一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器

本发明涉及光纤传感。

背景技术：

1、传统膜片式光纤声压传感器在结构上存在一些问题，主要集中在以下几个方面：

2、法布里-珀罗干涉型结构的问题：目前常见的膜片式光纤声压传感器主要采用法布里-珀罗干涉型结构。在这种结构中，光纤端面与膜片内表面组成法布里-珀罗腔，属于反射型干涉器件，涉及到光纤端面与膜片的多次反射，会引起较多的光损失。

3、光路中距离控制的困难：传统结构中，光纤准直器同膜片之间的自由空间光路布局存在难以控制的问题。这使得光路中的距离不易精确调整，进而导致迈克尔逊干涉仪的两条光路间光程差的一致性无法得到有效保证，从而影响传感器的精准度和稳定性。

4、综上所述，传统的膜片式光纤声压传感器在结构设计和性能方面存在一些不足之处，需要一种新型结构以克服这些问题，提高传感器的灵敏度、稳定性和设计灵活度。在先前的技术中，如“fiber-optic michelson interferometric acoustic sensor based ona pp/pet diaphragm基于pp/pet膜片的光纤迈克尔逊干涉声传感器”和2015年06月10日公开的专利文献：cn104697624a，公开了一种基于迈克尔逊干涉仪的声波探测器，该声波探测器利用设置于声波探测传感头的薄膜两面的反射光形成迈克尔逊干涉仪，声压作用于薄膜引起迈克尔逊干涉仪的一个臂光程增加而另一个臂光程减小，通过增大迈克尔逊干涉仪两个臂之间的光程差，提高声波探测器的灵敏度。虽然取得了一定的进展。然而，距离控制问题仍然存在，需要更好的解决方案来提高传感器性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决传统膜片式光纤声压传感器在灵敏度和分辨率较低、光损失较大、结构较复杂等方面存在的问题而提供一种新型分光路结构的非本征型光纤迈克尔逊干涉仪声压传感器。可以使它在测量微小声音变化更具优势，具有较宽的频率响应范围，减少反射与透射的光损失、便于灵活设计光学路径。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，所述传感器包括分光部分与干涉部分；

4、所述分光部分用于将入射光分成两路光线，并发送给干涉部分；

5、所述干涉部分用于将一路光线发射给膜片上的增反膜，增反膜将入射光反射后与另一路光线产生干涉效应。

6、进一步，还有一种优选实施例，上述分光部分采用单模光纤和长周期光纤光栅(lpfg)实现；

7、所述干涉部分采用膜片、增反膜和增透膜实现；

8、光线进入所述单模光纤，单模光纤将入射光发射所述长周期光纤光栅(lpfg)，长周期光纤光栅(lpfg)将光线分为包层模和纤芯模，形成两路光线；

9、包层模光线经单模光纤底部的增反膜反射回包层，透射出单模光纤的纤芯模光线通过增透膜射入膜片上的增反膜上，所述膜片上的增反膜将入射光反射后再经过增透膜与包层模光线发生干涉效应。

