一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器制造技术

一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，属于光纤传感领域。针对现有声传感器灵敏度受到最低压力检测极限的限制,导致传感器灵敏度低的问题，本发明专利技术公开的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，包括石英毛细管、单模光纤、螺旋形超材料。石英毛细管的两侧与单模光纤通过熔接连接,形成单模光纤

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器


[0001]本专利技术涉及一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，属于光纤传感领域。

技术介绍

[0002]近年来，伴随着声传感技术的迅猛发展，声传感器在越来越多的领域得到了应用。声传感器以其独特的优势，如体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、可远距离实时在线监测等，已成功应用于医疗诊断、环境监测、航空航天以及大型结构的健康监测等领域。随着声传感器的应用领域不断扩展，对其传感性能提出了更高的要求，尤其是在一些微弱信号检测领域，需要声传感器具有更高的灵敏度来检测微弱信号。但声传感器不可避免的会受到外界噪声的影响，尤其在水下环境中，流体噪声会直接影响其传感的灵敏度。如何从复杂的噪声中提取微弱信号是光纤传感领域的关键技术。目前研究中，提高声传感器的灵敏度一方面受到实际制备工艺的限制，另一方面受到最低压力检测极限的限制。因此需研制一套高灵敏度、高集成化的声传感系统，突破最小压力检测极限，提高传感器的信噪比，实现微弱信号检测。
[0003]超材料的出现引起了研究人员的广泛关注，因其本质为人工结构复合材料，具有独特物理性质。通过设计超材料结构可以实现对电磁波、弹性波等波动场进行人为操控。超材料因此具有较宽泛的研究范围，目前超材料在实现声学隐身、声波负折射、超衍射极限成像、电磁黑洞等方面具有突出优势。它的奇异性能也为高灵敏度光纤传感的设计提供新的思路和研究方向。在光纤传感中当检测信号为声信号时，有效设计超材料结构实现对声波的调控，将有利于提高提高光纤传感系统的灵敏度。

