[发明专利]双FP腔光纤声传感探头及其传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及声传感器技术领域，尤其涉及一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统。

背景技术

近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感技术也获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声波传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等，这些光纤传感器采用的原理也多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、M-Z干涉仪式、Signac干涉仪式、以及FP腔光纤传声器。由于光纤传感器采用光纤传感技术，因而具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，适合于复杂电磁环境和微弱信号的情况。

在各种原理的光纤声传感器中，FP腔光纤声传感器因其结构简单、灵敏度高、解调方法简单而被广泛研究，形成了各种结构的FP腔光纤声传感器。如参考文献1(Sensors and Actuators A,2010,163:42-47)报道了一种探头大小为光纤直径的FP腔传声器，其探头为一段空心光纤与单模光纤端头熔接在一起，然后直接将振膜贴在空心光纤的端头而形成；参考文献2(Opt.Express,2009,17:16613-16618)报道了一种利用MEMS技术制作出V形槽，并利用光纤45°的斜端面与硅片构成FP腔制作的传声器。这些FP腔光纤传感器都存在性能不稳定的问题，究其原因是外界影响导致FP腔的腔长发生变化，使工作点发生了漂移。这是FP腔声传感器的一个致命缺点。

为了提高FP腔光纤声传感器的稳定性，参考文献3(Optics&Laser Technology,2013,51:43-46)报道了采用可调谐激光器和反馈电路，通过改变波长对腔长变化进行补偿的方法，这种方法成本高、技术复杂，不利于实际的应用。

此外，参考文献4(Optics and Laser Technology,2008,40:874-880)报道了采用双波长获得两路正交信号的方法来提高传感器稳定性，该方法利用从ASE宽谱光源发出的光，经过1×2耦合器进入FP腔传感头，由传感头返回的光信号送入一个WDM，将两个正交波长的信号分开，并分别进行探测，获得两路正交信号，最后利用正交信号解调原理解调出被测的动态信号。然而双波长方法存在几个问题：1)需要宽谱光源或双LD光源以及波分复用器，导致系统成本高，2)由干涉光相位可知，相位与波长λ成反比，因此对于不同腔长，两个正交波长的波长差是不同的，因此对于较大的腔长变化，将会导致信号不再正交，测量误差变大，甚至失效，3)由于相位与波长成反比，对于设计的正交波长要求有确定的腔长，这没有降低制作光纤FP腔敏感头的难度，在工艺上没有优势。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种双FP腔光纤声传感探头及其传感系统，以用较低的成本消除FP腔光纤声传感器工作点漂移的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种双FP腔光纤声传感探头。该双FP腔光纤声传感探头包括：外壳，其内部形成一作用腔；敏感声波信号的振膜1，蒙于所述作用腔的上部；第一导光单元2和第二导光单元3，其前端伸入所述作用腔内；其中，所述第一导光单元的上端面201与所述振膜的反光面101形成第一FP腔，所述第二导光单元的上端面301与所述振膜的反光面101形成第二FP腔，第一FP腔的长度与第二FP腔的长度差为八分之一工作光波长的奇数倍，保证两个FP腔干涉信号正交。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种包括上述双FP腔光纤声传感探头的双FP腔光纤声传感系统。该双FP腔光纤声传感系统还包括：光源7；分光元件8，连接于所述光源8的后端；第一导光结构9a和第二导光结构9b；第一光电探测器10a和第二光电探测器10b；以及信号处理电路11。其中，光源7发出单色光，所述分光元件8将该单色光分为两路；第一路单色光由第一导光结构9a的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感探头中第一导光单元的后端，且经由第一FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第一光电探测器10a进行光电转换；第二路单色光由第二导光结构9b的端口I进入，通过端口II进入所述双FP腔光纤声传感探头中第二导光单元的后端，且经由第二FP腔对声波进行敏感后由端口II进入，通过端口III射入第二光电探测器10b进行光电转换；所述信号处理电路11对第一光电探测器10a和第二光电探测器10b输出的信号进行处理，解调出声波信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明双FP腔光纤声传感探头及其传感系统具有以下有益效果：