10、进一步地，还有一种优选实施例，上述传感器还包括毛细玻璃管和石英支撑层；

11、所述膜片的两端上设置有石英支撑层；

12、所述毛细玻璃管分别设置在石英支撑层的内侧两端；

13、所述单模光纤插入所述毛细玻璃管中。

14、进一步，还有一种优选实施例，上述毛细玻璃管的直径为1.8mm。

15、进一步，还有一种优选实施例，上述长周期光纤光栅(lpfg)会在输入纤芯模和包层模之间产生耦合。

16、进一步，还有一种优选实施例，上述分光部分还可以采用多模光纤和细芯光纤实现；

17、所述干涉部分还可以采用第二单模光纤、膜片、增反膜和增透膜实现；

18、光线进入所述多模光纤，多模光纤将入射光发射给细芯光纤，所述细芯光纤将入射光分成纤芯模光线和包层模光线，形成两路光线；

19、所述包层模光线射入第二单模光纤末端的增反膜中被反射；

20、纤芯模光线通过增透膜射入膜片上的增反膜上，增反膜将入射光反射后再经过增透膜与被反射的包层模光线在熔接点处耦合，形成干涉。

21、进一步，还有一种优选实施例，上述细芯光纤采用纤芯直径最小的细芯光纤实现。

22、进一步，还有一种优选实施例，上述第二单模光纤采用纤芯直径小于多模光纤纤芯直径的单模光纤实现。

23、进一步地，还有一种优选实施例，上述传感器还包括毛细玻璃管和石英支撑层；

24、所述膜片的两端上设置有石英支撑层；

25、所述毛细玻璃管分别设置在石英支撑层的内侧两端；

26、所述多模光纤插入毛细玻璃管中。

27、本发明还提供上述任意一项实施例所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器的使用方法，所述使用方法为：

28、s1、将增反膜固定在膜片上，并在膜片的两端固定石英支撑层；

29、s2、将毛细玻璃管分别设置在石英支撑层的内侧两端；

30、s3、将分光部分插入毛细玻璃管中；

31、s4、光线进入时，分光部分将入射光分成两路光线，干涉部分将两路光线产生干涉效应。

32、本发明的有益效果为：

33、1、传统膜片式光纤声压传感器采用法布里-珀罗干涉型结构，但是这种结构是通过光纤端面与膜片内表面组成法布里-珀罗腔，属于反射型干涉器件，涉及到光纤端面与膜片的多次反射，因此会引起较多的光损失。本发明提供的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，通过采用分光部分和干涉部分组成透射型传感器，不涉及光学镜面，因此可以减少反射和透射之间的光损失，有助于提高透过率。

34、2、传统f-p中，干涉光是光纤端面和膜片组成的，光纤端面反射率通常较低，只有4％，而光从光纤端面传输到膜片时，为了保证干涉效果，光纤端面和膜片之间的间距通常是百微米量级，导致光的传输损耗较大，从而限制了传感器测量性能的提升。本发明可以把光纤放到离膜片很近的位置，可以降低光在光纤中传输的损耗

35、3、本发明提供的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，具有尺寸小、结构紧凑、制作成本低；并且非本征型干涉仪的光路设计较为灵活，传感器的结构设计也更为灵活的优势。

36、本发明适用于声波探测中的光纤传感技术领域。

技术特征：

1.一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述传感器包括分光部分与干涉部分；

2.根据权利要求1所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述分光部分采用单模光纤(1)和长周期光纤光栅(4)实现；

3.根据权利要求2所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述传感器还包括毛细玻璃管(2)和石英支撑层(3)；

4.根据权利要求3所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述毛细玻璃管(2)的直径为1.8mm。

5.根据权利要求3所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述长周期光纤光栅(4)会在输入纤芯模和包层模之间产生耦合。

6.根据权利要求1所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述分光部分还可以采用多模光纤(10)和细芯光纤(40)实现；

7.根据权利要求6所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述细芯光纤(40)采用纤芯直径最小的细芯光纤实现。

8.根据权利要求6所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述第二单模光纤(50)采用纤芯直径小于多模光纤(10)纤芯直径的单模光纤实现。

9.根据权利要求6所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，其特征在于，所述传感器还包括毛细玻璃管(2)和石英支撑层(3)；

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的一种基于纤内马赫-曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器的使用方法，其特征在于，所述方法为：

技术总结一种基于纤内马赫‑曾德尔干涉仪的非本征光纤迈克尔逊声压传感器，涉及光纤传感技术领域。解决传统膜片式光纤声压传感器在灵敏度和分辨率较低、光损失较大、结构较复杂等方面存在的问题。所述传感器包括分光部分与干涉部分；所述分光部分用于将入射光分成两路光线，并发送给干涉部分；所述干涉部分用于将一路光线发射给膜片上的增反膜，增反膜将入射光反射后与另一路光线产生干涉效应。本发明适用于声波探测中的光纤传感技术领域。技术研发人员：刘彬,汪向洋,邵志强,郝高琰,方杰,丁柔受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23