专利名称：一种声波频率探测器及多模耦合器声波频率探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声波频率探测器及多模耦合器声波频率探测系统。
背景技术：
准确的声波频率探测在光纤通信和光纤传感系统中很重要。最常用的声波频率探测手段是使用电容式麦克风，它有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜并将其接地，另一极板接在场效应晶体管的栅极上，栅极与源极之间接有一个二极管。当受到振动或受到气流的摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容改变，而电量不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，这种电压变化频率反映了外界声音的频率，这就是电容式麦克风的工作原理。电容式麦克风电声特性很好。但是它防潮性差，机械强度低，价格稍贵，而且使用稍显麻烦。
基于光纤声传感技术的新型设备由于其体积小、动态范围广、抗电磁干扰可在恶劣环境下工作，稳定性好且易于复用等等优点而受到广泛关注。光纤声传感技术可基本概括为三大方法领域光纤器件声传感器、光纤干涉仪声传感器、光纤光栅声传感器。光纤器件声传感器性能稳定，但过于依赖器件性能，只能在特定场合工作。例如2004年,R Chen等人提出了基于熔融拉锥单模耦合器超声波传感器。这种方法测量灵敏度可达5. 6mV/Pa，测量频率范围在IOkHz-ImHz ;光纤干涉仪声传感器频率探测范围可达40Hz-400kHz，且灵敏度较高，但容易引起相位误差。例如2008年，复旦大学的吴东方等人对Sagnac干涉型光纤麦克风做了一系列的研究，其实验结果显示带宽达10Hz-200kHz，信噪比高达60dB以上；光纤光栅声传感器灵敏度高，稳定性好，但仅适于探测频率在IOkHz以上的高频声信号。例如2010年，Hiroshi Tsuda等人对几种结构的布拉格光纤光栅测量超声波信号的方法进行了对比研究。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种探测频率范围广、探测准确的声波频率探测器及多模耦合器声波频率探测系统。为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种声波频率探测器，其特征在于，包括多模光纤耦合器、铝质薄膜和金属块，所述铝质圆薄膜的直径为3(T40mm、厚度为2. 5^3. 5um，所述铝质圆薄膜四周平整粘贴于所述金属块上，所述多模光纤耦合器的两端固定，中间长5 10mm的耦合区自然下垂与所述铝质薄膜相接触。基于上述声波频率探测器，本发明还提供了一种多模耦合器声波频率探测系统，其特征在于，包括所述声波频率探测器，还包括声频信号发生器、喇叭、宽谱光源、I X 2光纤耦合器，高速光电转换模块，频谱分析仪，所述声频信号发生器连接所述喇叭，所述喇叭接近所述声波频率探测器，所述声波频率探测器的输出端连接所述高速光电转换模块，所述高速光电转换模块连接所述频谱分析仪。进一步优化的，所述多模耦合器声波频率探测系统还包括1X2光纤耦合器，光学示波器，所述声波频率探测器的输出端连接所述IX 2光纤耦合器，所述IX 2光纤耦合器的一个输出端连接光学示波器，另一个输出端连接所述高速光电转换模块。优选的，所述的多模耦合器声波频率探测系统中，所述1X2光纤耦合器的耦合比为50%,稱合器输入端与多模光纤稱合器通过熔接方式连接,两个输出端分别与光学不波器和高速光电转换模块的连接是通过FC/APC光纤接头对接。所述未经封装的多模光纤耦合器的耦合比大致范围在20%-30%。本发明的有益效果在于I、本发明与传统的电容式探测方法相比，利用光纤声传感方式，抗干扰能力强，易于长距离传输；2、本发明通过频谱分析仪跟踪信号的频谱图像，同时利用光学示波器来探测信号的时域波形，确保了测量的准确性。 3、本发明的传感头是利用熔融拉锥工艺制作的多模光纤耦合器，成本低，易于快速大批量生产。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步具体说明。图I为本发明的多模耦合器声波频率探测系统结构图；图2为本发明的声波频率探测器的结构图；图3为本发明的多模耦合器制备工艺结构图。
