CN109100008B - 一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声传感器，具体是一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的声传感器，包括封闭腔体，放在封闭腔体正上方的多个薄膜，位于封闭腔体内部的直波导和环形谐振腔。多个薄膜用于隔离外界环境，传导声波，形成封闭腔体，使得声波引起封闭腔体内气体体积发生变化，从而引起气体密度的变化，进而引起腔内气体折射率的改变。而封闭腔体内的气体是作为波导耦合谐振腔结构的包层存在，波导耦合谐振腔结构在包层密度发生变化时，其谐振频率会发生飘移，以此来检测外部声波。该传感器由于使用波导耦合谐振腔结构，以声波致腔内全反射的气体介质折射率的变化为检测原理，其声探测频带宽、灵敏度高，适用于水下声信号的检测、工业环境中的过程控制和医疗诊断等领域。

Description

一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度 声传感器

技术领域

本发明涉及声传感器，具体为一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器。

背景技术

声传感器是能够感受声波并转换成可用输出信号的传感器。传统的声传感器主要以薄膜或压电材料为敏感结构，通过机械振动来采集声信号，这种声传感器受运动部件的影响，频带只集中在运动部件的共振频率处，使得传感器的频带较窄；基于可移动部件的检测原理，本征的检测灵敏度不高，而且，传统的结构还易受外界环境的影响易产生较严重的噪声，信噪比较低，传感器的灵敏度低。

随着新一代工业技术及信息技术的发展，对声信号检测频域上的带宽及其灵敏度都提出了更高的要求，超宽频带高灵敏度声信号测试技术是探测、成像、侦察等测试装备的发展需求。超宽频带高灵敏度声传感器件，可以获取更多的信息，实现更加精准、快速的目标识别、分析和参数设定，在军民应用领域都有着广阔的市场前景。因此，基于新原理、新方法的超宽频带、高灵敏度声传感器成为了重要发展方向。

基于声波-光信号转换原理的声信号测试技术，相比传统的基于各种声传感器件的声信号测试技术，具有优异的抗电磁干扰、宽的频带响应范围、高灵敏度、长寿命、高可靠性、结构简单等优异性能，适用于极其恶劣的工业环境。

基于光纤应力应变的声传感测试技术，其声阻抗匹配差，频带和灵敏度都较低，随后发展出了膜片振动式声传感测试技术，其仍存在因机械部件振动所带来的频带窄、灵敏度低的问题；探索超宽频带高灵敏度光声传感器技术，通过检测声波致介质密度的变化而引起光强（相位）的变化来实现声信号的探测，可避免因敏感部件机械共振限制的频带，同时声压改变介质折射率的光学检测方法可大幅度提高灵敏度。

声波的声压能影响介质密度，即改变介质折射率，进而影响光在介质中的速度，载有声调制信息的光信号，通过光的干涉可以检测瞬时的声压变化，实现纯光学的声探测。这种声传感器件允许在没有机械运动部件的情况下直接测量声压，可以消除因机械特性（机械敏感性干扰、固有的有限频率带宽、非线性）引起的传感器失真，相比于目前最先进的光纤振膜声学传感器，纯光学传感器具有十倍的频率响应范围，因此，纯光学声传感器件可以在更宽的频带内实现更平坦的频率响应，同时具有更高的探测灵敏度。由此，传统的“声—机械—压（光）—电”的声传感模式，转变成“声—介质密度—光—电”的声信号传感新模式。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有声传感器存在的频带窄、灵敏度不高的问题，提供一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器，包括窄线宽可调谐激光器、光隔离器、电光调制器、封闭腔体、在封闭腔体正上方用于透声的多个封装薄膜、位于封闭腔体内部的直波导和环形谐振腔耦合结构、用于光反射介质的封装在封闭腔体内的气体、光电探测器、信号调制解调模块、低通滤波器模块和比例积分微分反馈控制模块，窄线宽可调谐激光器、光隔离器、电光调制器依次连接，由电光调制器输出的光波与直波导甩出封闭腔体的一端光纤相连，直波导甩出封闭腔体的另一端光纤输出光波与光电探测器相连，实现光电转换，再由光电探测器的输出与信号调制解调模块、低通滤波器模块、比例积分微分反馈控制模块依次相连，比例积分微分反馈控制模块与窄线宽可调谐激光器调谐端相连，形成一闭合环路，信号调制解调模块与电光调制器相连，用以产生调制信号用于驱动电光调制器，实现对传输光波的调制，信号调制解调模块输出声信号。

