專利名稱：一種聲波頻率探測(cè)器及多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲波頻率探測(cè)器及多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)確的聲波頻率探測(cè)在光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中很重要。最常用的聲波頻率探測(cè)手段是使用電容式麥克風(fēng)，它有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜并將其接地，另一極板接在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上，柵極與源極之間接有一個(gè)二極管。當(dāng)受到振動(dòng)或受到氣流的摩擦?xí)r，由于振動(dòng)使兩極板間的距離改變，即電容改變，而電量不變，就會(huì)引起電壓的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率，這就是電容式麥克風(fēng)的工作原理。電容式麥克風(fēng)電聲特性很好。但是它防潮性差，機(jī)械強(qiáng)度低，價(jià)格稍貴，而且使用稍顯麻煩。
基于光纖聲傳感技術(shù)的新型設(shè)備由于其體積小、動(dòng)態(tài)范圍廣、抗電磁干擾可在惡劣環(huán)境下工作，穩(wěn)定性好且易于復(fù)用等等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。光纖聲傳感技術(shù)可基本概括為三大方法領(lǐng)域光纖器件聲傳感器、光纖干涉儀聲傳感器、光纖光柵聲傳感器。光纖器件聲傳感器性能穩(wěn)定，但過于依賴器件性能，只能在特定場(chǎng)合工作。例如2004年,R Chen等人提出了基于熔融拉錐單模耦合器超聲波傳感器。這種方法測(cè)量靈敏度可達(dá)5. 6mV/Pa，測(cè)量頻率范圍在IOkHz-ImHz ;光纖干涉儀聲傳感器頻率探測(cè)范圍可達(dá)40Hz-400kHz，且靈敏度較高，但容易引起相位誤差。例如2008年，復(fù)旦大學(xué)的吳東方等人對(duì)Sagnac干涉型光纖麥克風(fēng)做了一系列的研究，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示帶寬達(dá)10Hz-200kHz，信噪比高達(dá)60dB以上；光纖光柵聲傳感器靈敏度高，穩(wěn)定性好，但僅適于探測(cè)頻率在IOkHz以上的高頻聲信號(hào)。例如2010年，Hiroshi Tsuda等人對(duì)幾種結(jié)構(gòu)的布拉格光纖光柵測(cè)量超聲波信號(hào)的方法進(jìn)行了對(duì)比研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種探測(cè)頻率范圍廣、探測(cè)準(zhǔn)確的聲波頻率探測(cè)器及多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提供了一種聲波頻率探測(cè)器，其特征在于，包括多模光纖耦合器、鋁質(zhì)薄膜和金屬塊，所述鋁質(zhì)圓薄膜的直徑為3(T40mm、厚度為2. 5^3. 5um，所述鋁質(zhì)圓薄膜四周平整粘貼于所述金屬塊上，所述多模光纖耦合器的兩端固定，中間長(zhǎng)5 10mm的耦合區(qū)自然下垂與所述鋁質(zhì)薄膜相接觸。基于上述聲波頻率探測(cè)器，本發(fā)明還提供了一種多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括所述聲波頻率探測(cè)器，還包括聲頻信號(hào)發(fā)生器、喇叭、寬譜光源、I X 2光纖耦合器，高速光電轉(zhuǎn)換模塊，頻譜分析儀，所述聲頻信號(hào)發(fā)生器連接所述喇叭，所述喇叭接近所述聲波頻率探測(cè)器，所述聲波頻率探測(cè)器的輸出端連接所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊，所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊連接所述頻譜分析儀。進(jìn)一步優(yōu)化的，所述多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)還包括1X2光纖耦合器，光學(xué)示波器，所述聲波頻率探測(cè)器的輸出端連接所述IX 2光纖耦合器，所述IX 2光纖耦合器的一個(gè)輸出端連接光學(xué)示波器，另一個(gè)輸出端連接所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊。