一种传感光纤、传感单元及光纤干涉型声波传感系统的制作方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是指一种传感光纤、传感单元及光纤干涉型声波传感系统。


背景技术：

2.根据信号调制原理，光纤传感器可分为三种类型：强度型、相位型和波长型。其采集声音信号的具体原理为：当外部环境产生声音信号时，声波的振动会改变传感单元的光学特征信息。经过光电转换，音频处理系统可以还原声音信号。
3.声波作为一种能量，在传输过程中会通过不同的介质产生不同的损耗。在应力的作用下，即在外界声压的作用下，高分子材料会发生粘弹性变形行为，分子链之间会发生相对扭转和滑移，但应变的变化滞后于应力的变化，导致滞后现象。在应力变化期间，分子链段之间的滑移和扭转不能完全恢复，产生永久变形并消耗能量。同时，部分不能返回的功以热能的形式损失掉。这就是高分子材料的阻尼机制。
4.目前，国内外对光纤声学传感器的研究大多集中在水声、超声波等检测方面，而对空气中语音信号检测的研究较少。现有的光纤声学传感器灵敏度和传感范围有限，效果不佳。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的问题提供一种传感光纤、传感单元及光纤干涉型声波传感系统，利用聚氨酯发泡胶对光纤声波传感系统中的传感光纤进行增敏，可以实现光纤声波传感系统灵敏度的提升，可以使得光纤麦克风提高了对人声信号的敏感度，提高了声波传感系统对中低频声波信号的探测灵敏度，使整体灵敏度曲线更加平滑，提高了声波探测的信噪比。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种传感光纤，包括光纤本体，所述光纤本体的外周涂覆有吸音层。
8.其中，所述吸音层为聚氨酯发泡胶层。
9.其中，所述吸音层的厚度为1～2cm。
10.其中，所述光纤本体为尼龙护套紧包光纤。
11.本发明还提供了一种传感单元，包括信号臂传感光纤、参考臂传感光纤和圆盘模块，所述信号臂传感光纤包括信号臂光纤线圈和包覆在所述信号臂光纤线圈外周的信号臂光纤吸音层，所述信号臂光纤线圈由所述的传感光纤卷绕形成；所述圆盘模块包括上层模块和下层模块，所述上层模块用于封装所述信号臂传感光纤，所述下层模块用于封装所述参考臂传感光纤。
12.其中，所述信号臂光纤线圈的长度为20m。
13.其中，所述参考臂传感光纤为裸光纤，所述参考臂传感光纤的长度为20m。
14.其中，所述上层模块设置有多个通孔，所述下层模块为密封结构。
15.本发明还提供了一种基于迈克尔逊干涉的光纤干涉型声波传感系统，包括光源模块、迈克尔逊干涉仪模块、光探测器模块、数据采集模块以及数据处理模块，所述光源模块和所述光探测器模块分别与所述迈克尔逊干涉仪模块连接，所述数据采集模块与所述光探测器模块连接，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接；
16.所述迈克尔逊干涉仪模块包括耦合器、均设置在第一光路上的第一传感光纤和第一法拉第旋转镜以及均设置在第二光路上的第二传感光纤和第二法拉第旋转镜；所述耦合器用于将光波等比例地分成两束并分别传输到第一光路和第二光路，并接收反射回的光束从而生成干涉信号；
17.所述第一传感光纤和所述第二传感光纤均用于声音传感；所述第一传感光纤为所述的信号臂传感光纤，第二传感光纤为所述的参考臂传感光纤；
18.所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜均用于反射光束。
19.其中，所述数据处理模块设置有声音信号处理模块以及声音播放模块。
20.其中，所述光探测器模块包括第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器和所述第二光探测器分别用于采集耦合器生成的干涉信号。
