專利名稱：半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于次聲波檢測領(lǐng)域，尤其是涉及一種采用激光自混合干涉測量振膜振動檢測次聲波的次聲波檢測裝置及檢測方法。
背景技術(shù)：
次聲是頻率低于20Hz的聲音，人耳無法聽見。大自然的許多活動，如火山爆發(fā)、地震、臺風(fēng)、火箭發(fā)射、海浪拍擊、車輪行駛等都有次聲的產(chǎn)生。目前，檢測次聲波的檢測裝置一般是電容式次聲傳感器、光纖式次聲傳感器、雙光束干涉式次聲傳感器。然而，上述檢測裝置均有其不足之處。其中，對于電容式次聲傳感器而言，其不足之處是要求結(jié)構(gòu)精細(xì)，設(shè)計嚴(yán)密，選材嚴(yán)格，特別是加工精度要非常高，其主要零件都要求 超精加工。對環(huán)境溫度變化比較敏感。需要做好絕緣，同時還要保證超高的潔凈度。而且這類電參量傳感器抗電磁干擾能力比較差，使其在應(yīng)用上受到很大的限制，如僅限于地震監(jiān)測，市場價格高；對于光纖式次聲傳感器而言，其不足之處是對技術(shù)要求較高，性價比低；而對于雙光束干涉式次聲傳感器而言，其不足之處是需要較多的輔助光學(xué)元件，如分光計、偏振片、參考反射鏡等，而且光路需要嚴(yán)格地準(zhǔn)直，較難調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種采用激光自混合干涉測量振膜振動檢測次聲波的次聲波檢測裝置及檢測方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，包括有光學(xué)系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)，其中，光學(xué)系統(tǒng)包括有內(nèi)部封裝有光電探測器的半導(dǎo)體激光器、激光器調(diào)整架、準(zhǔn)直透鏡和靈敏反光膜片；電學(xué)系統(tǒng)包括依次連接的激光器驅(qū)動電路、信號預(yù)處理電路、聲卡、數(shù)據(jù)處理單元和輸出終端；激光器驅(qū)動電路產(chǎn)生恒流驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄?，該平行光?jīng)會聚透鏡會聚到靈敏反光膜片上，通過調(diào)節(jié)激光器調(diào)整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔內(nèi)，反饋光攜帶靈敏反光膜片的振動信息，與激光腔內(nèi)的光相混合后，發(fā)生自混合干涉現(xiàn)象，引起激光器輸出光強(qiáng)的變化，光強(qiáng)由封裝在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電探測器檢測出且轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流信號，經(jīng)過信號預(yù)處理電路首先轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)前置放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，該信號由計算機(jī)聲卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由輸出終端輸出次聲波的測量結(jié)果。本發(fā)明另一技術(shù)方案為，提供一種半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測方法，包括以下步驟I)次聲波作用于靈敏反光膜片上，膜片隨著聲壓的變化而產(chǎn)生位移，引起激光器外腔長度發(fā)生微小變化；2)恒流源電路驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光照射到靈敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔內(nèi)，形成自混合干涉；
3 )將封裝在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電探測器檢測到的光強(qiáng)變化處理成電壓信號，并進(jìn)行放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元；4)數(shù)據(jù)處理單元處理得到自混合干涉信號的波動條紋，解調(diào)出所述靈敏反光膜的振動位移幅度與振動頻率，計算獲得次聲波的強(qiáng)度值與頻率值；5)最后通過輸出終端顯示次聲波的測量結(jié)果。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的次聲波檢測裝置利用激光自混合干涉測量振膜振動檢測次聲波，提供了一種檢測次聲波的新的方法，不需要傳統(tǒng)激光干涉儀的分光計和參考鏡等輔助光學(xué)元件，光電探測器封裝在激光器內(nèi)部使得整體結(jié)構(gòu)緊湊簡單，對器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作簡單。


圖I是本發(fā)明創(chuàng)作的光路原理及總體結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2是本發(fā)明創(chuàng)作的數(shù)據(jù)處理單元框圖。
