一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲波探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波探測(cè)可以用于健康監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、地質(zhì)勘探等，人們對(duì)于聲波探測(cè)儀器多有研宄，最常用的聲波探測(cè)器是電容式麥克風(fēng)，由膜片、極板、前腔、后腔等部分組成，其中膜片和極板構(gòu)成一個(gè)平板電容，稱為單電容式；單電容式傳聲器具有靈敏度高、體積小、輸出信號(hào)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是它防潮性差，機(jī)械強(qiáng)度低，抗電磁干擾能力弱。
[0003]基于光纖聲學(xué)傳感技術(shù)的測(cè)聲設(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)用等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)有的基于聲學(xué)傳感的測(cè)聲設(shè)備有法布里-珀羅干涉儀、邁克爾遜干涉儀、馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x等。法布里-珀羅干涉儀一般在薄膜和光纖端面形成，膜的種類多種多樣，可以是硅膜、銀膜、鋁膜、石墨烯膜等，具有體積小、穩(wěn)定好的特點(diǎn)，但其薄膜制造工藝復(fù)雜、檢測(cè)的聲壓動(dòng)態(tài)范圍有限；邁克爾遜干涉儀和馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x一般是將其一條臂作為參考臂，另一條臂作為傳感臂，光纖傳感臂成線圈的形式粘貼在薄膜或者彈性圓柱體上，這種聲學(xué)傳感器靈敏度高，測(cè)量聲壓動(dòng)態(tài)范圍大，制作工藝簡(jiǎn)單，但是所需要的傳感光纖很長(zhǎng)，導(dǎo)致其偏振態(tài)、折射率等易受干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果，穩(wěn)定性差。相應(yīng)的，在相關(guān)領(lǐng)域存在對(duì)聲波探測(cè)器的穩(wěn)定性及靈敏度方面做出進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，其目的在于，利用設(shè)置于聲波探測(cè)傳感頭的薄膜兩面的反射光形成邁克爾遜干涉儀，聲壓作用于薄膜引起邁克爾遜干涉儀的一個(gè)臂光程增加而另一個(gè)臂光程減小，通過(guò)增大邁克爾遜干涉儀兩個(gè)臂之間的光程差，提高聲波探測(cè)器的靈敏度。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，包括聲波探測(cè)傳感頭、光電轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)采集分析單元和窄帶光源；
[0006]其中，聲波探測(cè)傳感頭包括固定支架、薄膜、第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、偏振控制器、光纖耦合器和環(huán)形器；
[0007]固定支架包括第一部分和第二部分；兩部分結(jié)構(gòu)相同，均為圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)部設(shè)有起支撐作用的肋條；所述薄膜兩個(gè)面的光反射率相同，附著于第一部分與第二部分的結(jié)合處；固定支架的中空通道形成了薄膜與外界空氣的交換通道，薄膜由此接收到聲波的振蕩變化；
[0008]第一光纖準(zhǔn)直器安裝于固定支架第一部分的肋條上，端面與薄膜平行，端面中心對(duì)準(zhǔn)薄膜一面的中心；第二光纖準(zhǔn)直器安裝于固定支架第二部分的肋條上，端面與薄膜平行，端面中心對(duì)準(zhǔn)薄膜另一面的中心；
[0009]偏振控制器的第一端連接第一光纖準(zhǔn)直器的光接口端，第二端連接光纖耦合器的第四端；
[0010]光纖耦合器的第六端連接第二光纖準(zhǔn)直器的光接口端、第二端連接環(huán)形器的第二端；
[0011]其中，光纖耦合器的第一端作為聲波探測(cè)傳感頭的第一輸出端、第三端作為聲波探測(cè)傳感頭的第三輸出端；環(huán)形器的第三端作為聲波探測(cè)傳感頭的第二輸出端、第一端作為聲波探測(cè)傳感頭的輸入端；聲波探測(cè)傳感頭的輸入端與窄帶光源的輸出端通過(guò)單模光纖連接；
