一种基于带孔光纤结构的声传感器

1.本发明属于光纤声传感器技术领域，涉及一种基于带孔光纤结构的声传感器。


背景技术：

2.光纤声传感器是一种重要的声传感器件，广泛应用于在国防安全、工业无损检测、医疗诊断等领域，它是把声波的波长和强度等声信号转变成光纤中传输光的相位，波长或强度等光信号，实现声音的检测；本发明所涉及的光纤声传感器中声光信号的转变主要利用介质材料在声波的扰动下改变折射率来实现的；各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何外力作用时，其光学性质是稳定的；当声波作用于介质时，介质在受到声波的机械作用下发生弹性形变，介质的密度沿着声波的传播(即机械应力)方向上发生改变，其折射率也随之改变重排，这种折射率的重新分布会形成光纤中传输光的光程改变和产生类光栅的干涉等影响，最终引起传输光的相位，波长或强度的变化。
3.目前，光纤声传感器主要通过声波对膜、光纤和光栅等结构上的作用改变实现声光信号的转变；例如悬臂型结构和法布里-珀罗干涉仪型结构的光纤声学传感器，由于结构上的限制，灵敏度和频率响应会大大降低，难以实现大带宽和大动态范围；
4.如申请号为201711176044x的发明专利(一种测量超声波的通孔光子晶体光纤传感器探头及其制备方法)，其中虽然也公开了在光纤上开设通孔以改善传感器灵敏度的技术方案，但该专利中采用在端面上打多个孔形成光子晶体光纤的方式，这种方式在工艺上难度较高；并且该专利使用熔接的方法让光纤相互连接，可能会因为对准工作不稳定造成光出现损耗；
5.基于上述发明专利和传统光纤声传感器的缺陷，本发明提出的光纤声传感器采用在光纤侧面穿孔的方式，不需要进行孔两端光纤的对准工作，避免了两端光纤中光的传输由于对准工作的不精确而使部分光损失造成的声信号的失真；并且本发明采用一条光纤工作，避免由于熔接形成的光纤耦合不稳定；此外本发明提出的光纤声传感器原理与传统的声传感器有所不同，其不需要声波对结构的作用，直接使声场和传输光进行耦合，从根本上解决了传统的声传感器存在的问题；
6.本发明所涉及的传感器的传输光在两光纤光栅之间多次反射，来回经过横向孔，和横向孔内经声场作用下折射率发生改变的填充介质直接耦合改变光的信号实现声音的检测；其具有尺寸小，频率响应宽，响应速度快和灵敏度高等特点，可广泛应用于在国防安全、工业无损检测、医疗诊断等领域。