具體實施例方式為了使本創(chuàng)作的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本創(chuàng)作進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參照圖I所示，本發(fā)明半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置包括有光學(xué)系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)。其中，光學(xué)系統(tǒng)包括有內(nèi)部封裝有光電探測器的半導(dǎo)體激光器、激光器調(diào)整架、準(zhǔn)直透鏡和靈敏反光膜片；所述半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡和會聚透鏡安裝在激光器調(diào)整架上；電學(xué)系統(tǒng)包括依次連接的激光器驅(qū)動電路8、信號預(yù)處理電路9、聲卡10、數(shù)據(jù)處理單元11和輸出終端12。所述激光器驅(qū)動電路8為恒流源電路，用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流。工作時輸出恒定電流為26mA。所述的信號預(yù)處理電路9，包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和前置放大電路，工作時，將光電探測器得到的自混合干涉信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并且將其放大100倍，得到的電壓信號經(jīng)過聲卡10，進(jìn)行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元11處理后得到靈敏反光膜片的振動信號。振動信號的幅度和頻率最終經(jīng)過計算得到次聲波的強(qiáng)度與頻率輸出到輸出終端12顯示。所述靈敏反光膜片置于次聲波聲場區(qū)域內(nèi)，次聲波使膜片振動，該靈敏反光膜片由反光層、壓敏膜片。半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡3變成平行光，再經(jīng)會聚透鏡4會聚到靈敏反光膜片5表面，通過調(diào)節(jié)激光器調(diào)整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔內(nèi)，與激光腔內(nèi)的光產(chǎn)生自混合；反饋光攜帶靈敏反光膜片的振動信息，與激光腔內(nèi)的光相混合后，發(fā)生自混合干涉現(xiàn)象，引起激光器輸出光強(qiáng)的變化，自混合光強(qiáng)由封裝在激光器內(nèi)部的光電探測器檢測出且轉(zhuǎn)換為電壓信號，得到攜帶次聲波信息的自混合干涉信號，由聲卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由數(shù)據(jù)處理單元處理，并由輸出終端輸出測量結(jié)果。在本發(fā)明實施例中，半導(dǎo)體激光器I選用韓國QSI公司QL65D5SA (波長650nm，功率5mW)型號激光器，光電探測器2采用集成于半導(dǎo)體激光器內(nèi)的光電二極管。采用靈敏反光膜片3作為外部物體，目的是為了控制返回光的光強(qiáng)，使得反射光為適度光反饋。半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡和會聚透鏡安裝在準(zhǔn)直管6中。在調(diào)試裝置時，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的閾值電流和功率等參數(shù)調(diào)節(jié)驅(qū)動電流在閾值電流的1.1倍，使半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光。當(dāng)激光器出光后調(diào)節(jié)光路，使得光會聚在靈敏反光膜片的表面，接著調(diào)節(jié)激光器調(diào)整架7使部分光被反射回腔內(nèi)，以保證能發(fā)生自混合干涉，且為適度光反饋。應(yīng)用時，本發(fā)明半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測方法包括如下步驟(I)次聲波作用于靈敏反光膜片上，膜片隨著聲壓的變化而產(chǎn)生位移，引起激光器外腔長度發(fā)生微小變化；(2)恒流源電路驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光照射到靈敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔內(nèi)，形成自混合干涉；( 3)將封裝在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電探測器檢測到的光強(qiáng)變化處理成電壓信號，并進(jìn)行放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元；(4)數(shù)據(jù)處理單元處理得到自混合干涉信號的波動條紋，解調(diào)出所述靈敏反光膜 的振動位移幅度與振動頻率，計算獲得次聲波的強(qiáng)度值與頻率值；(5)最后通過輸出終端顯示次聲波的測量結(jié)果；參照圖2所示，其為數(shù)據(jù)處理單元11的處理信號流程，首先設(shè)置計算機(jī)聲卡采樣頻率為44kHz，每次4096個采樣點，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)采集結(jié)束后，開始進(jìn)行平滑濾波處理，去除突變的噪聲。然后，把處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，取一定閾值檢測出每個跳變點，最后，把檢測出來的跳變數(shù)進(jìn)行求累加，解調(diào)出振動波形，得到振動信息。在本發(fā)明實施例中，激光自混合干涉是指在激光應(yīng)用系統(tǒng)中，激光器輸出的光被外部物體反射或散射后，其中一部分光又反饋回激光器的諧振腔，反饋光攜帶外部物體的振動信息，與激光腔內(nèi)的光相混合后，發(fā)生干涉現(xiàn)象，因輸出的光信號與傳統(tǒng)的雙光束干涉有相似之處，因此被稱之為自混合干涉。采用橫流源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，有光反饋下的半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)隨外部腔長變化，稱為激光自混合干涉信號。激光自混合干涉信號一個波動條紋對應(yīng)外部物體移動半個波長時，通過記錄波動的周期數(shù)，可以測量位移。當(dāng)光反饋水平為一定量時，干涉條紋為傾斜的正弦波形，傾斜的方向與位移方向相對應(yīng)，由于干涉信號包含位移的方向信息，由此可以通過對干涉條紋的累加處理，再乘以固定系數(shù)就可以解調(diào)出外部物體的振動波形，從而得到其振動幅度與頻率。