基于光纤法珀干涉的新一代高灵敏度声音传感器

20231130

制造业

应用领域一：高灵敏度干涉型光纤声传感可应用于军事领域，用于探测空中的“低空、慢速、小体积”军事目标的探测。 1.干涉型光纤声传感器高灵敏度特性能够有效提升基于声传感器的军事装备的关键性能指标，例如，对于空气声探测装备，在本底噪声一样的情况下，灵敏度提高一倍，理论上对应的探测距离就提高一倍，具有良好的应用前景。对远距离语音拾取也有同样的效果。 2. 高灵敏度干涉型光纤声传感抗电磁干扰特性使装备能够在复杂电磁环境下工作，即使是电磁压制，也能够正常工作，这是目前装备使用的声传感器完全不具备的。 3. 高灵敏度干涉型光纤声传感传输损耗低使装备使用安装更灵活。利用光纤传输损耗低的特点，可以实现有线超远距离的应用，这为抗电磁干扰特性提供了技术支撑，这也是现有基于电声原理的声传感器不具备的。 应用领域二：有大气行星声探测应用/远距离声音拾取 2021年2月，美国公布了“毅力号”火星车首次传回火星上的声音，让人类首次听到地外星球的声音。据悉，“毅力号”火星车采用的是MEMS声传感器。在火星复杂的大气环境和复杂的空间环境条件下，采用高灵敏度干涉型光纤声传感器将能更好的适应探测任务，因为： 1．光纤声传感器的探头是一个纯结构件，不含任何电子元器件，适应复杂环境能力强，耐腐蚀、抗宇宙辐射等； 2. 干涉型光纤声传感器灵敏度高，有可能采集到更细微的声音。 应用领三：工业应用领域 在工业应用领域，声学检测是一种常用的段，然而目前在不少行业中，声学检测是依靠人耳来完成的。 1.旋转机械状态检测 目前在火力发电厂中，对关键核心的发电机组，装备有昂贵的进口在线状态监测系统，而大量其他生产设备是没有安装状态监测系统的。为了安全生产，电厂有一套巡检制度，即每天上午固定的时间段，由专门的巡检小组将所有数百台设备逐一检测一遍，在检测过程中，会使用一些便携式设备，检测振动信号检测仪器，另外还有一样传统检测工具——听针，对可能有异常的设备用耳朵听一听。 目前国内外在线监测系统主要都是基于振动的测量，对于故障的预警都是基于机械设备的振动信号。然而，振动信号对于初期故障不敏感，而且振动信号会受机械本身其他部件振动以及周围机械振动的干扰。 在故障的萌芽阶段，机械设备在运行过程中很难出现明显的振动变化，而机械内部的轴承在运动过程中会产生声信号（称为轴承特征声信号），它反映的是机械内部的运行状况，这个声信号对早期的故障很敏感。事实上，在目前电厂的巡检过程中，仍然普遍使用听针直接听轴承特征声信号来识别早期故障这一原始但可靠的方法。 然而，由于机械内部的轴承磨擦作用通常都比较小，因此轴承特征声信号的强度比较小，传统的基于电声换能原理的声传感器由于其灵敏度不高，很难拾取，如驻极体声传感器的灵敏度一般约为50mV/Pa。 2.继电器质量检测 继电器是各种带有自动控制设备，如空调、冰箱等设备中广泛使用的一种元器件，它在通过工作时，会发声噪声，噪声的大小是判定产品是否合格的重要标准。然而，目前在继电器行业，这一判断是由人耳来完成的。 继电器通电后产生的声音强度较小，通过实验发现，对于这种较弱的声音，传统的驻极体声传感器（目前性能最好的声传感器）很难有效的拾取，而高灵敏度干涉型光纤声传感器可以有效的拾取。 由以上分析可知，在工业应用领域，高灵敏度干涉型光纤声传感器有广泛的应用前景。

可国（境）内外转让

基于光纤法珀干涉的新一代高灵敏度声音传感器

北京市昌平区人民政府

成果为通过十年多时间研制的高灵敏度干涉型光纤声传感器，它采用先进的高灵敏光学干涉传感方法，具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输损耗小、模拟信号输出等突出优点，目前完成了具有实用化能力的样机。 高灵敏度干涉型光纤声传感器采用光纤法珀干涉结构，其原理结构如图1所示，包括敏感声波的振膜和光纤，其中振膜的反光面和光纤端面组成光纤法珀腔。在该结构中，从光纤导入的入射光，在光纤端面会发生反射，形成反射光I1，从光纤端面透射的光经振膜反光面反射，并耦合入光纤，形成反射光I2。该结构敏感声波的原理是：声波作用于振膜后，引起振膜做受迫振动，该振动会引起光纤法珀腔长度发生变化，即使I1和I2的相位差发变化，从而调制输出的干涉信号；通过对干涉信号的解调，得到相位变化，即得到声波信号。基于该原理的光纤声传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输损耗小、结构简单等优点。 图1基于光纤法珀结构的干涉型光纤声传感器的原理结构图 基于上述原理研制的高灵敏度干涉型光纤声传感器系统组成框图如图2所示，它由光纤法珀腔探头和光电信号处理模块组成，其中光电信号处理模块包含光纤环形器、激光器、光电探测器组成的光纤光路，以及激光驱动电路和信号调理电路。