光纤麦克风传感探头设计研究

光纤麦克风传感探头的设计研究

2OO4年l2月传感技术学报第4期

DesignandResearchontheSensingProbeofFiber—opticMicrophone
XUHai-ying,JIANGYong-liang,WANGLi,LIUYing,GAOJie,WUZong-han’f,1.加ofPhysics,Southeastu~imuy,,咖210096,Ch/na;1
l2.Shergb~nHornElectroacousticTechnologyCompanyLtd.Shenzhen518109,Ch/na;l3.Jia~suXingshunElectronicCo.,.,XinghuaJiangsu225700,Ch/na
Abstract:Anovelreflectivefiber—
opticmicrophoneispresented.ItUSeSthestructureofYtypereflecti
vemuhimode
fibersensingprobe.Also,wegiveamathematicsmodelbasedonthetheoreticalresearchofthefiber-optic
sensing
probe,fromwhichwegetacalculativeformulaofthereceivingopticalintensity,andanalyzetheopticalin
tensityrood—
ulationproperty.Besideswedesignastructuralschemeofthefther-
opticmicrophonesystemfromthethe
oryandexper—
iment.

Keywords:fiber—opticmicrophone;fiber—
opticsensingprobewithsingletubeandmanymembranes;reflectingandopticalintensitymodulating;coupler

光纤麦克风传感探头的设计研究
徐海英,蒋永梁,王丽,刘英,高杰,吴宗汉
『,1.东南大学物理系,南京210096;,
l2.深圳市豪恩电声科技有限公司,深圳518109;I
3.江苏兴顺电子有限公司,兴化江苏2257OOO)
摘要:提出了一种新型反射式光纤麦克风的理论设计,首次采用了Y形单根多模反射式光纤
传感探头结构的形
式,并在对光纤传感探头的理论研究基础上建立数学模型,给出了接收光纤接收光强的计算
公式以及光强调制的
理论曲线.另外,从理论和实验两个方面设计了实验型光纤麦克风并给出系统设计的整体结
构框图.

关键词:光纤麦克风;单根多模光纤传感探头;反射式光强调制;耦合器
中图分类号:TB51;TB57文献标识码:A文章编号:1004—1699{2004}04—0716—04最近,对于在声场中的光纤传感器的研究,林
晓艳等?】人在1999年用双光纤探头形式,对光强
调制特性以及动态工作区的灵敏度作了理论和实
验分析,验证了光纤麦克风方案实现的可行性;张
奕林等l2在2002年探讨过光纤压力传感器探头的
设计及计算,利用平膜片实现压力与位移的转换,
探头设计中采用的是两光纤呈一定角度的方案,给
出了探头的最大承压;袁明也对光纤压力传感器

进行设计研究,并给出设计实例.

本文中主要采用了Y形单根多模反射式光纤
传感探头结构的形式,对光纤传感器放在声场中
(即压力)中的光纤传声器(光纤麦克风)进行研究.
采用反射式光强调制形式,可以避免透射式光强调
制方式因探头结构复杂导致的振膜的响应速度不
够快的问题,从而提高了光纤麦克风的灵敏度,以

提高其性能.

收稿日期:2004-05.28
作者简介:徐海英(1979一),女,硕士研究生,主要从事凝聚态物理研究,hyxu@126.?

第4期徐海英,蒋永粱等:光纤麦克风传感探头的设计研究7171光纤麦克风工作原理
1)光纤麦克风的工作模式
光纤麦克风是建立在反射式强度型光纤传感
器基础上的,它的基本结构是由光源,光纤传感探
头和作为光电转换元件的光接收器所组成.其工
作原理是选用发光二极管作为光源通过光纤入射
到有金属涂层的振动膜上,当声音信号使振膜振动
时入射光被振膜振动调制后反射出去.接收光纤
接收反射光,解调后则可以还原成声讯号.

2)光纤麦克风系统的整体框图
基于光纤麦克风的工作原理,我们给出了整个
系统的基本框图,如图1所示.

亩

场
弹性膜片
图1强度反射式光纤麦克风系统的整体框图
由于框图中各元件对整个系统的正常工作有很重
要的作用,因而我们对相关仪器的选用要求也是很
严格的.下面给出说明.

?光源
发光二极管LED是低速,短距离光波系统中
常用的光源.它所发的光是非相干光,具有较宽的
频谱(30—60nln)和较大的发射角.与半导体激光
二极管LD相比,结构简单,价格低廉.故选用它

作光源.

?光电探测器
光探测器是一种光电信息转换器件,在光纤系
统中,光探测器的作用是将光纤传来的光信号功率
转换为电信号电流.PN光电二极管的响应时间只
能达到10,s,对于光纤系统的光探测器,一般要求
响应时间小于10一s,因而为了提高响应速度,降
低扩散的影响,实验设计中我们采用PIN光电二极
管作为光接收器.