[0012]其中，光電轉(zhuǎn)換單元的第一輸入端連接聲波探測(cè)傳感頭的第一輸出端、第二輸入端連接聲波探測(cè)傳感頭的第二輸出端、第三輸入端連接聲波探測(cè)傳感頭的第三輸出端；該單元用于將聲波探測(cè)器傳感頭輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0013]其中，數(shù)據(jù)采集分析單元第一輸入端連接光電轉(zhuǎn)換單元的第一輸出端，第二輸入端連接光電轉(zhuǎn)換單元的第二輸出端，第三輸入端連接光電轉(zhuǎn)換單元的第三輸出端；該單元根據(jù)采集到的電信號(hào)，解調(diào)出聲波探測(cè)傳感頭探測(cè)到的聲波信號(hào)的頻率和聲壓。
[0014]優(yōu)選的，光纖耦合器采用3 X 3光纖耦合器，分光比為1:1:1 ;分光比為1:1:1 ;第一端口與二端口之間、第二端口與第三端口之間，第一端口與第三端口之間的相位差均為120度；第四端口與第五端口之間、第五端口與第六端口之間、第四端口與第六端口之間的相位差均為120度；相關(guān)端口之間的相位差在120度時(shí)，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)穩(wěn)定性最好、失真度最小。
[0015]優(yōu)選的，第一光纖長(zhǎng)度LI與第二光纖長(zhǎng)度L2的取值范圍為0.1m?5m，LI與L2的長(zhǎng)度差小于Icm;其中，第一光纖是指用于連接光纖耦合器第四端與第一光纖準(zhǔn)直器的光纖，第二光纖是指用于連接光纖耦合器第六端與第二光纖準(zhǔn)直器的光纖；只有當(dāng)光源的相干長(zhǎng)度不小于邁克爾遜干涉儀兩條臂的光程差時(shí)，干涉儀才能發(fā)生干涉現(xiàn)象；因此當(dāng)LI與L2的長(zhǎng)度差約等于邁克爾遜干涉儀的光程差，小于Icm時(shí)，現(xiàn)有的大部分窄帶光源都能滿足相干長(zhǎng)度的需求，由此窄帶光源的選擇范圍更廣。
[0016]優(yōu)選的，薄膜的光反射率大于光纖準(zhǔn)直器端面的光反射率，差值在10%以上；光纖準(zhǔn)直器端面的光反射率越小，且與薄膜光反射率的差值越大，光纖準(zhǔn)直器端面的反射光對(duì)傳感頭的影響越小。
[0017]優(yōu)選的，薄膜采用圓薄膜，直徑為Imm?20mm，厚度為Ium?50um 方面，由于薄膜直徑越小靈敏度越低且傳感器制作工藝越復(fù)雜，直徑小于Imm的薄膜在工藝上無(wú)法采用粘貼的方式固定在固定支架上；而另一方面，直徑大于20mm時(shí)，光纖準(zhǔn)直器的端面的中心很難對(duì)準(zhǔn)薄膜中心；對(duì)于薄膜厚度而言，一方面，薄膜厚度越小，傳感器靈敏度大，當(dāng)厚度大于50um時(shí)，傳感器將不能響應(yīng)聲波；另一方面，當(dāng)厚度小于lum，薄膜制作成本將大大提高，因此在Ium?50um范圍內(nèi)取值兼顧了傳感器靈敏度和成本；薄膜可以采用塑料薄膜、鋁質(zhì)薄膜、銅質(zhì)薄膜或銀質(zhì)薄膜。
[0018]優(yōu)選的，光纖準(zhǔn)直器的端面與薄膜的距離為1um?10um ;光纖準(zhǔn)直器端面與圓薄膜之間的距離保持在該范圍內(nèi)，以減小光纖的發(fā)散角，保證光平行地照射到圓薄膜。
[0019]優(yōu)選的，環(huán)形器的3個(gè)端口的光相位差為零。
[0020]優(yōu)選的，起支撐作用的肋條呈十字型，端部與圓筒側(cè)壁抵接，肋條交叉部位設(shè)有沿圓筒軸向的通孔，光纖準(zhǔn)直器平行固定于通孔內(nèi)；肋條的下底面與圓筒的下底面保持高度差；其中，肋條下底面是指靠近薄膜附著面的底面，圓筒的下底面是指圓筒的薄膜附著面。
[0021]優(yōu)選的，起支撐作用的肋條的下底面與固定支架的薄膜附著端的距離d大于500um ;由于直徑為I?20mm、厚度為I?50um的薄膜的中心形變小于500um，因此d取值大于500um，以預(yù)留薄膜的形變空間，避免對(duì)其對(duì)薄膜形變的影響。
[0022]優(yōu)選的，光電轉(zhuǎn)換單元包括三個(gè)光電探頭，第一光電探頭的輸入端作為光電轉(zhuǎn)換單元的第一輸入端，第二光電探頭的輸入端作為光電轉(zhuǎn)換單元的第二輸入端，第三光電探頭的輸入端作為光電轉(zhuǎn)換單元的第三輸入端；通過(guò)光電探頭采集聲波探測(cè)傳感頭送來(lái)的光信號(hào)。
