基于uwDAS的二次增敏式光纤麦克风

本发明涉及声学传感领域，具体涉及一种基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风。

背景技术：

1、基于超弱光纤布拉格光栅(ultra weak fiber bragg grating,uwfbg)的分布式声波传感(distributed acoustic sensing,das)系统(uwdas)是利用菲索干涉原理来感测声波引起的相位变化，进而还原出声波信息，具有无源、抗电磁干扰、大容量等特点，而且单根光纤可复用光栅的数量高达上万个，可实现多节点的分布式数据采集，被广泛应用于管道泄漏监测、声源识别、机器故障诊断等领域。

2、在声波的作用下，光纤产生形变从而导致光纤中相位的变化，但由于光纤自身的高杨氏模量使其对声波直接探测时的灵敏度较低，这大大限制了其在某些领域中的应用。因此，增敏是提升其检测性能和准确性的关键步骤，通常将传感光纤缠绕在增敏结构上以提高光纤对声波的响应能力，且增敏结构可根据检测对象合理设计，这使得光纤麦克风的应用具有高度的可定制性和灵活性。

3、在实际应用中，如皮带机的故障检测，利用光纤麦克风多点监测可以全面获取皮带机运行时的声波信号，通过分析声波信号的变化，及时发现潜在的问题，如异常摩擦、轴承故障、皮带撕裂等，可以显著提升故障诊断和维护的效率。常见光纤麦克风的传感光纤通常裸露在外面，容易受到机械损伤和灰尘等环境污染物的影响，可能会导致性能下降或故障。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，通过该光纤麦克风可以实现对声波信号高灵敏度和高精度的检测。

2、本发明采取的技术方案为：

3、基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风,包括：芯轴、外壳、传感光纤；

4、传感光纤紧密缠绕在芯轴中间，构成第一次增敏的光纤麦克风组件；

5、芯轴固定在外壳内，构成第二次增敏的光纤麦克风。

6、所述光纤麦克风由光纤麦克风组件固定于外壳底部中央构成。

7、所述芯轴为杨氏模量较低的空心圆筒，作为声敏感材料在声波作用下产生形变。

8、一根光纤能够复用多个uwfbg，且相邻两个uwfbg之间的光纤为为一个独立的传感单元，则能够在一根光纤上构建多个光纤麦克风形成光纤麦克风阵列，光纤麦克风阵列中不同的光纤麦克风能够同时对不同的声波信号进行高灵敏度探测，实现多节点的声波信号采集。

9、所述传感光纤以一定预应力紧密缠绕在芯轴中间，构成芯轴结构的的光纤麦克风组件，实现第一次增敏。

10、所述外壳高度和芯轴长度等长，外壳包括壳盖、壳身，在壳身侧面开设拾音孔、光纤引出孔，光纤引出孔用于引出传感光纤。

11、基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的声音信号检测方法，声波穿过拾音孔直接作用于芯轴，经过外壳反射后作用于芯轴，使芯轴发生形变从而带动传感光纤轴向长度变化，引起光纤中光脉冲的相位变化，从而实现对声音信号的检测。

12、基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的制作方法，基于刻有uwfbg的光纤制作而成，在一根光纤上构建多个光纤麦克风形成光纤麦克风阵列，光纤麦克风阵列中不同的光纤麦克风能够同时对不同的声波信号进行高灵敏度探测，实现多节点的声波信号采集。

13、基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的测试系统，包括uwdas解调模块、电脑、音频信号发生器、声压计、裸纤环；光纤麦克风组件与用于对比的裸纤环为一根光纤上的不同栅点，即为两个独立的传感单元；在测试时，将待测对象放在平坦的减震海绵上，并一起放入吸音箱中，以减小外界振动和回音的干扰；将光纤麦克风组件与uwdas解调模块连接，uwdas解调模块连接电脑，用于实时显示测试信号；电脑驱动音频信号发生器，产生所需的声波信号，并使声波沿光纤麦克风组件径向入射，声压计放置在与光纤麦克风组件同等声压的地方，用于进行声压灵敏度标定测试。

14、本发明一种基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，技术效果如下：

15、1)本发明光纤麦克风，采用芯轴加外壳的增敏结构，将传感光纤紧密缠绕于芯轴上，由于芯轴材料较低的杨氏模量，使其在声波作用下产生较大形变，从而带动光纤形变实现第一次增敏。此外，外壳对声波的有效反射在一定程度上增强芯轴接收到的声波信号，进一步提高了光纤麦克风的声压灵敏度，实现第二次增敏。

