专利名称：光纤光栅声传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种光纤光栅声传感器，它靠等强度悬臂梁的振动使光栅中
心波长随声音发生变化，属光纤光栅声音传感领域。
背景技术：
目前在煤矿、油田等特殊领域，传统的电类声传感器的应用受到限制。光纤具有抗 电磁干扰能力强、体积小、设计简单、灵敏度高、光纤本身损耗低和耐腐蚀、耐高温、耐高压、 安全可靠等优点，克服了电类传声器的不足，受到了国内外的广泛关注。尤其是光纤光栅除 具有光纤的上述优点外还具有测量精度高，便于组网，波长编码等独特优点，已广泛用于温 度、应力应变和压力等物理参量的测量。 但目前的光纤传声器技术还不够成熟，现存的光纤传声器主要有基于反射膜结构 的Y型传声器和干涉型传声器。反射式Y型光纤传声器对反射膜的反射率和弹性模量要求 很高，测量手段与装置较复杂，光功率损耗大，灵敏度低，造价较高，并且不能检测250Hz以 下的低频信号；干涉型光纤传感技术比较成熟，且灵敏度高，但容易受外界环境影响。因此， 在很大程度上限制了它们在工业过程中的广泛应用。

发明内容本实用新型的目的是克服上述光纤传声器的不足，提供一种光纤光栅声传感器， 它是一种将声音信号转换成调制的光学信号，并通过光纤传输，再将调制的光信号解调成 电信号的装置，具有反应速度快，解调范围大，解调精度高，系统工艺简单，成本低，使用方 便等优点。 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是 —种光纤光栅声传感器，它包括传声探头，传声探头通过耦合器与光源连接，同时 耦合器还与线性斜边滤波器连接，线性斜边滤波器与解调电路连接，解调电路与扬声器连 接，所述传声探头包括外壳、悬臂梁和光纤光栅，等强度悬臂梁一端固定在外壳上，另一端 为自由状态，传感器光栅沿等强度悬臂梁的轴线贴附在其下表面，并通过传输光纤与耦合 器连接；同时外壳留有进压口。所述传感器光栅是光纤Bragg光栅，中心波长为1549. 22nm， 3dB带宽为0. 21nm。 所述等强度悬臂梁是厚度为0. 5mm的碳纤维材料。 所述传感器光栅通过环氧树脂胶黏剂沿等强度悬臂梁的轴线贴附在其下表面。 所述进压口正对传感器光栅，二者间设有间隔。 所述线性斜边滤波器是基于滤光片结构的CWDM，其输入端和耦合器的反射端连 接，输出端和解调电路连接。所述线性斜边滤波器斜边中心为1550nm，边带斜率为10dB/nm。 所述光源为ASE宽带光源。 所述耦合器为基于单模光纤的2X2熔融拉椎型耦合器，分光比为50/50。[0015] 本实用新型提供一种新型光纤传声器，传声探头由等强度梁、传感器光栅和外壳 组成，等强度悬臂梁为声压敏感元件，其一端固定在外壳上，另一端处于自由状态。光纤光 栅作为传感元件，沿等强度悬臂梁的轴线贴在其下表面。外壳为绝缘树脂材料，上表面留有 进压口 ，使声压能够作用在悬臂梁上。 本实用新型利用空气中声压对光栅作用产生的弹光效应和弹性效应对光栅的反 射波长进行调制设计了光纤光栅传声器，宽带光源发出的光经耦合器进入传感器光栅，等 强度悬臂梁在声压作用下发生弯曲变形，引起传感器光栅中心波长的变化，携带声音信号 的反射光经耦合器和线性斜边滤波器进入光电探测器，传感器光栅中心波长发生变化时， 进入探测器的光强也会发生变化。解调电路对光电探测器的电信号进行放大和滤波，即可 获得声音信号的强度和频率，最终经扬声器即可将声音信号还原。 由以上技术方案可以看出，本实用新型基于全光信号设计，传声探头没有电子器 件，因此具有良好的防水性能，不存在电火花隐患，并且抗电磁干扰。同时，本实用新型便于 组网，并且可以组成准分布式阵列。 本发明具有以下特点和优势 (1)本实用新型结构简单，制作工艺简单，传感元件为普通光纤Bragg光栅，关键 制作步骤将传感器光栅粘贴在沿等强度梁轴线下表面，并使传感器光栅受力均匀即可。
(2)本实用新型除了光源电路和解调电路，其他部分均不需电信号，实现了光信号 和电信号的分离，可保证生产安全。 (3)本实用新型价格低廉，所实用的器件均为常见的光学器件，生产工艺成熟，价 格较低。

图1为本实用新型光纤光栅声传感器结构示意图； 图2为本实用新型光纤光栅声传感器检测的声音信号激励时域图； 图3为本实用新型光纤光栅声传感器检测的声音信号激励频域图。 其中，l.传声探头，2.外壳，3.进压口，4.等强度悬臂梁，5.传感器光栅，6.传输