[0023]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0024](I)本發(fā)明提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，通過(guò)聲波探測(cè)傳感頭將探測(cè)到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳播，相比現(xiàn)有技術(shù)里電容式或壓電式的聲波探測(cè)器而言，具有傳播損耗小，易于長(zhǎng)距離傳輸，便于復(fù)用的特點(diǎn)，尤其具有抗電磁干擾能力強(qiáng)的特占.V，
[0025](2)本發(fā)明提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，聲壓作用于薄膜，通過(guò)光纖準(zhǔn)直器感應(yīng)薄膜兩個(gè)面的形變距離，無(wú)需將光纖粘貼在薄膜上；而現(xiàn)有技術(shù)的邁克爾遜干涉式聲波探測(cè)器，需要將一段很長(zhǎng)的光纖呈線圈的形式粘貼在較大的薄膜上，通過(guò)薄膜形變來(lái)拉伸或者壓縮光纖，相比較而言，本發(fā)明減小了聲波探測(cè)器的尺寸；
[0026](3)本發(fā)明提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，聲波探測(cè)傳感頭利用薄膜兩個(gè)面的反射光形成邁克爾遜干涉儀；聲壓作用于薄膜時(shí)，薄膜發(fā)生形變，導(dǎo)致邁克爾遜干涉儀的一個(gè)臂光程增加而另一個(gè)臂光程減小，兩個(gè)臂之間的光程差比薄膜形變的大小大一倍，相比于現(xiàn)有技術(shù)的法布里-珀羅干涉式聲波探測(cè)器而言，換能效率提高了一倍，探測(cè)靈敏度提高了一倍；
[0027](4)本發(fā)明提供的基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，相比現(xiàn)有技術(shù)的電容式或壓電式聲波探測(cè)器而言，傳感頭體積小，具有成本低廉的特點(diǎn)，適于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器系統(tǒng)框圖；
[0029]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器的聲波探測(cè)傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ] 圖4是實(shí)施例1的固定支架示意圖。
[0032]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中，I為窄帶光源、22為環(huán)形器、23為3X3光纖耦合器、24為偏振控制器、25為第一光纖準(zhǔn)直器、26為第二光纖準(zhǔn)直器、28為薄膜、27為固定支架、32為第一光電探頭，30為第二光電探頭，31為第三光電探頭，4為數(shù)據(jù)采集分析單元，13為固定支架第一部分，14為空氣交換通道，15為肋條通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0034]本發(fā)明提供的一種基于邁克爾遜干涉儀的聲波探測(cè)器，如圖1所示的，包括窄帶光源1、光電轉(zhuǎn)換單元3、數(shù)據(jù)采集分析單元4和聲波探測(cè)傳感頭2。其中，聲波探測(cè)傳感頭包括固定支架、薄膜、第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、偏振控制器、光纖耦合器和環(huán)形器；窄帶光源輸出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光纖耦合器，經(jīng)過(guò)兩個(gè)光纖準(zhǔn)直器之后分別到達(dá)薄膜兩面，再被薄膜反射回來(lái)形成邁克爾遜干涉儀；當(dāng)聲波作用于聲波探測(cè)傳感頭的薄膜使之振蕩，導(dǎo)致干涉儀光程差發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光相位變化，捕捉該光相位差，由此將探測(cè)到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)；光電轉(zhuǎn)換單元將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集分析單元根據(jù)采集到該電信號(hào)，通過(guò)解調(diào)光的相位變化獲取聲信號(hào)的頻率和聲壓。
[0035]其中，薄膜可以采用塑料薄膜、鋁質(zhì)薄膜、銅質(zhì)薄