[发明专利]光纤声压传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测声压信号的传感器，特别涉及一种基于光纤技术 检测声压信号的传感器。

背景技术

现有的声压传感器主要是基于电学原理设计制作而成的，例如压电陶瓷和 压电聚合物声压传感器，将声压信号转换为电压信号，通过电子学手段测得电 压大小，由此实现声压信号测量。其缺点是，易受电磁干扰，灵敏度比较低。 特别是，电子学器件一般需要本地仪器，不适合于在水下部署阵列水听器以及 遥感应用。

光纤传感器技术可弥补传统电子式声学传感器的上述不足。相对于传统的 电类传感器，光纤传感器具有以下优点：灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、 易于组网等，在众多领域已经取代传统的电类传感器，具有更广泛的应用前景。

在光纤声压传感器开发方面，已经进行了多种尝试。例如，文献“Overview  of High performance Fiber-Optic Sensing”(参见C.K.Kirkendall and A.Dandridge， J.Phys.D：Appl.Phys.37，R197-R216，2004.)描述了基于光纤干涉仪结构的光纤 水听器。这类基于光纤干涉仪的声学传感器一般具有较高的灵敏度，但是其复 用能力差，需要非常复杂的技术才能够实现传感器组网，阵列部署时成本十分 昂贵。

再如，文献“Characteristics of fiber Bragg grating hydrophone”(参见N. Takahashi et al.，IEICE Trans.Electron.，E83-C，275-281，2000.)描述了基于光纤光 栅的水听器，中国发明专利申请“声压传感器”(公开号CN101065652A，公开 日2007/10/31)描述了一种基于光纤激光器的水听器。这两类传感器分别将声压 转换为光纤光栅或光纤激光器的工作波长的变化，通过检测波长变化获知声压 信息。这两类传感器易于复用，但是由于只有当声压信号比较大时才能够引起 波长的变化，因此灵敏度比较低，而且需要波长解调，解调设备昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种解调成本低廉、 易于组网的光纤声压传感器。本发明利用正交偏振双频光纤激光器作为传感单 元，正交偏振双频光纤激光器在无线电射频域产生一个拍频信号，它将声压信 号转换为此拍频信号频率的变化，通过检测拍频信号频率来实现对声压的测量， 灵敏度高、解调简单、易于复用。

本发明的目的可以通过下述技术方案实现：光纤声压传感器，包括光纤激 光器，还包括设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光器施加侧 向作用力的施力构件，以及设置在光纤激光器侧面且与施力构件相对的支承构 件；所述施力构件上设有第一硬体单元，所述施力构件通过第一硬体单元向光 纤激光器施加侧向作用力；所述支承构件上设有第二硬体单元，所述支承构件 通过第二硬体单元支承光纤激光器；所述第一硬体单元、第二硬体单元具有光 滑平整的表面；所述第一硬体单元、第二硬体单元与光纤激光器线接触；所述 光纤激光器为正交偏振双频光纤激光器；所述光纤激光器的两个偏振模式在无 线电射频域产生一个拍频信号，将声压信号转化为此拍频信号的频率的变化， 通过检测拍频信号实现对声压的测量。

所述光纤激光器为分布布拉格反射光纤激光器或者为分布反馈光纤激光 器。

所述第一硬体单元、第二硬体单元为硅片，或者为直接在施力构件或支承 构件上所沉积的硅材料。

所述施力构件为与支承构件一起装配在圆筒状结构中的活塞，圆筒状结构 上设有位于同一直径的开孔，光纤激光器从所述开孔中引出；所述施力构件为 弹性膜片，弹性膜片的边缘固定在支承构件上。

本发明的目的还可以通过下述技术方案实现：光纤声压传感器，包括光纤 激光器，还包括相向地设置在光纤激光器侧面且在声压信号作用下向光纤激光 器施加相向的侧向作用力的第一施力构件、第二施力构件；所述第一施力构件、 第二施力构件上分别设有第一硬体单元、第二硬体单元，第一施力构件、第二 施力构件分别通过第一硬体单元、第二硬体单元向光纤激光器施加相向的侧向 作用力；所述第一硬体单元、第二硬体单元具有光滑平整的表面；所述光纤激 光器为正交偏振双频光纤激光器；所述光纤激光器的两个偏振模式在无线电射 频域产生一个拍频信号，将声压信号转化为此拍频信号的频率的变化，通过检 测拍频信号实现对声压的测量。