一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器

本发明涉及声波探测，具体为一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器。

背景技术：

1、声波是由物体的振动在介质中传播形成，传播的形式分为两种类型，当声波传播过程中，介质质点振动方向与声传播方向一致时，称为纵波；介质质点振动方向与声传播方向垂直时，称为横波。

2、因为横波和纵波传播特性不一样，因此相应传感器测量的检测机理也不一样。纵波探测器主要是通过传感薄膜感应纵波声压的变化，从而引起传感薄膜发生形变，再将膜片形变量转换为电信号；横波探测器主要是通过质量块或悬臂梁结构来感应横波加速度变化，从而导致悬臂梁所受应变或者质量块发生位移，再将悬臂梁应变或者质量块的位移转换为电信号。

3、现有技术中电子式声波传感技术相对成熟，但仍存在一些不足，如电缆负载、连接电缆的共振效应、低频噪音大，稳定性、可靠性较差；信号易受外界复杂环境电磁干扰、低频测量阻抗匹配难度大等问题；横波传感器与纵波传感器是分离、集成性差、灵敏度偏低、体积大，不能满足一些特殊应用环境的需求。如管道泄露时，管内流体与管壁相互作用，会发出沿管道内传播的纵波信号和沿着管壁传输的横波信号，因此可以通过检测泄露声波方式实时监控管道泄露情况。在老管道内安装传感器难度高，因此要求传感器集成度要高、体积要小、灵敏度还要高，而现有探测器横、纵传感器是分离的，一般只安装纵波探测器，降低探测的精度。声波探测还可用于石油、天然气等资源勘探，地震、泥石流等自然预警以及船舶、飞机等噪声监测。可通过横、纵波联合探测的方式可有效提高相应领域的测量精度，所以研发横波和纵波同时探测的高灵敏度声波传感很有必要。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，具体包括：

2、传感单元，与环形器相连，用于同时探测横波和纵波，传感单元包括：

3、支撑板；

4、空心偏心光纤，其一端穿过支撑板并与支撑板固定在一起，另一端插入空心玻璃毛细管中构成悬臂梁结构；

5、光纤光栅，刻于空心偏心光纤固定端的一侧；

6、长周期光栅，刻于空心偏心光纤固定端的另一侧；

7、传感薄膜，粘贴于空心玻璃毛细管的端面；

8、保护壳，固定在支撑板上，用于保护内部传感结构；

9、透声孔，开设于保护壳一侧带，外部纵波声信号通过透声孔作用在传感薄膜上；

10、其中，传感单元中空心偏心光纤为悬臂梁，空心玻璃毛细管为质量块，两者共同组成悬臂梁结构，用于横波探测；传感单元中空心偏心光纤的端面与传感薄膜组成法布里珀罗干涉仪，用于纵波探测。

11、进一步的，本发明提供的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，还包括：

12、波分复用器，其第一输入端口和第二输入端口分别与第一光源和第二光源的输出端连接；

13、环形器，其第一输入端口与波分复用器的输出端口相连，其第一输出端口与传感单元中的空心偏心光纤相连；

14、解波分复用器，其输入端口与环形器的第二输出端口相连，其第一输出端口和第二输出端口分别与第一光电探测器和第二光电探测器相连；

15、其中，波分复用器将不同波长的激光耦合至同一光纤中，环形器将传感单元的反射光定向传输至解波分复用器，解波分复用器将第一光源和第二光源发出的光分离开来，解波分复用器的第一输出端口输出第一光源对应波长的光，解波分复用器的第二输出端口输出第二光源对应波长的光，第一光电探测器和第二光电探测器分别将两路光信号转换为电信号，第一光电探测器输出横波信号，第二光电探测器输出纵波信号。

16、进一步的，空心偏心光纤与空心玻璃毛细管构成悬臂梁结构，用于探测横波信号；

17、空心偏心光纤的端面与传感薄膜构成法布里珀罗腔，用于探测纵波信号。

18、进一步的，光纤光栅用于感知悬臂梁应变变换，并将第一光源的部分光反射至解波分复用器用横波信号解调；

19、长周期光栅将第一光源进光纤光栅透射出的光耦合至包层中损耗掉，隔绝纵波信号对横波探测的干扰。

20、进一步的，空心偏心光纤作为悬臂梁结构，光纤横截面积小，且纤芯靠近光纤外表面，感应横波信号时，应变灵敏度高于普通单模光纤一个数量级，有利于横波探测；

21、空心偏心光纤的纤芯正对着传感薄膜中心位置，传感薄膜感应纵波信号时，中心位置灵敏度最大。

22、进一步的，空心玻璃毛细管壁厚为30～100μm，既作为悬臂梁的质量块，又用于固定传感薄膜。

23、进一步的，第一光源的中心波长位于波分复用器的第一输入端口对应带宽内；

24、第二光源的中心波长位于波分复用器的第二输入端口对应带宽内；

25、第一光源的中心波长与长周期光栅中心波长一致，且位于光纤光栅反射谱斜边中间区域，确保传感器具有高横波探测灵敏度。

26、进一步的，波分复用器与解波分复用器性能参数一致。

27、进一步的，环形器第一输出端口与空心偏心光纤连接采用对芯熔接，降低系统插损。

28、进一步的，第一光电探测器探测范围包含第一光源发出的光波；

29、第二光电探测器探测范围包含第二光源发出的光波。

30、与现有技术相比，本发明提供了一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其有益效果是：

31、(1)本发明通过传感单元可同时感应横波和纵波信号，通过空心偏心光纤与空心玻璃毛细管构成的悬臂梁结构将横波信号转为光纤光栅的应变变化，通过空心偏心光纤端面与传感薄膜构成的法布里珀罗腔感应纵波信号；

32、(2)本发明的传感单元具有很高的横波探测灵敏度，采用空心偏心光纤作为悬臂梁，光纤的横截面积大大减小，同时纤芯靠近光纤外面，更容易感知因横波信号造成的悬臂梁根部应变变化；

33、(3)本发明的传感单元具有很高的纵波探测灵敏度，采用的传感薄膜的材料不受限制，可通过减小传感薄膜厚度的方式，显著提高传感器的纵波探测灵敏度；

34、(4)本发明的传感单元不包含任何电器件，外部横、纵波调制的是光信号，抗电磁干扰能力强，可用于遥感和易燃易爆等应用环境。

35、(5)本发明的传感器通过波分复用器和解波分复用器以及光纤光栅和长周期光纤的选波特性，可实现横波和纵波信号同时功率解调，相互之间串扰几乎为0，解调精度高，信噪比高于50db。

技术特征：

1.一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于，还包括：

3.如权利要求1所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

4.如权利要求2所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

5.如权利要求1所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

6.如权利要求1所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

7.如权利要求2所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

8.如权利要求2所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

9.如权利要求2所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

10.如权利要求2所述的一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种同时探测横波和纵波的光纤声波传感器，涉及声波探测技术领域。本发明中，第一光源和第二光源通过波分复用器耦合至同一光纤中，然后通过环形器传输至传感单元；传感单元将接收到的横波和纵波信号分别调制到第一光源和第二光源所对应的光信号上；被调制的反射光信号通过环形器传输至解波分复用器；解波分复用器将第一光源和第二光源所对应的光信号分离开；分离后第一光源所对应的光信号与横波信号一一对应；分离后第二光源所对应的光信号与纵波信号一一对应；两路信号分别经过第一光电探测器和第二光电探测器后，光信号转为电信号完成横波和纵波信号的解调。

技术研发人员：刘理,廖振鑫,毛莉莉,漆世锴
受保护的技术使用者：九江学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15