?光纤耦合器
光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器
件,一般是对同一波长的光功率进行分路或合路.
光波系统中多膜光纤做成的耦合器,通常由两种结

构形式,一种是拼接式,另一种是熔融拉锥式,我们
采用的是Y形熔融拉锥式的1×2耦合器.

?光源驱动电路
光源在光路中的作用如同电源在电路中的作
用,光源的稳定准确度在很大程度上决定了光纤传
感器的准确度,因此为保证光源的恒亮度和低噪
声,在其驱动电路的设计中采用恒亮度控制电路和
噪声抑制电路.

?光纤
在光路总体设计中,使用标准的62.5/125tan
多模石英光纤作为光路的传输介质,它与光源的耦
合效率较高.

?系统结构框图其它元件仪器说明
本系统采用的振动膜要求厚度很薄,质量轻,
低频响应能力较好.考虑到反射膜测压范围变化
较小,而波纹膜片特别适合于大压力和小压力的测
量中.因而我们可行性实验选用波纹膜片.另外,
在实验过程中,我们可以通过更换不同膜片的方法
来进行多次测量,从而确定最佳状态时膜片的厚

度.

在反射膜外镀金属的选用上,考虑到外镀金属
要求反射率越高越好.我们采用材料金或银.

2光纤传感探头的设计
虽然反射式光纤麦克风的工作原理很直观,易

理解,但准确的理论分析却难以作出,而且光纤传
感探头的选择对整个系统的工作尤其重要.我们
深入研究了其工作特点,从传感探头人手建立了精
确的理论模型.下面我们就对强度型反射式光纤
麦克风传感探头的结构进行设计并对它的调制特
性理论进行分析.

1)光纤传感探头的结构设计
光纤传感探头是光纤麦克风设计的关键.光
纤传感探头由探测器和传感两部分组成,也即由入
射光纤和出射光纤两部分组成.一般反射式光纤
传感探头有光纤束,单光纤和双光纤型.形成这诸
多形式的一个重要原因是为了寻求这种强度型光
纤传感器的光路补偿.以减少测量误差,但是考虑
到光纤束型不便于信号的远距离传输,双光纤型实
验操作起来难于实现两光纤完全对称性,所以我们
首次采用Y形单根多模反射式光纤传感探头结构
的形式,既增加接收光通量,又易于实现实验操作.

这种探头的基本原理如图2所示.它是建立
在双光纤理论基础上,由光源发出的光,耦合进传
718传感技术学报2OO4控

光束的一个分叉端B之后,由端面A上的接收光
纤接收,所接收到的光功率信号的强度与传光束端
面至膜片的距离有关,也即与膜片与声压强弱(声
压下膜片的变形)有关.经由膜片所调制了的反射

光功率信号,又经同一根光纤反射回来.传输至分
叉端C,耦合至光接收器,获得与声压有关的输出
信号.用这种特殊结构的传感探头来制作光纤麦
克风,它将感受声音讯号,并把它传送给传感器的
振膜和反射片上,反射膜随声讯号产生不同的倾
斜,改变光纤端面和反射膜之间的距离,也就改变
了进人接收光纤的光功率.由于反射膜的振动随
声音讯号改变,由其反射而进入接收光纤的光功率
变化反映了声音讯号的强弱,反射光纤中的光信号
经光电探测器转化为电信号,再经放大器放大,信
号处理器滤波,整形,最后在显示器上显示电压.

发射光纤
图2测量原理示意图
2)探头理论模型
反射式传感探头的坐标分析系统如图3所示.

在分析过程中,采用等效分析法.首先,画出接收
光纤关于反射体的镜像.然后利用投射分析法,直
接计算出该镜像接收光纤在发送光纤纤端光场中
所接收到的光强值.最后,将该光强值乘以反射体
的反射率R,作为实际系统的等效结果.

图3反射式传感探头的坐标分析系统
对于多模光纤来说,其纤端出射光场的场强分

布如文献一所述:
,

(,Y,z)
aoaotant~Ll+Sz,,j
2+V2
1
.expL一-_严
式中:(,y,z)为纤端光场中位置(,y,z)处的
光通量密度,,0为由光源耦合人发射光纤中的光
强,为一表征光纤折射率分布的相关参数,对于
阶跃折射率光纤,=l,a.为光纤芯半径,为与
光源种类及光源跟光纤耦合情况相关的调制参数,
为光纤的最大出射角.如果将同种光纤置于发
送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时.所接收
到的光强可表示为:

,(,Y,z)=ll(,Y,z)ds
=
J.Ito…p[铬
式中:?(z)=o’a0[1+(z/a0)tanO~],这里S为
接收面,即纤芯面.

在纤端出射光场的远场区,为简便计,可用接
收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上
的平均光强,在这种近似下,得到在接收光纤终端
所探测到的光强公式为: