專利名稱：光纖聲壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測聲壓信號的傳感器，特別涉及一種基于光纖技術(shù) 檢測聲壓信號的傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的聲壓傳感器主要是基于電學(xué)原理設(shè)計制作而成的，例如壓電陶瓷和 壓電聚合物聲壓傳感器，將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電子學(xué)手段測得電 壓大小，由此實現(xiàn)聲壓信號測量。其缺點(diǎn)是，易受電磁干擾，靈敏度比較低。 特別是，電子學(xué)器件一般需要本地儀器，不適合于在水下部署陣列水聽器以及 遙感應(yīng)用。
光纖傳感器技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子式聲學(xué)傳感器的上述不足。相對于傳統(tǒng)的 電類傳感器，光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)靈敏度高、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)小巧、 易于組網(wǎng)等，在眾多領(lǐng)域已經(jīng)取代傳統(tǒng)的電類傳感器，具有更廣泛的應(yīng)用前景。
在光纖聲壓傳感器開發(fā)方面，已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試。例如，文獻(xiàn)"Overview of High performance Fiber-Optic Sensing"(參見C. K. Kirkendall and A. Dandridge， J. Phys. D: Appl. Phys. 37, R197-R216, 2004.)描述了基于光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖 水聽器。這類基于光纖干涉儀的聲學(xué)傳感器一般具有較高的靈敏度，但是其復(fù)
用能力差，需要非常復(fù)雜的技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器組網(wǎng)，陣列部署時成本十分
曰蟲 卬貝c
再如，文獻(xiàn)"Characteristics of fiber Bragg grating hydrophone"(參見N. Takahashi et al., IEICE Trans. Electron., E83-C, 275-281, 2000.)描述了基于光纖光 柵的水聽器，中國發(fā)明專利申請"聲壓傳感器"(公開號CN101065652A，公開 日2007/10/31)描述了一種基于光纖激光器的水聽器。這兩類傳感器分別將聲壓 轉(zhuǎn)換為光纖光柵或光纖激光器的工作波長的變化，通過檢測波長變化獲知聲壓 信息。這兩類傳感器易于復(fù)用，但是由于只有當(dāng)聲壓信號比較大時才能夠引起 波長的變化，因此靈敏度比較低，而且需要波長解調(diào)，解調(diào)設(shè)備昂貴
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種解調(diào)成本低廉、 易于組網(wǎng)的光纖聲壓傳感器。本發(fā)明利用正交偏振雙頻光纖激光器作為傳感單 元，正交偏振雙頻光纖激光器在無線電射頻域產(chǎn)生一個拍頻信號，它將聲壓信 號轉(zhuǎn)換為此拍頻信號頻率的變化，通過檢測拍頻信號頻率來實現(xiàn)對聲壓的測量， 靈敏度高、解調(diào)簡單、易于復(fù)用。
本發(fā)明的目的可以通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)光纖聲壓傳感器，包括光纖激 光器，還包括設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且在聲壓信號作用下向光纖激光器施加側(cè) 向作用力的施力構(gòu)件，以及設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且與施力構(gòu)件相對的支承構(gòu) 件；所述光纖激光器為正交偏振雙頻光纖激光器。
所述施力構(gòu)件上設(shè)有第一硬體單元，所述施力構(gòu)件通過第一硬體單元向光 纖激光器施加側(cè)向作用力；所述支承構(gòu)件上設(shè)有第二硬體單元，所述支承構(gòu)件 通過第二硬體單元支承光纖激光器。
所述光纖激光器為分布布拉格反射光纖激光器或者為分布反饋光纖激光器。
所述第一硬體單元、第二硬體單元為硅片，或者為直接在施力構(gòu)件或支承 構(gòu)件上所沉積的硅材料。
所述第一硬體單元、第二硬體單元與光纖激光器線接觸。
所述施力構(gòu)件為與支承構(gòu)件一起裝配在圓筒狀結(jié)構(gòu)中的活塞，圓筒狀結(jié)構(gòu) 上設(shè)有開孔，光纖激光器從所述開孔中引出；所述施力構(gòu)件或者為彈性膜片， 彈性膜片的邊緣固定在支承構(gòu)件上。
本發(fā)明的目的還可以通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)光纖聲壓傳感器，包括光纖
激光器，還包括相向地設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且在聲壓信號作用下向光纖激光
器施加相向的側(cè)向作用力的第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件；所述光纖激光器為 正交偏振雙頻光纖激光器。