光纤，7.光源，8.耦合器，9.线性斜边滤波器，IO.解调电路，ll.扬声器。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。 光纤光栅声传感器。为了详细介绍本实用新型，将结合附图对具体实施方案做详 细介绍 如图1所示的结构示意图，本实用新型所述的光纤光栅声传感器包括传声探头1、 光源7、耦合器8、线性斜边滤波器9、解调电路10和扬声器11。传声探头l由等强度悬臂 梁4、传感器光栅5和外壳2组成。等强度悬臂梁4 一端固定在外壳2上，另一端处于自由 状态，传感器光栅5沿等强度悬臂梁4的轴线贴在其下表面，并通过传输光纤6与耦合器8 连接，同时外壳留有进压口 3。本实用新型的光路连接为光源7和耦合器8的输入端连接， 耦合器8的输出端和传声探头1连接，耦合器8的反射端口和线性斜边滤波器9的输入端 连接，线性斜边滤波器9的输出端直接和光电探测器连接，解调电路IO输出端口直接和扬声器11连接。 当本实用新型周围有声音信号时，声压信号通过外壳2上的进压口 3进入传声探 头，作用才等强度悬臂梁4上。等强度悬臂梁4随声压发生弯曲变形，变形的强度和频率与 声压信号的强度和频率有关。等强度悬臂梁4引起粘贴在其上的传感器光栅5栅格周期的 变化，进而引起中心波长的变化。传感器光栅5的反射光携带声音信号传播到线性斜边滤 波器9，将波长信号转化成光强信号。解调电路10的光电探测器将探测到的光强信号转变 成电信号，经放大处理，最终由扬声器11将声音信号还原。 本实用新型的具体制作过程为首先，将碳纤维材料制成等强度悬臂梁4，并对其 特性进行分析；然后，将传感器光栅5沿等强度悬臂梁4轴线方向粘贴在其下表面，粘贴时 要保证传感器光栅5和等强度悬臂梁4紧密结合，同时要保证传感器光栅5受力均匀；然 后，将粘贴传感器光栅5的等强度悬臂梁4固定在传感器外壳2上，并保证等强度悬臂梁4 和外壳2留有进压口 3的一面平行；然后，对传声探头1除进压口 3以外的部位进行密封处 理；最后将光源7、耦合器8、线性斜边滤波器9和解调电路10封装在一起。 为了实现本实用新型的目的，首先分别进行了 300Hz和4KHz单频信号测试实验。 分别设定信号源是频率为300Hz、4KHz的正弦信号，检测该传声器在人说话声音频率范围 内的单频响应特性。本实用新型输出的波形具有良好的信噪比。这说明本实用新型是一个 灵敏度高的实验模型，并且具有一般性。随后，检测本实用新型的声音信号的频率响应特 性，该声传感器在0 4kHz的频率范围内具有非常好的频率响应，可以无失真地传递声音 信号。 在实际工程中，将传声探头1安置在煤矿井下或者油田生产现场，该实用新型的 其他部件均放置在控制室中，通过光缆传送光源信号并返回携带声音信号的传感器光栅5 的反射谱。因此该声传感器现场部分不需电信号，可以有效保证生产安全。
权利要求一种光纤光栅声传感器，它包括传声探头，传声探头通过耦合器与光源连接，同时耦合器还与线性斜边滤波器连接，线性斜边滤波器与解调电路连接，解调电路与扬声器连接，其特征是，所述传声探头包括外壳、悬臂梁和光纤光栅，等强度悬臂梁一端固定在外壳上，另一端为自由状态，传感器光栅沿等强度悬臂梁的轴线贴附在其下表面，并通过传输光纤与耦合器连接；同时外壳留有进压口。
2. 如权利要求l所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述传感器光栅是光纤Bragg光 栅，中心波长为1549. 22nm， 3dB带宽为0. 21nm。
3. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述等强度悬臂梁是厚度为 0. 5mm的碳纤维材料。
4. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述传感器光栅通过环氧树脂 胶黏剂沿等强度悬臂梁的轴线贴附在其下表面。
5. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述进压口正对传感器光栅，二 者间设有间隔。
6. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述线性斜边滤波器是基于滤 光片结构的CWDM，其输入端和耦合器的反射端连接，输出端和解调电路连接。
7. 如权利要求1或6所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述线性斜边滤波器斜边中 心为1550nm，边带斜率为10dB/nm。
8. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述光源为ASE宽带光源。
9. 如权利要求1所述的光纤光栅声传感器，其特征是，所述耦合器为基于单模光纤的 2X2熔融拉椎型耦合器，分光比为50/50。
专利摘要本实用新型公开了一种光纤光栅声传感器。它将声振动信号转换成调制的光学信号，并通过光纤传输，再将调制的光信号解调成电信号的装置，具有反应速度快，解调范围大，解调精度高，系统工艺简单，成本低，使用方便等优点。其传声探头通过耦合器与光源连接，同时耦合器还与线性斜边滤波器连接，线性斜边滤波器与解调电路连接，解调电路与扬声器连接。所述传声探头主要包括外壳、悬臂梁和光纤光栅，等强度悬臂梁一段固定在外壳上，另一端为自由状态，传感器光栅沿等强度悬臂梁的轴线贴附在其下表面，并通过传输光纤与耦合器连接；同时外壳留有进压口。
文档编号G01H9/00GK201464025SQ20092002924
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者姜明顺, 曹玉强, 王静, 隋青美 申请人:山东大学