该宽频带、高灵敏度声传感器的工作原理如下：

1）封闭腔体的上部采用多个封装薄膜进行封装，用于隔绝外界环境、传导声波，其中，采用多个薄膜封装，可以把每个封装薄膜直径减小，厚度增加，提高声波的探测频带，同时，多个薄膜封装，可以实现声波对腔内气体均匀施压，提高声波检测灵敏度。

2）声敏感单元由封闭腔体、多个封装薄膜、直波导、环形谐振腔、光全反射介质气体组成。其中，光从直波导的一端输入，以倏逝场的形式耦合进入环形谐振腔，在封装气体全反射下，实现光沿环形谐振腔表面以倏逝场的形式传输，当外界声波信号透过封装薄膜作用在腔内气体介质时，声波振动压缩或稀释封闭腔体内的气体，进而改变气体密度，导致气体折射率变化，倏逝场通过介质密度受声波振动引起的折射率变化而变化，表现为光学微腔谐振频率的漂移，引起光在环形谐振腔内的谐振传输模式变化，通过检测谐振频率的漂移，实现外部声信号的传感。在此过程中，声子作用于气体分子进而产生声光耦合作用，相较于传统的通过敏感单元的机械形变进行声波的检测的原理具有更宽的响应频带和灵敏度。

3）用于驱动电光调制器的调制波形产生和同步解调功能由信号调制解调模块来实现，用于将激光器频率稳定锁定到环形谐振腔谐振频率点的功能由信号调制解调模块输出信号经低通滤波器、比例积分微分控制模块来实现，这些技术为现有公知技术，本领域的技术人员很容易实现，因此在本说明书中未做详细说明。

本发明创造性地将多个薄膜封装、封闭腔体、波导谐振腔耦合结构结合起来，通过光在谐振腔表面倏逝场传播光束，受外界声波作用引起全反射介质气体折射率变化，而引起谐振频率的漂移，来提取声信号，是宽频带、高灵敏度声传感器领域的创新。

上述的一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器，环形谐振腔的折射率大于包围它的用于光全反射介质的气体折射率，能够使得光在环形谐振腔内传输时形成全反射。

本发明具有的显著进步如下：

1、以气体为全反射介质的环形波导腔，沿腔传输的倏逝场光波受气体密度变化引起谐振频率漂移，实现声波信号的传感。

2、倏逝场谐振模式的敏感特性，实现了声波信号的高灵敏度探测。

3、采用多个薄膜封装，相比传统膜式声传感器的单个薄膜作用，多个薄膜封装可以将每个薄膜直径减小，厚度增加，实现声压均匀地施加在腔内气体上，保证灵敏度的不失真前提下，提高探测带宽。

4、将多个薄膜封装、封闭腔体、波导谐振腔耦合结构结合起来，在保证声传感器的宽频带、高灵敏度探测条件下，可提高器件的环境适应能力。

附图说明

图1是本发明原理方框图。

图2是声敏感单元模块图。

图3是多薄膜封装示意俯视图。

图4为波导耦合谐振腔结构的本征谐振图。

图5为波导耦合谐振腔结构受外界声波信号影响谐振峰偏移图。

图中：1-窄线宽可调谐激光器，2-光隔离器，3-电光调制器，4-薄膜，5-封闭腔体，6-直波导，7-气体，8-环形谐振腔，9-光电探测器，10-信号调制解调模块，11-低通滤波器模块，12-比例积分微分反馈控制模块。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。