所述第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件上分別設(shè)有第一硬體單元、第二硬體單 元，第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件分別通過第一硬體單元、第二硬體單元向光 纖激光器施加相向的側(cè)向作用力。
所述第一硬體單元、第二硬體單元為硅片，或者為直接沉積在第一施力構(gòu) 件、第二施力構(gòu)件上的硅材料。
所述第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件均為彈性膜片；第一施力構(gòu)件、第二施 力構(gòu)件的邊緣均直接固定在一框架上，或者分別通過第一柔性構(gòu)件、第二柔性 構(gòu)件固定在一框架上。本發(fā)明的工作原理如下利用正交偏振雙頻光纖激光器作為傳感單元，光 纖激光器的兩個偏振模式在無線電射頻域產(chǎn)生一個拍頻信號，此拍頻信號的頻 率對作用于光纖激光器的側(cè)向壓力極為敏感。彈性膜片或活塞將聲壓信號轉(zhuǎn)化 為作用于光纖激光器的側(cè)向壓力，從而導(dǎo)致拍頻信號的頻率發(fā)生變化。因此， 通過檢測拍頻信號能夠?qū)崿F(xiàn)對聲壓的測量。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果與傳統(tǒng)的電類傳感器相比， 具有不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)；與現(xiàn)有光纖聲壓傳感器相比，將聲壓信號轉(zhuǎn)換為在 無線電頻段的拍頻信號，它具有靈敏度高、解調(diào)簡單、解調(diào)成本低廉、易于復(fù) 用等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的側(cè)視圖3是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖5也是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方 式不限于此。 實施例1
如圖l、 2所示，在本實施例中，光纖激光器1夾在施力構(gòu)件2和支承構(gòu)件 3之間，施力構(gòu)件2設(shè)置在光纖激光器1的側(cè)面從而在聲壓信號作用下向光纖激 光器1施加側(cè)向作用力，從而改變光纖雙折射。光纖激光器1為正交偏振雙頻 激光器，當(dāng)光纖雙折射發(fā)生變化時，光纖激光器的偏振拍頻信號的頻率發(fā)生變 化，故而，光纖激光器的偏振拍頻隨聲壓信號而變化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易想到在具體實施中，施力構(gòu)件2可以采用活塞，
可以將活塞與支承構(gòu)件3 —起裝配在圓筒狀結(jié)構(gòu)中，圓筒狀結(jié)構(gòu)上設(shè)有兩個位 于同一直徑上的幵孔，光纖激光器i從該兩個開孔中引出。施力構(gòu)件2也可以 采用彈性膜片；膜片邊緣可以固定在支承構(gòu)件3上，從而使彈性模片更穩(wěn)固， 不易脫落。本領(lǐng)域技術(shù)人員亦會想到光纖激光器1既可以采用分布布拉格反 射(DBR)結(jié)構(gòu)，也可以采用分布反饋(DFB)結(jié)構(gòu)；增益光纖既可以采用摻鉺光纖，也可以采用Er/Yb共摻光纖。 實施例2
如圖3所示，在本實施例中，在施力構(gòu)件2上裝配有第一硬體單元4，在支 承構(gòu)件3上裝配有第二硬體單元5，且第一硬體單元4的全部或一部分落在第二 硬體單元5的上方；施力構(gòu)件2通過第一硬體單元4向光纖激光器1施加側(cè)向 作用力，支承構(gòu)件3通過第二硬體單元5支承光纖激光器1 。第一硬體單元4、 第二硬體單元5都可以采用硅片等，也都可以是直接在施力構(gòu)件2或支承構(gòu)件3 上所沉積的硅材料。第一硬體單元4、第二硬體單元5具有光滑平整的表面，以 保證光纖激光器1受力均勻，達(dá)到良好的施力效果；另一方面，第一硬體單元4、 第二硬體單元5的尺寸決定了側(cè)向力作用長度，優(yōu)化第一硬體單元、第二硬體 單元的尺寸能夠提高響應(yīng)靈敏度。當(dāng)?shù)谝挥搀w單元4、第二硬體單元5與光纖激 光器1線接觸時，光纖聲壓傳感器的靈敏度最理想。
在本實施例中，光纖激光器1采用分布布拉格反射(DBR)光纖激光器， 高反光柵長度為10mm，低反光柵長度為6mm，兩光柵端到端距離為10mm; 第一硬體單元、第二硬體單元為硅片，其長度為8mm，剛好壓在高反光柵與低 反光柵之間的諧振腔區(qū)域。
實施例3
當(dāng)水聽器部署在移動或拖曳陣列應(yīng)用時，為了避免加速度作用引起測量噪 聲，要求水聽器對加速度不敏感。在本實施例中，為了降低加速度靈敏度，用 第二施力構(gòu)件6替代實施例2中的支承構(gòu)件3，如圖4所示。施力構(gòu)件2作為第 一施力構(gòu)件，與第二施力構(gòu)件6分別設(shè)置在光纖激光器1的兩個相對側(cè)面。在 聲壓信號作用下，施力構(gòu)件2與第二施力構(gòu)件6向光纖激光器1施加相向的側(cè) 向作用力，即施力構(gòu)件2和第二施力構(gòu)件6從相反方向?qū)饫w激光器1施加惻 向作用力。在加速度作用下，二者共同被加速，幾乎不會對光纖激光器1產(chǎn)生 作用力。