21.本发明的有益效果：
22.本发明利用聚氨酯发泡胶对光纤声波传感系统中的传感光纤进行增敏，可以实现光纤声波传感系统灵敏度的提升，可以使得光纤麦克风提高了对人声信号的敏感度，提高了声波传感系统对中低频声波信号的探测灵敏度，使整体灵敏度曲线更加平滑，提高了声波探测的信噪比。
附图说明
23.图1为实施例1的一种传感光纤的结构示意图。
24.图2为实施例2的一种传感单元结构示意图。
25.图3为实施例2应用于光纤麦克风的原理框图。
26.图4为实施例3的一种基于迈克尔逊干涉的光纤干涉型声波传感系统的原理框图。
27.图5为实施例中的增敏处理后迈克尔逊光纤干涉型声波传感系统与未进行增敏处理的迈克尔逊光纤干涉型声波传感系统灵敏度对比图。
28.在图1至图5中的附图标记包括：
29.1、光纤本体；2、吸音层；
30.110、信号臂传感光纤；111、信号臂光纤线圈；112、信号臂光纤吸音层；120、参考臂传感光纤；130、圆盘模块；131、上层模块；132、下层模块；
31.210、光源模块；220、迈克尔逊干涉仪模块；230、光探测器模块；
32.240、数据采集模块；250、数据处理模块；
33.221、耦合器；222、第一传感光纤；224、第一法拉第旋转镜；223、第二传感光纤；225、第二法拉第旋转镜。
具体实施方式
34.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
35.实施例1
36.本实施例1提供了一种传感光纤，如图1所示，包括光纤本体1，所述光纤本体1的外周涂覆有吸音层2。优选地，所述吸音层2为聚氨酯发泡胶层。具体地，在上述设置下，使得外界声波对光纤本体1产生的扰动，经由聚氨酯发泡胶放大这种扰动信号，达到增敏效果以提高光纤麦克风的灵敏度及传感范围。
37.其中，该传感光纤使用所述聚氨酯发泡胶进行涂覆，可采用对光纤本体1每一处均匀涂覆的方式；也可采用将光纤本体1盘绕成多层，将表层涂覆聚氨酯发泡胶的方式；也可采用将光纤本体1浸泡在尚未固化的液体聚氨酯发泡胶中的方式进行增敏。以上方式都可实现增敏效果，其中第一种处理方式对光纤麦克风的增敏作用最明显。
38.当然，所述吸引层亦可以为麻绒吸音层2、石油纤维棉吸音层2、矿棉吸音层2等。
39.本实施例中，所述吸音层2的厚度为1～2cm，优选为1.5cm。其中，声音探测灵敏度与信号臂涂覆聚氨酯发泡胶的厚度相关。在经过多次实验证明后，得出的较佳实施例中，涂覆聚氨酯发泡胶的厚度为1.5cm时声波传感系统的灵敏度最高，为最佳涂覆厚度。
40.本实施例中，优选地，所述光纤本体1为尼龙护套紧包光纤，在该设置下，可制备成更高灵敏度的光纤麦克风。
41.实施例2
42.本实施例2还提供了一种传感单元，如图2所示，包括信号臂传感光纤110、参考臂传感光纤120和圆盘模块130，所述信号臂传感光纤110包括信号臂光纤线圈111和包覆在所述信号臂光纤线圈外周的信号臂光纤吸音层112，所述信号臂光纤线圈111由所述的传感光纤卷绕形成，所述信号臂吸音层112为聚氨酯发泡胶层；所述圆盘模块130包括上层模块131和下层模块132，所述上层模块131用于封装所述信号臂传感光纤110，所述下层模块132用于封装所述参考臂传感光纤120。
43.本实施例中的较佳实施方式，所述圆盘模块130为直径14cm，高度3cm，其中，所述信号臂光纤线圈111的长度为20m。其中，所述参考臂传感光纤120为裸光纤，所述参考臂传感光纤120的长度为20m。线圈之间通过小型圆盘封装，采用叠放方式，整个系统体积极小，可实现高保真，高灵敏度的声波探测。
44.其中，所述上层模块131设置有多个通孔，所述下层模块132为密封结构。
45.实施例3