本發(fā)明實施例利用激光自混合干涉測量振膜振動檢測次聲波，不需要傳統(tǒng)激光干涉儀的分光計和參考鏡等輔助光學(xué)元件，光電探測器封裝在激光器內(nèi)部使得整體結(jié)構(gòu)緊湊簡單，對器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作簡單。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，包括有光學(xué)系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)系統(tǒng)包括有內(nèi)部封裝有光電探測器的半導(dǎo)體激光器、激光器調(diào)整架、準(zhǔn)直透鏡和靈敏反光膜片；電學(xué)系統(tǒng)包括依次連接的激光器驅(qū)動電路、信號預(yù)處理電路、聲卡、數(shù)據(jù)處理單元和輸出終端；激光器驅(qū)動電路產(chǎn)生恒流驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄猓撈叫泄饨?jīng)會聚透鏡會聚到靈敏反光膜片上，通過調(diào)節(jié)激光器調(diào)整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔內(nèi)，反饋光攜帶靈敏反光膜片的振動信息，與激光腔內(nèi)的光相混合后，發(fā)生自混合干涉現(xiàn)象，引起激光器輸出光強(qiáng)的變化，光強(qiáng)由封裝在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電探測器檢測出且轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流信號，經(jīng)過信號預(yù)處理電路首先轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)前置放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，該信號由計算機(jī)聲卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由輸出終端輸出次聲波的測量結(jié)果。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡和會聚透鏡安裝在激光器調(diào)整架上；所述靈敏反光膜片包括有反光層、壓敏膜片。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，其特征在于所述激光器驅(qū)動電路為恒流源電路，用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流；所述的信號預(yù)處理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和前置放大電路。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，其特征在于所述靈敏反光膜片置于次聲波聲場區(qū)域內(nèi)，次聲波使膜片振動，從而引起所述靈敏反光膜片相對于所述半導(dǎo)體激光器有微小振動，使所述半導(dǎo)體激光器前端面到所述靈敏反光膜片表面的距離發(fā)生微小變化，進(jìn)而使所述激光器輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。
5.一種半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 .1)次聲波作用于靈敏反光膜片上，膜片隨著聲壓的變化而產(chǎn)生位移，引起激光器外腔長度發(fā)生微小變化； .2)恒流源電路驅(qū)動半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光照射到靈敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔內(nèi)，形成自混合干涉； .3 )將封裝在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電探測器檢測到的光強(qiáng)變化處理成電壓信號，并進(jìn)行放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元； . 4)數(shù)據(jù)處理單元處理得到自混合干涉信號的波動條紋，解調(diào)出所述靈敏反光膜的振動位移幅度與振動頻率，計算獲得次聲波的強(qiáng)度值與頻率值； .5)最后通過輸出終端顯示次聲波的測量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開一種半導(dǎo)體激光自混合次聲波檢測裝置，包括內(nèi)部封裝光電探測器的半導(dǎo)體激光器、激光器調(diào)整架、準(zhǔn)直透鏡、會聚透鏡和靈敏反光膜片、激光器驅(qū)動電路、信號預(yù)處理電路、聲卡、數(shù)據(jù)處理單元和輸出終端；靈敏反光膜片置于次聲波聲場區(qū)域內(nèi)，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄猓?jīng)會聚透鏡會聚到振膜表面，調(diào)節(jié)激光器調(diào)整架使部分光被振膜表面反射回激光腔內(nèi)，與激光腔內(nèi)的光產(chǎn)生自混合；自混合光強(qiáng)由光電探測器檢測出且轉(zhuǎn)換為電壓信號，由聲卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由數(shù)據(jù)處理單元處理輸出測量結(jié)果。其不需要傳統(tǒng)激光干涉儀的分光計和參考鏡等輔助光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，對器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作簡單。
文檔編號G01H9/00GK102721461SQ20121021024
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者孫曉剛, 李成偉, 黃貞 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)