如图1所示，一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器，包括窄线宽可调谐激光器1、光隔离器2、电光调制器3、封闭腔体5、在封闭腔体正上方用于透声的多个封装薄膜4、位于封闭腔体内部的直波导6和环形谐振腔8耦合结构、用于光全反射介质的封装气体7、光电探测器9、信号调制解调模块10、低通滤波器模块11、比例积分微分反馈控制模块12。窄线宽可调谐激光器1、光隔离器2、电光调制器3依次连接，由电光调制器3输出的光波与直波导6甩出封闭腔体5的一端光纤相连，直波导6甩出封闭腔体5的另一端光纤输出光波与光电探测器9相连，实现光电转换，再由光电探测器9的输出与信号调制解调模块10、低通滤波器模块11、比例积分微分反馈控制模块12依次相连，最后，比例积分微分反馈控制模块12与窄线宽可调谐激光器1调谐端相连，形成一闭合环路。其中，信号调制解调模块10与电光调制器3相连，用以产生调制信号用于驱动电光调制器3，实现对传输光波的调制，信号调制解调模块10输出声信号。

声敏感单元由封闭腔体5、多个封装薄膜4、直波导6、环形谐振腔8、光全反射介质气体7组成。封闭腔体5的顶板上开有若干封装开孔，每个封装开孔封装上薄膜4。环形谐振腔8的折射率大于包围它的用于光全反射介质的气体7折射率，能够使得光在环形谐振腔8内传输时形成全反射。封闭腔体的上部采用多个封装薄膜4进行封装，用于隔绝外界环境、传导声波，其中，采用多个薄膜封装，可以把每个封装薄膜直径减小，厚度增加，提高声波的探测频带，同时，多薄膜封装，可以实现声波对腔内气体均匀施压，提高声波检测灵敏度。这是相对传统单一膜片式振动传感器的创新。

光从直波导6的一端输入，以倏逝场的形式耦合进入环形谐振腔8，在封装气体7全反射下，实现光在环形谐振腔8传输，当外界声波信号透过封装薄膜4作用在腔内气体介质7时，声波振动压缩或稀释封闭腔体内的气体7，进而改变气体密度，导致气体折射率变化，引起光在环形谐振腔8内的谐振传输模式变化，实现外部声信号的传感。

本发明创造性地将多个薄膜封装、封闭腔体、波导谐振腔耦合结构结合起来，通过光在谐振腔表面倏逝场传播光束，受外界声波作用引起全反射介质气体折射率变化，而引起谐振频率的漂移，来提取声信号，本发明是纯光学的声传感器件，可以在更宽的频带内实现更平坦的频率响应，同时具有更高的探测灵敏度不仅可以实现宽频带、高灵敏度的声波探测，还可以提高器件的环境适应能力。相比传统的“声—机械—压（光）—电”的声传感模式，本发明是“声—介质密度—光—电”的声信号传感新模式。

Claims (2)

1.一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器，其特征在于：包括窄线宽可调谐激光器（1）、光隔离器（2）、电光调制器（3）、封闭腔体（5）、在封闭腔体正上方用于透声的多个封装薄膜（4）、位于封闭腔体内部的直波导（6）和环形谐振腔（8）耦合结构、用于光全反射介质的封装在封闭腔体（5）内的气体（7）、光电探测器（9）、信号调制解调模块（10）、低通滤波器模块（11）和比例积分微分反馈控制模块（12），窄线宽可调谐激光器（1）、光隔离器（2）、电光调制器（3）依次连接，由电光调制器（3）输出的光波与直波导（6）甩出封闭腔体（5）的一端光纤相连，直波导（6）甩出封闭腔体（5）的另一端光纤输出光波与光电探测器（9）相连，实现光电转换，再由光电探测器（9）的输出与信号调制解调模块（10）、低通滤波器模块（11）、比例积分微分反馈控制模块（12）依次相连，比例积分微分反馈控制模块（12）与窄线宽可调谐激光器（1）调谐端相连，形成一闭合环路，信号调制解调模块（10）与电光调制器（3）相连，用以产生调制信号用于驱动电光调制器（3），实现对传输光波的调制，信号调制解调模块（10）输出声信号。

2.根据权利要求1所述的一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器，其特征在于：环形谐振腔（8）的折射率大于包围它的用于光全反射介质的气体（7）折射率，能够使得光在环形谐振腔（8）内传输时形成全反射。

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