專利名稱：光纖光柵聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種光纖光柵聲傳感器，它靠等強(qiáng)度懸臂梁的振動(dòng)使光柵中
心波長隨聲音發(fā)生變化，屬光纖光柵聲音傳感領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在煤礦、油田等特殊領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電類聲傳感器的應(yīng)用受到限制。光纖具有抗 電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、設(shè)計(jì)簡單、靈敏度高、光纖本身損耗低和耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、 安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，克服了電類傳聲器的不足，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。尤其是光纖光柵除 具有光纖的上述優(yōu)點(diǎn)外還具有測量精度高，便于組網(wǎng)，波長編碼等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于溫 度、應(yīng)力應(yīng)變和壓力等物理參量的測量。 但目前的光纖傳聲器技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)存的光纖傳聲器主要有基于反射膜結(jié)構(gòu) 的Y型傳聲器和干涉型傳聲器。反射式Y(jié)型光纖傳聲器對反射膜的反射率和彈性模量要求 很高，測量手段與裝置較復(fù)雜，光功率損耗大，靈敏度低，造價(jià)較高，并且不能檢測250Hz以 下的低頻信號；干涉型光纖傳感技術(shù)比較成熟，且靈敏度高，但容易受外界環(huán)境影響。因此， 在很大程度上限制了它們在工業(yè)過程中的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服上述光纖傳聲器的不足，提供一種光纖光柵聲傳感器， 它是一種將聲音信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光學(xué)信號，并通過光纖傳輸，再將調(diào)制的光信號解調(diào)成 電信號的裝置，具有反應(yīng)速度快，解調(diào)范圍大，解調(diào)精度高，系統(tǒng)工藝簡單，成本低，使用方 便等優(yōu)點(diǎn)。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是 —種光纖光柵聲傳感器，它包括傳聲探頭，傳聲探頭通過耦合器與光源連接，同時(shí) 耦合器還與線性斜邊濾波器連接，線性斜邊濾波器與解調(diào)電路連接，解調(diào)電路與揚(yáng)聲器連 接，所述傳聲探頭包括外殼、懸臂梁和光纖光柵，等強(qiáng)度懸臂梁一端固定在外殼上，另一端 為自由狀態(tài)，傳感器光柵沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼附在其下表面，并通過傳輸光纖與耦合 器連接；同時(shí)外殼留有進(jìn)壓口。所述傳感器光柵是光纖Bragg光柵，中心波長為1549. 22nm， 3dB帶寬為0. 21nm。 所述等強(qiáng)度懸臂梁是厚度為0. 5mm的碳纖維材料。 所述傳感器光柵通過環(huán)氧樹脂膠黏劑沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼附在其下表面。 所述進(jìn)壓口正對傳感器光柵，二者間設(shè)有間隔。 所述線性斜邊濾波器是基于濾光片結(jié)構(gòu)的CWDM，其輸入端和耦合器的反射端連 接，輸出端和解調(diào)電路連接。所述線性斜邊濾波器斜邊中心為1550nm，邊帶斜率為10dB/nm。 所述光源為ASE寬帶光源。 所述耦合器為基于單模光纖的2X2熔融拉椎型耦合器，分光比為50/50。[0015] 本實(shí)用新型提供一種新型光纖傳聲器，傳聲探頭由等強(qiáng)度梁、傳感器光柵和外殼 組成，等強(qiáng)度懸臂梁為聲壓敏感元件，其一端固定在外殼上，另一端處于自由狀態(tài)。光纖光 柵作為傳感元件，沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼在其下表面。外殼為絕緣樹脂材料，上表面留有 進(jìn)壓口 ，使聲壓能夠作用在懸臂梁上。 