為0.1 2//m。反射振動膜片2可以釆用如硅、銀、金、鎳、鈦或鉑加工成一定厚度的圓片 結(jié)構(gòu)。基座12上設(shè)有A斜槽121、 B斜槽122，該A斜槽121、 B斜槽122能夠 保證發(fā)射光纖1B的發(fā)射終端與接收光纖1A的接收端形成一個夾角，該夾角記為光 纖夾角/ ， 〃=30° 90° 。發(fā)射光纖1B采用芯徑為62.5//附外徑為 多模光纖，接收光纖1A釆用芯徑為IOO戶外徑為125，的多模光纖?；?2 和上蓋板ll均采用鈮酸鋰(LiNb03)材料加工。
一光電探測器4,是將接收到的反射光P。w轉(zhuǎn)換成表征光強信息的電壓信號r輸 出給信號處理電路5。一信號處理電路5，其由信號放大電路、濾波電路和音頻輸出電路組成，該信號 處理電路5用于實現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，并輸出。
在本發(fā)明中，信號處理電路5的具體電路為編號N2A和編號N2B為一片型 號為LM358的運算放大芯片(第一運算放大芯片)。編號N4A和編號N4B為另一 片型號為LM358的運算放大芯片(第二運算放大芯片)。編號U7為一片型號為 NE5532的音頻放大芯片。
從光電探測器4中輸出的電壓信號r經(jīng)電容Cl、電阻R1后連接到第一運算放 大芯片的2端，電容C19與電阻R8并聯(lián)在第一運算放大芯片的2端與1端上，8 端接5V電壓為第一運算放大芯片供電，且5V電壓通過并聯(lián)的電容Cll、電容C17 后接地，以減小紋波，3端和4端接地，第一運算放大芯片1端經(jīng)電容C21、電阻 R9后與第一運算放大芯片的6端相聯(lián)，電容C20與電阻RIO并聯(lián)在第一運算放大 芯片的6端與7端上，5端接5V電壓為第一運算放大芯片參考電壓，且5V電壓通 過并聯(lián)的電容C12、電阻R14后接地，以減小紋波，運算放大后的放大信號^經(jīng)電 容C13后連接到濾波電路中，即7端連接在第一級低通濾波電路上。
第一級低通濾波電路由電阻R15、電阻R22、電容C23和電容C25構(gòu)成，5V 電壓與電阻R16和電阻R17構(gòu)成抬升信號的直流電壓(即5V電壓經(jīng)電阻R16連 接在電容C23與電阻R22之間，經(jīng)電阻R16后的5V電壓再經(jīng)電阻R17接地)。 放大信號K順次經(jīng)電阻R15、電容C23、電阻R22、電阻R23流入第二運算放大芯
片的3端。
第二運算放大芯片的2端與3端之間接有電容C26, 2端與1端聯(lián)接，3端經(jīng) 電容C27接地，8端接5V電壓為第二運算放大芯片供電，且5V電壓通過并聯(lián)的電 容C14、電容C18后接地，以減小紋波，4端接地，l端輸出的去除髙頻噪聲信號^
流入第一級高通濾波電路中，即第二運算放大芯片的1端與第一級高通濾波電路的 電阻R25連接。
第一級高通濾波電路由電阻R25、電阻R28、電容C41和電容C43構(gòu)成，5V 電壓與電阻R18和電阻R19構(gòu)成抬升信號的直流電壓(即5V電壓經(jīng)電阻R18連 接在電容C46與第二運算放大芯片的5端之間，經(jīng)電阻R18后的5V電壓再經(jīng)電阻 R19接地)。去除高頻噪聲信號^順次經(jīng)電容C41、電容C43、電容C46流入到第
二運算放大芯片的5端。6端與5端之間通過電阻R31、電容C46連接，6端與7 端相連，7端輸出的去除低頻噪聲信號F3經(jīng)電容C24流入音頻放大電路。音頻放大電路由音頻放大芯片NE5532及其外圍電路構(gòu)成，去除低頻噪聲信號 F3順次經(jīng)電容C24、電阻R32、電容C47、電容C48流入音頻放大芯片的3端，
電阻R32、電容C47、可調(diào)電阻RP1構(gòu)成分壓電路(電阻R32的一端與可調(diào)電阻 RP1的一端相聯(lián)，可調(diào)電阻RP1的另一端接地，在可調(diào)電阻RP1的滑變端與電阻 R32之間并聯(lián)有電容C47)。
音頻放大芯片的8端接5V供電，電容C49與電容C50并聯(lián)，起到紋波作用， 且8端經(jīng)電阻R34、電阻R33接地。3端經(jīng)電阻R20、電阻R33接地，2端經(jīng)電 阻R27、電容C52接地，同時2端也經(jīng)電阻R51、電阻R221、電阻R48接地， 在電阻R221上并聯(lián)電容C53，經(jīng)音頻放大后的信號^從7端輸出。音頻放大信號^ 經(jīng)電容C51與外部接口 J4相接，實現(xiàn)音頻放大信號^的輸出。