16、2)本发明光纤麦克风的外壳除了对光纤麦克风的声压灵敏度有贡献，还为内部的芯轴结构提供坚固的物理屏障，避免在实际工作时受到机械损伤和灰尘等环境污染物的影响，保障光纤麦克风性能的稳定，同时便于固定和安装，适用于多种环境。

17、3)相较于单独的芯轴结构，本发明提出的芯轴加外壳结构由于外壳对芯轴的约束作用，一定程度上提高了光纤麦克风结构的谐振频率，扩大了光纤麦克风的工作带宽。

18、4)本发明基于刻有uwfbg的光纤制作而成，由于单根光纤可复用多个光栅且两个相邻uwfbg之间的传感光纤视为一个独立的传感单元，从而可以在一根光纤上构建多个独立的光纤麦克风，实现多节点的声波信号采集。

19、5)本发明的结构具有普遍意义，适用于多种场景中的声波检测和分析，比如皮带机的故障检测、人类语音信号的检测和识别等。根据不同的灵敏度、工作带宽等测试需求，基于本发明提出的芯轴加外壳结构，秉持芯轴材料的杨氏模量较低以及外壳有一定的支撑作用且可有效反射声波的原则，可适当改变芯轴和外壳的材料、尺寸等参数，有着广泛的应用场景。

20、6)本发明基于uwdas的光纤麦克风二次增敏结构设计，有高灵敏度、高信噪比、高保真度以及良好的线性度、重复性和迟滞性等特点。

技术特征：

1.基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：包括：芯轴(1)、外壳(2)、传感光纤(3)；传感光纤(3)紧密缠绕在芯轴(1)中间，构成第一次增敏的光纤麦克风组件(5)；芯轴(1)固定在外壳(2)内，构成第二次增敏的光纤麦克风(4)。

2.根据权利要求1所述基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：所述光纤麦克风(4)由光纤麦克风组件(5)固定于外壳(2)底部中央构成。

3.根据权利要求1所述基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：所述芯轴(1)为杨氏模量较低的空心圆筒，作为声敏感材料在声波作用下产生形变。

4.根据权利要求1所述基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：一根光纤能够复用多个uwfbg，且相邻两个uwfbg之间的光纤为一个独立的传感单元，则能够在一根光纤上构建多个光纤麦克风(4)形成光纤麦克风阵列(25)，光纤麦克风阵列(25)

5.根据权利要求1所述基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：所述传感光纤(3)以一定预应力紧密缠绕在芯轴(1)中间，构成芯轴结构的的光纤麦克风组件(5)，实现第一次增敏。

6.根据权利要求1所述基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风，其特征在于：所述外壳(2)高度和芯轴(1)长度等长，外壳(2)包括壳盖(6)、壳身(7)，在壳身(7)侧面开设拾音孔(8)、光纤引出孔(9)，光纤引出孔(9)用于引出传感光纤(3)。

7.如权利要求1～6任意一项基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的声音信号检测方法，其特征在于：声波穿过拾音孔(8)直接作用于芯轴(1)，经过外壳(2)反射后作用于芯轴(1)，使芯轴(1)发生形变从而带动传感光纤(3)轴向长度变化，引起光纤中光脉冲的相位变化，从而实现对声音信号的检测。

8.如权利要求1～6任意一项基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的制作方法，其特征在于：基于刻有uwfbg的光纤制作而成，在一根光纤上构建多个光纤麦克风(4)形成光纤麦克风阵列(25)，光纤麦克风阵列(25)中不同的光纤麦克风(4)能够同时对不同的声波信号进行高灵敏度探测，实现多节点的声波信号采集。

9.如权利要求1～6任意一项基于uwdas的二次增敏式光纤麦克风的测试系统，其特征在于：包括uwdas解调模块(10)、电脑(11)、音频信号发生器(12)、声压计(13)、裸纤环(15)；

技术总结基于uwDAS的二次增敏式光纤麦克风,包括：芯轴、外壳、传感光纤；传感光纤紧密缠绕在芯轴中间，构成第一次增敏的光纤麦克风组件；芯轴固定在外壳内，构成第二次增敏的光纤麦克风。所述光纤麦克风由光纤麦克风组件固定于外壳底部中央构成。本发明基于刻有uwFBG的光纤制作而成，由于单根光纤可复用多个光栅且两个相邻uwFBG之间的传感光纤视为一个独立的传感单元，从而可以在一根光纤上构建多个独立的光纤麦克风，实现多节点的声波信号采集。通过该光纤麦克风可以实现对声波信号高灵敏度和高精度的检测。技术研发人员：冉昌艳,张萌萌,罗志会,徐冰,黄江楼,曾曙光受保护的技术使用者：三峡大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18