本實(shí)用新型利用空氣中聲壓對光柵作用產(chǎn)生的彈光效應(yīng)和彈性效應(yīng)對光柵的反 射波長進(jìn)行調(diào)制設(shè)計(jì)了光纖光柵傳聲器，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器進(jìn)入傳感器光柵，等 強(qiáng)度懸臂梁在聲壓作用下發(fā)生彎曲變形，引起傳感器光柵中心波長的變化，攜帶聲音信號 的反射光經(jīng)耦合器和線性斜邊濾波器進(jìn)入光電探測器，傳感器光柵中心波長發(fā)生變化時(shí)， 進(jìn)入探測器的光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化。解調(diào)電路對光電探測器的電信號進(jìn)行放大和濾波，即可 獲得聲音信號的強(qiáng)度和頻率，最終經(jīng)揚(yáng)聲器即可將聲音信號還原。 由以上技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型基于全光信號設(shè)計(jì)，傳聲探頭沒有電子器 件，因此具有良好的防水性能，不存在電火花隱患，并且抗電磁干擾。同時(shí)，本實(shí)用新型便于 組網(wǎng)，并且可以組成準(zhǔn)分布式陣列。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢 (1)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝簡單，傳感元件為普通光纖Bragg光柵，關(guān)鍵 制作步驟將傳感器光柵粘貼在沿等強(qiáng)度梁軸線下表面，并使傳感器光柵受力均勻即可。
(2)本實(shí)用新型除了光源電路和解調(diào)電路，其他部分均不需電信號，實(shí)現(xiàn)了光信號 和電信號的分離，可保證生產(chǎn)安全。 (3)本實(shí)用新型價(jià)格低廉，所實(shí)用的器件均為常見的光學(xué)器件，生產(chǎn)工藝成熟，價(jià) 格較低。

圖1為本實(shí)用新型光纖光柵聲傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實(shí)用新型光纖光柵聲傳感器檢測的聲音信號激勵(lì)時(shí)域圖； 圖3為本實(shí)用新型光纖光柵聲傳感器檢測的聲音信號激勵(lì)頻域圖。 其中，l.傳聲探頭，2.外殼，3.進(jìn)壓口，4.等強(qiáng)度懸臂梁，5.傳感器光柵，6.傳輸
光纖，7.光源，8.耦合器，9.線性斜邊濾波器，IO.解調(diào)電路，ll.揚(yáng)聲器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。 光纖光柵聲傳感器。為了詳細(xì)介紹本實(shí)用新型，將結(jié)合附圖對具體實(shí)施方案做詳 細(xì)介紹 如圖1所示的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)用新型所述的光纖光柵聲傳感器包括傳聲探頭1、 光源7、耦合器8、線性斜邊濾波器9、解調(diào)電路10和揚(yáng)聲器11。傳聲探頭l由等強(qiáng)度懸臂 梁4、傳感器光柵5和外殼2組成。等強(qiáng)度懸臂梁4 一端固定在外殼2上，另一端處于自由 狀態(tài)，傳感器光柵5沿等強(qiáng)度懸臂梁4的軸線貼在其下表面，并通過傳輸光纖6與耦合器8 連接，同時(shí)外殼留有進(jìn)壓口 3。本實(shí)用新型的光路連接為光源7和耦合器8的輸入端連接， 耦合器8的輸出端和傳聲探頭1連接，耦合器8的反射端口和線性斜邊濾波器9的輸入端 連接，線性斜邊濾波器9的輸出端直接和光電探測器連接，解調(diào)電路IO輸出端口直接和揚(yáng)聲器11連接。 當(dāng)本實(shí)用新型周圍有聲音信號時(shí)，聲壓信號通過外殼2上的進(jìn)壓口 3進(jìn)入傳聲探 頭，作用才等強(qiáng)度懸臂梁4上。等強(qiáng)度懸臂梁4隨聲壓發(fā)生彎曲變形，變形的強(qiáng)度和頻率與 聲壓信號的強(qiáng)度和頻率有關(guān)。等強(qiáng)度懸臂梁4引起粘貼在其上的傳感器光柵5柵格周期的 變化，進(jìn)而引起中心波長的變化。傳感器光柵5的反射光攜帶聲音信號傳播到線性斜邊濾 波器9，將波長信號轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)信號。解調(diào)電路10的光電探測器將探測到的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)變 成電信號，經(jīng)放大處理，最終由揚(yáng)聲器11將聲音信號還原。 本實(shí)用新型的具體制作過程為首先，將碳纖維材料制成等強(qiáng)度懸臂梁4，并對其 特性進(jìn)行分析；然后，將傳感器光柵5沿等強(qiáng)度懸臂梁4軸線方向粘貼在其下表面，粘貼時(shí) 要保證傳感器光柵5和等強(qiáng)度懸臂梁4緊密結(jié)合，同時(shí)要保證傳感器光柵5受力均勻；然 后，將粘貼傳感器光柵5的等強(qiáng)度懸臂梁4固定在傳感器外殼2上，并保證等強(qiáng)度懸臂梁4 和外殼2留有進(jìn)壓口 3的一面平行；然后，對傳聲探頭1除進(jìn)壓口 3以外的部位進(jìn)行密封處 理；最后將光源7、耦合器8、線性斜邊濾波器9和解調(diào)電路10封裝在一起。 