參見圖2、圖2A所示，敏感單元中夾具與反射振動膜片2的工作原理為發(fā)射 光纖1B發(fā)射的中心波長為850"m的光信號經(jīng)反射振動膜片2反射后形成反射光場， 該反射光場投射到接收光纖1A的端面上，由接收光纖1A接收。當(dāng)有聲音信號作用 在反射振動膜片2上，并引起反射振動膜片2振動時，反射光場的強度分布發(fā)生變 化，進(jìn)而引起接收光纖1A接收到的光強度發(fā)生變化。
在本發(fā)明中，光源3用于提供中心波長為850"m的非相干光信號，光源3為出 纖功率大于200//m的扁平式發(fā)光二級管。
在本發(fā)明中，光電探測器采用安捷倫HFBR2416T光電探測模塊。
本發(fā)明的能夠?qū)⑻綔y得到的聲音進(jìn)行聲一光一 電轉(zhuǎn)換處理的光纖聲傳感器，其工 作流程為光源3出射的光信號耦合進(jìn)發(fā)射光纖1B中，并從敏感單元1中的發(fā)射光 纖1B的端面出射，投射到反射振動膜片2的表面，反射后的光信號由接收光纖1A 接收。當(dāng)待測的聲音信號通過傳輸介質(zhì)作用在反射振動膜片2上，帶動反射振動膜 片2發(fā)生振動，引起距離J的變化。此時，反射光信號在接收光纖1A端面形成的反 射光場強度分布發(fā)生變化，進(jìn)而接收到的光信號強度也發(fā)生變化。接收到的光信號經(jīng) 光電探測器被轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大、濾波處理，通過音頻輸出模塊輸出成能被 聽到的聲音信號。
8
權(quán)利要求
1、一種對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于該光纖聲傳感器包括有一光源(3)，是為光纖聲傳感器提供中心波長為850nm的出射光Pin；一敏感單元(1)，是通過發(fā)射光纖(1B)接收光源(3)輸出的出射光Pin，該出射光Pin經(jīng)發(fā)射光纖(1B)入射到反射振動膜片(2)上并形成反射光Pout，該反射光Pout由接收光纖(1A)接收并傳輸?shù)焦怆娞綔y器(4)上；一光電探測器(4)，是將接收到的反射光Pout轉(zhuǎn)換成表征光強信息的電壓信號V輸出給信號處理電路(5)；一信號處理電路(5)，其由信號放大電路、濾波電路和音頻輸出電路組成，該信號處理電路(5)用于實現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，并輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于敏感單元(1) 由上蓋板(11)、基座(12)和反射振動膜片(2)組成，上蓋板(11)安裝在 基座(12)上形成夾緊兩根光纖的夾具，該夾具與反射振動膜片(2)的間距記 為d, J = 10 200//w;反射振動膜片(2)是一圓片，厚度為0.1 2/^;基 座(12)上設(shè)有A斜槽(121) 、 B斜槽(122)，該A斜槽(121) 、 B斜槽(122)能夠保證發(fā)射光纖(1B)的發(fā)射終端與接收光纖(1A)的接收起端形成 一個夾角，該夾角記為光纖夾角P, ;0=30° ~90° 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于反射振動膜片(2)采用如硅、銀、金、鎳、鈦或鉑加工成一定厚度的圓片結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于發(fā)射光纖(1B) 采用芯徑為62.5/^外徑為125//附的多模光纖，接收光纖(1A)采用芯徑為 100pm外徑為125//m的多模光纖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于基板(12)和 上蓋板(11)均釆用鈮酸鋰材料加工。