[发明专利]一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器

说明书

一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤，单模光纤的端头外包裹有内径为微米级别的支撑毛细管，单模光纤的端头和光纤端面微球连接；单模光纤端面和光纤端面微球分界面形成第一分界面，光纤端面微球和环境空气分界面形成第二分界面，第一分界面和第二分界面之间形成Fizeau干涉微腔，被测的声波作用在光纤端面微球上，在弹光效应的作用下导致Fizeau干涉微腔内折射率发生改变，进而使得Fizeau干涉相位改变，当通过给单模光纤注入窄带激光，通过测量Fizeau干涉输出光的光强解析出相位的改变从而反演出被测的声波信息；本发明具有平坦的频响特性，对全方向声波都敏感，具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。

技术领域

本发明涉及光纤声传声器技术领域，尤其涉及一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器。

背景技术

声传感器(麦克风)是一种拾取声波信息检测装置，广泛用于生产生活、设备状态监测、智能制造等各个领域。现有的电学声传感器，抗电磁干扰能力差、测量频带窄、灵敏度低、需要供电、无法满足恶劣电磁环境变电站、富有瓦斯气体煤矿井下、石油开采油井等恶劣环境中对声波的测量需求。光纤声传感器与传统电学传感器相比，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、本质无源等优势，可以在强电磁干扰环境下、煤矿油井等防爆要求较高的场合中应用，且光纤可以直接将信号与通信系统连接，便于将测得的声波信息实时远程传输。

然而，现有的光纤声传感器含有振膜结构，其机理为利用振膜在被测声波的作用下产生振动，通过光学方法测得振膜的振动，进而反演出声波信息。由于受到振膜机械共振的影响，使得含振膜结构的光纤声传感器对共振频率附近的声波响应灵敏度很高，而频率远离共振频率处的响应灵敏度很低，进而导致在宽频带被测声波范围内，频率响应不平坦，难以完成对宽频声波的测量；此外，现有光纤声传感器通常只能敏感垂直于振膜方向传播的声波信息，即仅能测量单一方向的声波，这对声源位置未知声波信号的测量带来了困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，在20Hz～20kHz范围内具有平坦的频响特性，对全方向声波都敏感，可实现对声源位置不确定的声波进行精确测量；具有结构简单、制作成本低廉、易于产业化的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种无振膜结构的宽频带微型光纤微球声传感器，包括单模光纤1，单模光纤1的端头外包裹有内径为微米级别的支撑毛细管3，单模光纤1的端头和光纤端面微球2连接，通过光纤端面微球2接受声波4；单模光纤1端面和光纤端面微球2分界面形成第一分界面5，光纤端面微球2和环境空气分界面形成第二分界面6，第一分界面5和第二分界面6之间形成Fizeau干涉微腔，被测的声波4作用在光纤端面微球2上，在弹光效应的作用下导致Fizeau干涉微腔内折射率发生改变，进而使得Fizeau干涉相位改变，当通过给单模光纤1注入窄带激光，通过测量Fizeau干涉输出光的光强解析出相位的改变从而反演出被测的声波4信息。

所述的光纤端面微球2与单模光纤1端面、支撑毛细管3熔接形成一个整体。

所述的光纤端面微球2为实心结构，由同一种均匀材料构成，在不施加声压的情况下各向同性，仅当有声波4作用在光纤端面微球2上时才会在声压的作用下感应出光轴，呈现各向异性的特征，并产生折射率变化。

所述的光纤端面微球2半径、材料固有折射率引起的初始相位差和Guoy相移引起的相位差之和应接近π/2。

所述的光纤微球声传感器通过单模光纤1注入输入光7并通过同一单模光纤1接收光纤微球声传感器的输出光8。

给单模光纤1注入输入光7的窄带激光波长3dB，带宽应小于1nm，窄带激光波长应同时满足能在单模光纤1材料和光纤端面微球2材料中低损耗传输。