為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，首先分別進(jìn)行了 300Hz和4KHz單頻信號測試實(shí)驗(yàn)。 分別設(shè)定信號源是頻率為300Hz、4KHz的正弦信號，檢測該傳聲器在人說話聲音頻率范圍 內(nèi)的單頻響應(yīng)特性。本實(shí)用新型輸出的波形具有良好的信噪比。這說明本實(shí)用新型是一個(gè) 靈敏度高的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并且具有一般性。隨后，檢測本實(shí)用新型的聲音信號的頻率響應(yīng)特 性，該聲傳感器在0 4kHz的頻率范圍內(nèi)具有非常好的頻率響應(yīng)，可以無失真地傳遞聲音 信號。 在實(shí)際工程中，將傳聲探頭1安置在煤礦井下或者油田生產(chǎn)現(xiàn)場，該實(shí)用新型的 其他部件均放置在控制室中，通過光纜傳送光源信號并返回?cái)y帶聲音信號的傳感器光柵5 的反射譜。因此該聲傳感器現(xiàn)場部分不需電信號，可以有效保證生產(chǎn)安全。
權(quán)利要求一種光纖光柵聲傳感器，它包括傳聲探頭，傳聲探頭通過耦合器與光源連接，同時(shí)耦合器還與線性斜邊濾波器連接，線性斜邊濾波器與解調(diào)電路連接，解調(diào)電路與揚(yáng)聲器連接，其特征是，所述傳聲探頭包括外殼、懸臂梁和光纖光柵，等強(qiáng)度懸臂梁一端固定在外殼上，另一端為自由狀態(tài)，傳感器光柵沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼附在其下表面，并通過傳輸光纖與耦合器連接；同時(shí)外殼留有進(jìn)壓口。
2. 如權(quán)利要求l所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述傳感器光柵是光纖Bragg光 柵，中心波長為1549. 22nm， 3dB帶寬為0. 21nm。
3. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述等強(qiáng)度懸臂梁是厚度為 0. 5mm的碳纖維材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述傳感器光柵通過環(huán)氧樹脂 膠黏劑沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼附在其下表面。
5. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述進(jìn)壓口正對傳感器光柵，二 者間設(shè)有間隔。
6. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述線性斜邊濾波器是基于濾 光片結(jié)構(gòu)的CWDM，其輸入端和耦合器的反射端連接，輸出端和解調(diào)電路連接。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述線性斜邊濾波器斜邊中 心為1550nm，邊帶斜率為10dB/nm。
8. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述光源為ASE寬帶光源。
9. 如權(quán)利要求1所述的光纖光柵聲傳感器，其特征是，所述耦合器為基于單模光纖的 2X2熔融拉椎型耦合器，分光比為50/50。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種光纖光柵聲傳感器。它將聲振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光學(xué)信號，并通過光纖傳輸，再將調(diào)制的光信號解調(diào)成電信號的裝置，具有反應(yīng)速度快，解調(diào)范圍大，解調(diào)精度高，系統(tǒng)工藝簡單，成本低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其傳聲探頭通過耦合器與光源連接，同時(shí)耦合器還與線性斜邊濾波器連接，線性斜邊濾波器與解調(diào)電路連接，解調(diào)電路與揚(yáng)聲器連接。所述傳聲探頭主要包括外殼、懸臂梁和光纖光柵，等強(qiáng)度懸臂梁一段固定在外殼上，另一端為自由狀態(tài)，傳感器光柵沿等強(qiáng)度懸臂梁的軸線貼附在其下表面，并通過傳輸光纖與耦合器連接；同時(shí)外殼留有進(jìn)壓口。
文檔編號G01H9/00GK201464025SQ20092002924
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者姜明順, 曹玉強(qiáng), 王靜, 隋青美 申請人:山東大學(xué)