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于信號處理電路(5)的具體電路為編號N2A和編號N2B為一片型號為LM358的第一運算 放大芯片，編號N4A和編號N4B為另一片型號為LM358的第二運算放大芯片， 編號U7為一片型號為NE5532的音頻放大芯片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的對聲音探測的光纖聲傳感器，其特征在于從光電探測器(4)中輸出的電壓信號F經(jīng)電容C1、電阻R1后連接到第一運算放大芯片的2端，電容C19與電阻R8并聯(lián)在第一運算放大芯片的2端與l端上，8端接5V 電壓為第一運算放大芯片供電，且5V電壓通過并聯(lián)的電容C11、電容C17后接 地，以減小紋波，3端和4端接地，第一運算放大芯片1端經(jīng)電容C21、電阻 R9后與第一運算放大芯片的6端相聯(lián)，電容C20與電阻RIO并聯(lián)在第一運算 放大芯片的6端與7端上，5端接5V電壓為第一運算放大芯片參考電壓，且5V 電壓通過并聯(lián)的電容C12、電阻R14后接地，以減小紋波，運算放大后的放大 信號K經(jīng)電容C13后連接到濾波電路中，即7端連接在第一級低通濾波電路上； 第一級低通濾波電路由電阻R15、電阻R22、電容C23和電容C25構(gòu)成，5V 電壓與電阻R16和電阻R17構(gòu)成抬升信號的直流電壓;放大信號K順次經(jīng)電阻R15、 電容C23、電阻R22、電阻R23流入第二運算放大芯片的3端；第二運算放大芯片的2端與3端之間接有電容C26, 2端與1端聯(lián)接，3端經(jīng) 電容C27接地，8端接5V電壓為第二運算放大芯片供電，且5V電壓通過并聯(lián)的電 容C14、電容C18后接地，以減小紋波，4端接地，l端輸出的去除高頻噪聲信號^流入第一級高通濾波電路中，即第二運算放大芯片的1端與第一級高通濾波電路的 電阻R25連接；第一級高通濾波電路由電阻R25、電阻R28、電容C41和電容C43構(gòu)成，5V 電壓與電阻R18和電阻R19構(gòu)成抬升信號的直流電壓；去除高頻噪聲信號^順次經(jīng)電容C41、電容C43、電容C46流入到第二運算放大芯片的5端。6端與5端之間 通過電阻R31、電容C46連接，6端與7端相連，7端輸出的去除低頻噪聲信號F;經(jīng)電容C24流入音頻放大電路；音頻放大電路由音頻放大芯片NE5532及其外圍電路構(gòu)成，去除低頻噪聲信號 ^順次經(jīng)電容C24、電阻R32、電容C47、電容C48流入音頻放大芯片的3端，電阻R32、電容C47、可調(diào)電阻RP1構(gòu)成分壓電路；音頻放大芯片的8的端接5V供電，電容C49與電容C50并聯(lián)，起到紋波作用， 且8端經(jīng)電阻R34、電阻R34接地；3端經(jīng)電阻R20、電阻R34接地，2端經(jīng)電 阻R27、電容C52接地，且2端經(jīng)電阻R51、電短R221、電阻R48接地，電容 C53與電阻R221并聯(lián)，經(jīng)音頻放大后的信號^從7端輸出；音頻放大信號^經(jīng)電 容C51與外部接口 J4相接，實現(xiàn)音頻放大信號^的輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對聲音探測的光纖聲傳感器，該光纖聲傳感器包括有光源(3)、敏感單元(1)、光源(3)、光電探測器(4)、信號處理電路(5)組成；光源(3)發(fā)出的光信號耦合進(jìn)發(fā)射光纖(1A)中，通過發(fā)射光纖投射在反射振動膜片(2)上。反射振動膜片(2)敏感待測的振動信號，通過膜片(2)的振動對投射到其上的光信號進(jìn)行強度調(diào)制，經(jīng)膜片(2)反射后的光信號由接收光纖(1B)接收，并傳導(dǎo)到后續(xù)的光電探測器(4)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)信號處理電路(5)處理后還原成聲音信號。在敏感單元中，利用反射振動膜片敏感待測聲音信號，并對反射光信號的強度進(jìn)行調(diào)制，通過光電探測器再將調(diào)制后的光強信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)聲—光—電的轉(zhuǎn)換。
文檔編號G01H9/00GK101504312SQ20091008021
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者伊小素, 東 姚, 常君磊, 瑞 李, 許秉時, 博 魏 申請人:北京航空航天大學(xué)