技术实现思路

[0004]针对现有声传感器灵敏度受到最低压力检测极限的限制,导致传感器灵敏度低的问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，采用一种基于超材料的螺旋结构，使光纤声传感器在相同的频率下具有更大的放大倍数，更高的灵敏度，实现对微弱信号的检测。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，将螺旋形超材料置于空心光纤的外部，通过改变螺旋形超材料的螺旋长度、螺旋级数和连接方式，能够确定需要的波长范围。在此波长范围内，螺旋形超材料进口处不反射、出口处不透射，使传感器具备更好的吸声效果，提高传感器的灵敏度，实现微弱信号检测。
[0007]本专利技术公开的一种灵敏度增强的光纤声传感器包括石英毛细管、单模光纤、螺旋形超材料。石英毛细管的两侧与单模光纤通过熔接连接,形成单模光纤
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石英毛细管
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单模光纤结构；螺旋形超材料环绕于单模光纤
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石英毛细管
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单模光纤外侧。
[0008]所述石英毛细管由空心芯和环包层组成。由于空心芯的折射率小于包层的折射率，空心芯在环包层中振荡并辐射。当所传输光源的波长不能满足谐振腔的谐振条件(反谐
振波长)时，所传输的光源作为导芯模式被限制在空心芯中，该谐振腔能很好地反射导光。相反，当波长满足谐振条件(谐振波长)时，导光不能被法布里
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珀罗谐振腔反射而漏出包层，石英毛细管和包层、包层和涂覆层构成双层的法布里
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珀罗谐振腔，在石英毛细管处实现光的反谐振传输。
[0009]所述单模光纤拼接于石英毛细管的两端。
[0010]所述的螺旋形超材料为嵌套的三维空间盘绕结构，用于增强传感器灵敏度，不同螺旋长度、螺旋级数的螺旋形超材料置于单模光纤
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石英毛细管
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单模光纤的外部。能够确定一个波长范围，其中所有或大部分的声波在入口进入单位没有反射，同时出口处不透射，传感器达到良好的吸声效果，提高传感器的灵敏度，能够实现微弱信号的检测。
[0011]工作方式：
[0012]声波从左侧入射，经过螺旋形超材料在接口处根据频率的不同发生反射或折射。
[0013]根据广义斯涅尔反射定律
[0014][0015]其中θ
r
是入射角，θ
i
为反射角，为非线性相位函数，y表示是螺旋路径的切向,n
i
表示为超表面材料的折射率。
[0016]在三维螺旋结构中，界面有径向和切向两个方向。声波相位只在切向方向有非线性变化。对于具有设计参数的结构，相位梯度是能够确定的。结合
[0017][0018]其中k
e
是有效波数，Z
out
是输出阻抗，Z
in
是输入阻抗，H是螺旋单元的厚度，ρ
e
是有效质量密度，c
e
管内流体的声速。通过改变螺旋形超材料的螺旋长度、螺旋级数，能够确定需要的波长范围。在这个波长范围内，所有或大部分的声波在入口进入单位没有反射，同时出口处不透射，使传感器达到良好的吸声效果，提高传感器的灵敏度，实现微弱信号的检测。
[0019]有益效果
[0020]1、本专利技术公开的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，通过改变螺旋形超材料的螺旋长度、螺旋级数，能够改变传感器检测的频率范围，此频率范围内的声波在传感器进口处不反射同时在出口处不透射，使传感器具备更好的吸声效果，能够提高传感器的灵敏度，实现微弱信号的检测。
附图说明
[0021]图1为石英毛细管示意图；
[0022]图2为所述传感器工作原理示意图；
[0023]图3为本专利技术公开的一种灵敏度增强的光纤声传感器结构示意图；
[0024]其中1
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石英毛细管、2
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单模光纤、3
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螺旋形超材料；
[0025]图4为螺旋结构超表面结构示意图；
[0026]其中图(a)为实物图、图(b)为结构示意图；
[0027]图5为螺旋结构超表面声压图谱；
[0028]图6为螺旋结构超表面的放大倍数；
[0029]图7为传感器在螺旋结构超表面内不同位置的影响；
[0030]图8螺旋长度L对传感器的影响；
[0031]其中图8(a)为螺旋长度为455mm时的吸声系数曲线、图(b)为螺旋长度为399mm时的吸声系数曲线、图(c)为螺旋长度为366mm时的吸声系数曲线、图(d)为螺旋长度为336mm时的吸声系数曲线；
[0032]图9螺旋单元数对传感器的影响；
[0033]其中图(a)为螺旋阶数为六时的吸声系数曲线、图(b)为螺旋阶数为四时的吸声系数曲线、图(c)为螺旋阶数为二时的吸声系数曲线；
具体实施方式
[0034]下面将结合附图和实施例对本专利技术加以详细说明。同时也叙述了本专利技术技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。
[0035]在水下传播时，超声具有很好的方向性，传播速度快且距离远，并且衰减比较小。在空气中，超声的衰减比较大，传播距离很近，因此以往的超声技术大多局限在水下应用当探测水中传播的超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，其特征在于：包括石英毛细管、单模光纤、螺旋形超材料；石英毛细管的两侧与单模光纤通过熔接连接,形成单模光纤
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石英毛细管
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单模光纤结构；螺旋形超材料环绕于单模光纤
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石英毛细管
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单模光纤外侧。2.如权利要求1所述的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，其特征在于：所述石英毛细管由空心芯和环包层组成；由于空心芯的折射率小于包层的折射率，空心芯在环包层中振荡并辐射；当所传输光源的波长不能满足谐振腔的谐振条件时，所传输的光源作为导芯模式被限制在空心芯中，该谐振腔能很好地反射导光；相反，当波长满足谐振条件时，导光不能被法布里
‑
珀罗谐振腔反射而漏出包层，石英毛细管和包层、包层和涂覆层构成双层的法布里
‑
珀罗谐振腔，在石英毛细管处实现光的反谐振传输。3.如权利要求2所述的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，其特征在于：所述单模光纤拼接于石英毛细管的两端。4.如权利要求3所述的一种基于螺旋形超材料的光纤声传感器，其特征在于：所述的螺旋形超材料为嵌套的三维空间盘绕结构，用于增强传感器灵敏度，不同螺旋长度、螺旋级数的螺旋形超材料置于单模光纤
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石英毛细管

【专利技术属性】
技术研发人员：高然，忻向军，王思含，张文全，武瑞德，黄鑫，闫景浩，董泽，李欣颖，胡善亭，郭栋，常欢，李志沛，潘晓龙，朱磊，周思彤，
申请(专利权)人：江苏雅泰歌思通讯技术有限公司北京理工大学，
类型：发明
国别省市：