優(yōu)選的，所述的多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)中，所述1X2光纖耦合器的耦合比為50%,稱合器輸入端與多模光纖稱合器通過熔接方式連接,兩個(gè)輸出端分別與光學(xué)不波器和高速光電轉(zhuǎn)換模塊的連接是通過FC/APC光纖接頭對(duì)接。所述未經(jīng)封裝的多模光纖耦合器的耦合比大致范圍在20%-30%。本發(fā)明的有益效果在于I、本發(fā)明與傳統(tǒng)的電容式探測(cè)方法相比，利用光纖聲傳感方式，抗干擾能力強(qiáng)，易于長(zhǎng)距離傳輸；2、本發(fā)明通過頻譜分析儀跟蹤信號(hào)的頻譜圖像，同時(shí)利用光學(xué)示波器來探測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形，確保了測(cè)量的準(zhǔn)確性。 3、本發(fā)明的傳感頭是利用熔融拉錐工藝制作的多模光纖耦合器，成本低，易于快速大批量生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。圖I為本發(fā)明的多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的聲波頻率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的多模耦合器制備工藝結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式圖I給出了多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，虛擬儀器軟件聲頻信號(hào)發(fā)生器4通過連接喇叭5發(fā)出特定的單頻聲波信號(hào)。寬譜光源I通過普通單模光纖連接聲波頻率探測(cè)器2，特定頻率聲波信號(hào)作用在聲波頻率探測(cè)器上時(shí)，引起聲波頻率探測(cè)器諧振，聲波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的變化。聲波頻率探測(cè)器的輸出端連接1X2光纖耦合器3，1X2光纖耦合器3的一個(gè)輸出端連接光學(xué)示波器8，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掃描通過聲波頻率探測(cè)器的光信號(hào)的時(shí)域波動(dòng)。I X 2光纖耦合器3的另一個(gè)輸出端連接高速光電轉(zhuǎn)換模塊6轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后接入頻譜分析儀7中，顯示頻率探測(cè)器諧振的頻域譜形，從而解調(diào)出作用在聲波頻率探測(cè)器2上的聲波頻率。光學(xué)示波器8輸出時(shí)域信號(hào)，時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后所得信號(hào)與頻譜分析儀7上的頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)照，保證解調(diào)聲波頻率的準(zhǔn)確性。圖I中1X2光纖耦合器3為普通單模光纖耦合器，其分光比為50:50。圖2給出了探測(cè)系統(tǒng)所用到的聲波頻率探測(cè)器2的結(jié)構(gòu)圖，它由未經(jīng)封裝的多模光纖耦合器9、鋁質(zhì)薄膜10和支撐金屬塊11組成。多模光纖耦合器9的耦合比約為20%-30%，其兩端固定，中間自然下垂，僅長(zhǎng)度為5 10mm的耦合區(qū)與鋁質(zhì)薄膜10相接觸。鋁質(zhì)薄膜10為直徑3(T40mm，厚2. 5 3. 5um的圓薄膜，四周平整的粘貼于支撐金屬塊11上，支撐金屬塊11為環(huán)型，內(nèi)徑略小于鋁質(zhì)圓薄膜的直徑，厚約20mm。聲波作用于鋁質(zhì)薄膜10上引起鋁質(zhì)薄膜10的諧振，帶動(dòng)放置于薄膜上面的多模光纖耦合器耦合區(qū)的相應(yīng)振動(dòng)，從而使得光功率耦合比發(fā)生與聲波同頻率的變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了基于光強(qiáng)調(diào)制的聲波頻率到光波頻率的轉(zhuǎn)換。