具体实施例方式图I给出了多模耦合器声波频率探测系统结构图，虚拟仪器软件声频信号发生器4通过连接喇叭5发出特定的单频声波信号。宽谱光源I通过普通单模光纤连接声波频率探测器2，特定频率声波信号作用在声波频率探测器上时，引起声波频率探测器谐振，声波频率信号转化为光信号的变化。声波频率探测器的输出端连接1X2光纤耦合器3，1X2光纤耦合器3的一个输出端连接光学示波器8，实时动态扫描通过声波频率探测器的光信号的时域波动。I X 2光纤耦合器3的另一个输出端连接高速光电转换模块6转化成电信号后接入频谱分析仪7中，显示频率探测器谐振的频域谱形，从而解调出作用在声波频率探测器2上的声波频率。光学示波器8输出时域信号，时域信号经傅里叶变换后所得信号与频谱分析仪7上的频域信号进行对照，保证解调声波频率的准确性。图I中1X2光纤耦合器3为普通单模光纤耦合器，其分光比为50:50。图2给出了探测系统所用到的声波频率探测器2的结构图，它由未经封装的多模光纤耦合器9、铝质薄膜10和支撑金属块11组成。多模光纤耦合器9的耦合比约为20%-30%，其两端固定，中间自然下垂，仅长度为5 10mm的耦合区与铝质薄膜10相接触。铝质薄膜10为直径3(T40mm，厚2. 5 3. 5um的圆薄膜，四周平整的粘贴于支撑金属块11上，支撑金属块11为环型，内径略小于铝质圆薄膜的直径，厚约20mm。声波作用于铝质薄膜10上引起铝质薄膜10的谐振，带动放置于薄膜上面的多模光纤耦合器耦合区的相应振动，从而使得光功率耦合比发生与声波同频率的变化，这样就实现了基于光强调制的声波频率到光波频率的转换。
图3给出了多模耦合器制备工艺结构图，1550nm单波长光源12连接普通单模光纤输出激光，普通单模光纤通过熔接方式连接一段多模光纤14，多模光纤14再与另一根多模光纤平行放置，中间区域约25_均被剥除涂覆层，然后剥除部分的两端打结，多模光纤对两端分别被固定于夹具13和夹具15，夹具15出来的多模光纤再分别通过裸纤适配器连接于探测器16和探测器17。探测器16、17连接于电脑18，将探测到的功率耦合信息传递至电脑18，电脑18又通过电线连接夹具13、夹具15的驱动电路来控制夹具的运行，电脑18同时连接氢气火头19，控制火头的运动。当电脑18控制火头19运动至氢气外焰加热多模光纤对14时，开始控制夹具13、夹具15的同时对称分离运动，将多模光纤对14实现边加热边拉伸，从而实现多模光纤对14的功率交叉耦合，达到预定分光比时停止拉锥，这样就做好了多模光纤耦合器9的制备。图3中多模光纤对14为折射率已知的多模光纤,其纤芯直径为105um,包层直径125um。氢气火头19是由氢气发生器电解水供给氢气以及控制其氢气流量大小。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对 本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种声波频率探测器，其特征在于，包括多模光纤耦合器、铝质薄膜和金属块，所述铝质圆薄膜的直径为3(T40mm、厚度为2. 5^3. 5um，所述铝质圆薄膜四周平整粘贴于所述金属块上，所述多模光纤耦合器的两端固定，中间长5 10mm的耦合区自然下垂与所述铝质薄膜相接触。
2.一种多模耦合器声波频率探测系统，其特征在于，包括权利要求I所述声波频率探测器，还包括声频信号发生器、喇叭、宽谱光源、I X 2光纤耦合器，高速光电转换模块，频谱分析仪，所述声频信号发生器连接所述喇叭，所述喇叭接近所述声波频率探测器，所述声波频率探测器的输出端连接所述高速光电转换模块，所述高速光电转换模块连接所述频谱分析仪。
3.根据权利要求2所述的多模耦合器声波频率探测系统，其特征在于，还包括1X2光纤耦合器，光学示波器，所述声波频率探测器的输出端连接所述IX 2光纤耦合器，所述1X2光纤耦合器的一个输出端连接光学示波器，另一个输出端连接所述高速光电转换模块。
4.根据权利要求3所述的多模耦合器声波频率探测系统，其特征在于，所述1X2光纤耦合器的耦合比为50%，耦合器输入端与多模光纤耦合器通过熔接方式连接，两个输出端分别与光学示波器和高速光电转换模块的连接是通过FC/APC光纤接头对接。
5.根据权利要求I所述的多模耦合器声波频率探测系统，其特征在于，所述未经封装的多模光纤耦合器的耦合比大致范围在20%-30%。
全文摘要
本发明涉及一种声波频率探测器及多模耦合器声波频率探测系统。声波频率探测器包括多模光纤耦合器、铝质薄膜和金属块，铝质圆薄膜的直径为30~40mm、厚度为2.5～3.5um，铝质圆薄膜四周平整粘贴于所述金属块上，多模光纤耦合器的两端固定，中间长5~10mm的耦合区自然下垂与所述铝质薄膜相接触。多模耦合器声波频率探测系统包括所述声波频率探测器、声频信号发生器、喇叭、宽谱光源、1×2光纤耦合器，高速光电转换模块，频谱分析仪。本发明与传统的电容式探测方法相比，利用光纤声传感方式，抗干扰能力强，易于长距离传输。
文档编号G01H9/00GK102879082SQ20121037435
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者鲁平, 王顺, 刘德明 申请人:华中科技大学