技术实现要素：

7.(一)本发明要解决的技术问题：
8.现有技术中的光纤声传感器主要通过声波对膜、光纤和光栅等结构上的作用改变实现声光信号的转变，由于结构上的限制，灵敏度和频率响应会大大降低，难以实现大带宽和大动态范围；本发明涉及的光纤声传感器原理与传统的声传感器有所不同，其不需要声
波对结构的作用，直接让声场和传输光进行耦合，从根本上解决了上述问题。
9.(二)为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种基于带孔光纤结构的声传感器，包括光纤，所述光纤上设置有光纤光栅a和光纤光栅b，在所述光纤侧面开设横向孔得到带孔光纤，所述横向孔设置于光纤光栅a和光纤光栅b之间；所述带孔光纤包括包层和纤芯，所述纤芯设置在包层内部。
11.优选的，所述横向孔依次贯穿包层、纤芯并延伸出另一侧包层。
12.优选的，所述横向孔依次贯穿包层、纤芯但不延伸出另一侧包层。
13.优选的，所述横向孔的截面形状为圆形、方形或其他形状；所述横向孔的直径最小为1nm，最大不超过带孔光纤的包层外径。
14.优选的，所述横向孔中设置有填充介质。
15.一种基于带孔光纤结构的声传感器的使用方法，包括如下步骤：
16.s1、通过光源发射光，光在光纤光栅a和光纤光栅b之间多次反射，同时反复经过横向孔，所述光源发射的光波长在400～3000nm范围内；
17.s2、通过声源发出声波，声波在传输过程中经过所述带孔光纤的声传感器；
18.s3、s1中发射的光和s2中发出的声波在带孔光纤的横向孔内耦合，进而引起光信号的变化；
19.s4、通过光分析仪对s3中经过光纤光栅a返回或者透射过光纤光栅b的光信号进行收集并分析得出声信号，从而实现声音的检测。
20.优选的，s3中的声波与横向孔内填充介质发生相互作用，声波使填充介质的密度发生改变，引起折射率在空间上的重新分布，其具体过程如下：
21.a1、当声波作用于填充介质时，填充介质在受到声波的机械作用下发生弹性形变；
22.a2、填充介质的密度沿着声波的传播方向上发生改变，填充介质的折射率也随之改变重排；
23.a3、a2中所述的折射率重新分布会形成带孔光纤中传输光的光程改变和产生类光栅的干涉这类影响，最终引起光信号的变化。
24.优选的，s4中所述的光信号包括光强、偏振、波长和相位，s4所述的声信号包括声波的频率、振幅和强度。
25.(三)本发明的有益效果包括以下三点：
26.(1)本发明所涉及的带孔光纤的声传感器中声光信号的转变主要利用介质材料在声波的扰动下改变折射率来实现的；各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何外力作用时，其光学性质是稳定的；当声波作用于填充介质时，填充介质在受到声波的机械作用下发生弹性形变，填充介质的密度沿着声波的传播(即机械应力)方向上发生改变，其折射率也随之改变重排，这种折射率的重新分布会形成光纤中传输光的光程改变和产生类光栅的干涉等影响，最终引起传输光的相位，波长或强度的变化。
27.(2)本发明涉及的带孔光纤的声传感器原理与传统的声传感器有所不同，其不需要声波对结构的作用，直接让声场和传输光进行耦合，从根本上解决了此问题，而且由于本发明是直接在光纤侧面穿孔，不需要进行孔两端光纤的对准工作，避免了两端光纤中光的传输由于对准工作的不精确而使部分光损失造成的声信号的失真。
28.(3)本发明所涉及的带孔光纤的声传感器的传输光在光纤光栅a和光纤光栅b之间
多次反射，来回经过横向孔，和横向孔内经声场作用下折射率发生改变的填充物直接耦合改变光的信号实现声音的检测；其具有尺寸小，频率响应宽，响应速度快和灵敏度高等特点。
附图说明
29.图1为本发明提出的一种基于带孔光纤结构的声传感器的结构俯视图；
30.图2为本发明提出的一种基于带孔光纤结构的声传感器的结构侧视图；
31.图3为本发明提出的一种基于带孔光纤结构的声传感器的工作示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1：
34.请参阅图1-2，一种基于带孔光纤结构的声传感器，包括光纤，光纤的选择不限，可为任意一种光纤，如光子晶体光纤，实心光纤，空心光纤等；光纤中传输的光不限，只要不损坏器件结构均可传输；
35.所述光纤上设置有光纤光栅a和光纤光栅b，在所述光纤侧面开设横向孔得到带孔光纤，所述横向孔设置于光纤光栅a和光纤光栅b之间，由此可以使传输光在横向孔内来回传输，从而改变光信号；所述带孔光纤包括包层和纤芯，所述纤芯设置在包层内部；