圖3給出了多模耦合器制備工藝結(jié)構(gòu)圖，1550nm單波長(zhǎng)光源12連接普通單模光纖輸出激光，普通單模光纖通過熔接方式連接一段多模光纖14，多模光纖14再與另一根多模光纖平行放置，中間區(qū)域約25_均被剝除涂覆層，然后剝除部分的兩端打結(jié)，多模光纖對(duì)兩端分別被固定于夾具13和夾具15，夾具15出來的多模光纖再分別通過裸纖適配器連接于探測(cè)器16和探測(cè)器17。探測(cè)器16、17連接于電腦18，將探測(cè)到的功率耦合信息傳遞至電腦18，電腦18又通過電線連接夾具13、夾具15的驅(qū)動(dòng)電路來控制夾具的運(yùn)行，電腦18同時(shí)連接氫氣火頭19，控制火頭的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電腦18控制火頭19運(yùn)動(dòng)至氫氣外焰加熱多模光纖對(duì)14時(shí)，開始控制夾具13、夾具15的同時(shí)對(duì)稱分離運(yùn)動(dòng)，將多模光纖對(duì)14實(shí)現(xiàn)邊加熱邊拉伸，從而實(shí)現(xiàn)多模光纖對(duì)14的功率交叉耦合，達(dá)到預(yù)定分光比時(shí)停止拉錐，這樣就做好了多模光纖耦合器9的制備。圖3中多模光纖對(duì)14為折射率已知的多模光纖,其纖芯直徑為105um,包層直徑125um。氫氣火頭19是由氫氣發(fā)生器電解水供給氫氣以及控制其氫氣流量大小。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種聲波頻率探測(cè)器，其特征在于，包括多模光纖耦合器、鋁質(zhì)薄膜和金屬塊，所述鋁質(zhì)圓薄膜的直徑為3(T40mm、厚度為2. 5^3. 5um，所述鋁質(zhì)圓薄膜四周平整粘貼于所述金屬塊上，所述多模光纖耦合器的兩端固定，中間長(zhǎng)5 10mm的耦合區(qū)自然下垂與所述鋁質(zhì)薄膜相接觸。
2.一種多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求I所述聲波頻率探測(cè)器，還包括聲頻信號(hào)發(fā)生器、喇叭、寬譜光源、I X 2光纖耦合器，高速光電轉(zhuǎn)換模塊，頻譜分析儀，所述聲頻信號(hào)發(fā)生器連接所述喇叭，所述喇叭接近所述聲波頻率探測(cè)器，所述聲波頻率探測(cè)器的輸出端連接所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊，所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊連接所述頻譜分析儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，還包括1X2光纖耦合器，光學(xué)示波器，所述聲波頻率探測(cè)器的輸出端連接所述IX 2光纖耦合器，所述1X2光纖耦合器的一個(gè)輸出端連接光學(xué)示波器，另一個(gè)輸出端連接所述高速光電轉(zhuǎn)換模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述1X2光纖耦合器的耦合比為50%，耦合器輸入端與多模光纖耦合器通過熔接方式連接，兩個(gè)輸出端分別與光學(xué)示波器和高速光電轉(zhuǎn)換模塊的連接是通過FC/APC光纖接頭對(duì)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述未經(jīng)封裝的多模光纖耦合器的耦合比大致范圍在20%-30%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲波頻率探測(cè)器及多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)。聲波頻率探測(cè)器包括多模光纖耦合器、鋁質(zhì)薄膜和金屬塊，鋁質(zhì)圓薄膜的直徑為30~40mm、厚度為2.5～3.5um，鋁質(zhì)圓薄膜四周平整粘貼于所述金屬塊上，多模光纖耦合器的兩端固定，中間長(zhǎng)5~10mm的耦合區(qū)自然下垂與所述鋁質(zhì)薄膜相接觸。多模耦合器聲波頻率探測(cè)系統(tǒng)包括所述聲波頻率探測(cè)器、聲頻信號(hào)發(fā)生器、喇叭、寬譜光源、1×2光纖耦合器，高速光電轉(zhuǎn)換模塊，頻譜分析儀。本發(fā)明與傳統(tǒng)的電容式探測(cè)方法相比，利用光纖聲傳感方式，抗干擾能力強(qiáng)，易于長(zhǎng)距離傳輸。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102879082SQ20121037435
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者魯平, 王順, 劉德明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)