本實施例的第一硬體單元4、第二硬體單元5的位置及結(jié)構(gòu)均與實施例2的 相同，在此不贅述。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會想到，在具體實施中，如圖5所示，施力構(gòu)件2和第二 施力構(gòu)件6均可采用彈性膜片。作為施力構(gòu)件2的彈性膜片的邊緣可以直接固 定在框架7上，或者通過第一柔性構(gòu)件8固定在框架7上；同理，作為第二施力構(gòu)件6的彈性膜片的邊緣也可以直接固定在框架7上，或者通過第二柔性構(gòu)件9固定在框架7上?？蚣?可以是一個環(huán)形框架，環(huán)形框架上設(shè)有兩個位于同一直徑上的開孔，光纖激光器1從該兩個開孔中引出；相應(yīng)地，第一柔性構(gòu)件8、第二柔性構(gòu)件9也是環(huán)形的，第一施力構(gòu)件2、第二施力構(gòu)件6是圓形的。
所述光纖激光器1可以去掉涂覆層，然后夾持在施力構(gòu)件2和第二施力構(gòu)件6之間，這樣更有利于靈敏度的提高。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會想到，可以把不同工作波長和不同拍頻的多個正交偏振雙頻光纖激光器串接在一根光纖里，實現(xiàn)傳感器復(fù)用。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光纖聲壓傳感器，包括光纖激光器，其特征在于還包括設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且在聲壓信號作用下向光纖激光器施加側(cè)向作用力的施力構(gòu)件，以及設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且與施力構(gòu)件相對的支承構(gòu)件；所述光纖激光器為正交偏振雙頻光纖激光器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述施力構(gòu)件上設(shè) 有第一硬體單元，所述施力構(gòu)件通過第一硬體單元向光纖激光器施加側(cè)向作用 力；所述支承構(gòu)件上設(shè)有第二硬體單元，所述支承構(gòu)件通過第二硬體單元支承 光纖激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述光纖激光器為 分布布拉格反射光纖激光器或者為分布反饋光纖激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述第一硬體單元、第二硬體單元為硅片，或者為直接在施力構(gòu)件或支承構(gòu)件上所沉積的硅材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述第一硬體單元、第二硬體單元與光纖激光器線接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-5中任一項所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述施 力構(gòu)件為與支承構(gòu)件一起裝配在圓筒狀結(jié)構(gòu)中的活塞，圓筒狀結(jié)構(gòu)上設(shè)有開孔， 光纖激光器從所述開孔中引出；所述施力構(gòu)件或者為彈性膜片，彈性膜片的邊緣固定在支承構(gòu)件上。
7. 光纖聲壓傳感器，包括光纖激光器，其特征在于還包括相向地設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且在聲壓信號作用下向光纖激光器施加相向的側(cè)向作用力的第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件；所述光纖激光器為正交偏振雙頻光纖激光器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件上分別設(shè)有第一硬體單元、第二硬體單元，第一施力構(gòu)件、 第二施力構(gòu)件分別通過第一硬體單元、第二硬體單元向光纖激光器施加相向的 側(cè)向作用力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述第一硬體單元、第二硬體單元為硅片，或者為直接沉積在第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件上 的硅材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項所述的光纖聲壓傳感器，其特征在于所述 第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件均為彈性膜片；第一施力構(gòu)件、第二施力構(gòu)件的邊緣均直接固定在一框架上，或者分別通過第一柔性構(gòu)件、第二柔性構(gòu)件固定 在一框架上。
全文摘要
本發(fā)明公開了光纖聲壓傳感器，包括正交偏振雙頻光纖激光器，設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且在聲壓信號作用下向光纖激光器施加側(cè)向作用力的施力構(gòu)件，以及設(shè)置在光纖激光器側(cè)面且與施力構(gòu)件相對的支承構(gòu)件。本發(fā)明利用正交偏振雙頻光纖激光器作為傳感單元，正交偏振雙頻光纖激光器在無線電射頻域產(chǎn)生一個拍頻信號，將聲壓信號轉(zhuǎn)換為此拍頻信號頻率的變化，通過檢測拍頻信號頻率來實現(xiàn)對聲壓的測量，靈敏度高、解調(diào)簡單、易于復(fù)用。
文檔編號G01H9/00GK101660939SQ20091019272
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 譚彥楠 申請人:暨南大學(xué)