46.本实施例3提供了一种基于迈克尔逊干涉的光纤干涉型声波传感系统，如图4所示，包括光源模块210、迈克尔逊干涉仪模块220、光探测器模块230、数据采集模块240以及数据处理模块250，所述光源模块210和所述光探测器模块230分别与所述迈克尔逊干涉仪模块220连接，所述数据采集模块240与所述光探测器模块230连接，所述数据处理模块250与所述数据采集模块240连接；其中，光源模块210为分布式反馈激光器；耦合器221为3
×
3耦合器221；数据采集模块240为高速数据采集卡；数据处理模块250为计算机，计算机装有声音信号处理模块以及声音播放模块；所述光探测器模块230包括第一光探测器和第二光探测器，所述第一光探测器和所述第二光探测器分别用于采集耦合器221生成的干涉信号；
47.所述迈克尔逊干涉仪模块220包括耦合器221、均设置在第一光路上的第一传感光纤222和第一法拉第旋转镜224以及均设置在第二光路上的第二传感光纤223和第二法拉第旋转镜225；所述耦合器221用于将光波等比例地分成两束并分别传输到第一光路和第二光
路，并接收反射回的光束从而生成干涉信号；
48.所述第一传感光纤222和所述第二传感光纤223均用于声音传感；所述第一传感光纤222为所述的信号臂传感光纤110，第二传感光纤223为所述的参考臂传感光纤120；
49.所述第一法拉第旋转镜224和所述第二法拉第旋转镜225均用于反射光束。
50.具体地，分布式反馈激光器发出的光输入至3
×
3耦合器221中，分束后分别沿第一传感光纤222和第二传感光纤223传输，由两光路末端的第一法拉第旋转镜224和第二法拉第旋转镜225反射后沿原路径返回，再经3
×
3耦合器221形成稳定干涉后，两个光探测器采集干涉信号，经数据采集模块240的数据采集卡将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号输入数据处理模块250的计算机进行数据处理，通过相位解调等方法处理干涉信号后获得与声波相关的时域信号。
51.迈克尔逊光纤干涉光路的两路传输路径分别如下：
52.路径1:210
→
221
→
222
→
224
→
222
→
221；
53.路径2:210
→
221
→
223
→
225
→
223
→
221；
54.在本实施例所使用的基于迈克尔逊干涉的光纤干涉型声波传感系统中，相位变化和外界扰动信号的具体关系表示如下：
[0055][0056]
其中λ是光纤中光波的波长，n是光纤的折射率，δl是光纤上的扰动应力引起的光纤轴向应变，v是光纤材料的泊松比，p1和p2是弹性光学系数。
[0057]
本实施例所使用的基于迈克尔逊干涉的光纤干涉型声波传感系统中，采用相位还原算法，解调出相位差表达式表示如下：
[0058][0059]
其中p1'(t)、p2'(t)是两路探测的归一化输出信号，φ是对称3
×
3光纤耦合器引起的非互易相位偏置。
[0060]
本发明的能够达到的有益效果为：利用聚氨酯发泡胶对光纤声波传感系统中的传感光纤进行增敏，可以实现光纤声波传感系统灵敏度的提升，可以使得光纤麦克风提高了对人声信号的敏感度，提高了声波传感系统对中低频声波信号的探测灵敏度，使整体灵敏度曲线更加平滑，提高了声波探测的信噪比，如图5所示，为本实施例中的增敏处理后迈克尔逊光纤干涉型声波传感系统与未进行增敏处理的迈克尔逊光纤干涉型声波传感系统灵敏度对比图；
[0061]
本发明创新性地将常规用于隔音功能的吸声材料与光纤麦克风相结合，利用其吸声系数高的特性，将吸收的声能转化为机械振动能，从而增强对传感光纤的干扰；使用聚氨酯泡沫胶涂覆光纤麦克风的传感光纤来进行敏化，从而达到增强光纤麦克风声音采集的效果。
[0062]
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。