36.所述横向孔依次贯穿包层、纤芯并延伸出另一侧包层或者不延伸出另一侧包层；其中横向孔是通过打孔技术在光纤侧面进行穿孔，由于要确保传输光进入横向孔内，要求横向孔要横穿纤芯，但横向孔既可以贯穿光纤也可以不贯穿光纤；
37.所述横向孔的截面形状为圆形、方形或其他形状；所述横向孔的直径最小为1nm，最大不超过带孔光纤的包层外径；
38.所述横向孔中设置有填充介质，带孔光纤内的填充介质不限，可以为气体、液体、凝胶或者固体等，要求是在声压作用下，填充介质内部的折射率会发生改变；
39.本发明所涉及的光纤声传感器中声光信号的转变主要利用介质材料在声波的扰动下改变折射率来实现的；各向同性的、均匀的、线性的、稳定光学介质，在不受任何外力作用时，其光学性质是稳定的；当声波作用于填充介质时，填充介质在受到声波的机械作用下发生弹性形变，填充介质的密度沿着声波的传播(即机械应力)方向上发生改变，其折射率也随之改变重排，这种折射率的重新分布会形成光纤中传输光的光程改变和产生类光栅的干涉等影响，最终引起传输光的相位，波长或强度的变化；
40.由于本发明可以直接让光和声场直接相互作用(使用和外界相同的介质作为填充介质)，而背景技术中提及的专利中是先让声场改变光纤，再对其中的传输光进行改变，从而比本发明多了一个过程，使得灵敏度有所下降；并且本发明还可以通过改变横向孔内的填充介质实现更高的灵敏度，而上述专利中使声音改变的只能是光纤。
41.实施例2：
42.如图3所示，基于实施例1中一种基于带孔光纤结构的声传感器的使用方法，包括如下步骤：
43.s1、通过光源发射光，光在光纤光栅a和光纤光栅b之间多次反射，同时反复经过横向孔，所述光源发射的光波长在400～3000nm范围内；
44.s2、通过声源发出声波，声波在传输过程中经过所述带孔光纤的声传感器；
45.s3、s1中发射的光和s2中发出的声波在带孔光纤的横向孔内耦合，进而引起光信号的变化；
46.s3中的声波与横向孔内填充介质发生相互作用，声波使填充介质的密度发生改变，引起折射率在空间上的重新分布，其具体过程如下：
47.a1、当声波作用于填充介质时，填充介质在受到声波的机械作用下发生弹性形变；
48.a2、填充介质的密度沿着声波的传播方向上发生改变，填充介质的折射率也随之改变重排；
49.a3、a2中所述的折射率重新分布会形成带孔光纤中传输光的光程改变和产生类光栅的干涉这类影响，最终引起光信号的变化；
50.s4、通过光分析仪对s3中经过光纤光栅a返回或者透射过光纤光栅b的光信号进行收集并分析得出声信号，从而实现声音的检测；s4中所述的光信号包括光强、偏振、波长和相位等，s4所述的声信号包括声波的频率、振幅和强度等；
51.本发明涉及的带孔光纤的声传感器原理与传统的声传感器有所不同，其不需要声波对结构的作用，直接让声场和传输光进行耦合，从根本上解决了现有技术中光纤声传感器主要通过声波对膜、光纤和光栅等结构上的作用改变实现声光信号的转变，由于结构上的限制，灵敏度和频率响应会大大降低，难以实现大带宽和大动态范围的问题；而且由于本发明直接在光纤侧面穿孔，不需要进行横向孔两端光纤的对准工作，避免了两端光纤中光的传输由于对准工作的不精确而使部分光损失造成的声信号的失真；
52.本发明所涉及的传感器的传输光在光纤光栅a和光纤光栅b之间多次反射，来回经过横向孔，和横向孔内经声场作用下折射率发生改变的填充物直接耦合改变光的信号实现声音的检测，本发明中的带孔光纤的声传感器具有尺寸小，频率响应宽，响应速度快和灵敏度高等特点。
53.实施例3：
54.基于实施例2中的使用方法，光在声传感器中传输时，光纤光栅a与光纤光栅b的反射波长大小不限，根据光源的波长决定，两边的光纤光栅a与光纤光栅b的反射率可以相同也可不相同，由于反射率的不同存在如下几种工作模式；
55.①
s1中所述的光经过光纤光栅a时，部分光透射向前，经过光纤光栅b时，光大部分反射，少部分透射；光在光纤光栅a和光纤光栅b之间多次反射，并不断从光纤光栅b中透射而出；
56.②
s1中所述的光经过光纤光栅a时，部分光透射向前，经过光纤光栅b时，光全部反射或大部分反射，回到光纤光栅a时，光部分透射，剩余的光反射；光在光纤光栅a和光纤光栅b之间多次反射，并不断从光纤光栅a中透射而出。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其
改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。