专利名称：半导体激光自混合次声波检测装置及检测方法
技术领域：
本发明属于次声波检测领域，尤其是涉及一种采用激光自混合干涉测量振膜振动检测次声波的次声波检测装置及检测方法。
背景技术：
次声是频率低于20Hz的声音，人耳无法听见。大自然的许多活动，如火山爆发、地震、台风、火箭发射、海浪拍击、车轮行驶等都有次声的产生。目前，检测次声波的检测装置一般是电容式次声传感器、光纤式次声传感器、双光束干涉式次声传感器。然而，上述检测装置均有其不足之处。其中，对于电容式次声传感器而言，其不足之处是要求结构精细，设计严密，选材严格，特别是加工精度要非常高，其主要零件都要求 超精加工。对环境温度变化比较敏感。需要做好绝缘，同时还要保证超高的洁净度。而且这类电参量传感器抗电磁干扰能力比较差，使其在应用上受到很大的限制，如仅限于地震监测，市场价格高；对于光纤式次声传感器而言，其不足之处是对技术要求较高，性价比低；而对于双光束干涉式次声传感器而言，其不足之处是需要较多的辅助光学元件，如分光计、偏振片、参考反射镜等，而且光路需要严格地准直，较难调节。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种采用激光自混合干涉测量振膜振动检测次声波的次声波检测装置及检测方法。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种半导体激光自混合次声波检测装置，包括有光学系统与电学系统，其中，光学系统包括有内部封装有光电探测器的半导体激光器、激光器调整架、准直透镜和灵敏反光膜片；电学系统包括依次连接的激光器驱动电路、信号预处理电路、声卡、数据处理单元和输出终端；激光器驱动电路产生恒流驱动半导体激光器发出激光，经过准直透镜后变为平行光，该平行光经会聚透镜会聚到灵敏反光膜片上，通过调节激光器调整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔内，反馈光携带灵敏反光膜片的振动信息，与激光腔内的光相混合后，发生自混合干涉现象，引起激光器输出光强的变化，光强由封装在半导体激光器内部的光电探测器检测出且转换为对应的电流信号，经过信号预处理电路首先转换为电压信号，再经前置放大电路对电压信号进行放大，该信号由计算机声卡采集转换为数字信号，最后由数据处理单元进行数据处理，由输出终端输出次声波的测量结果。本发明另一技术方案为，提供一种半导体激光自混合次声波检测方法，包括以下步骤I)次声波作用于灵敏反光膜片上，膜片随着声压的变化而产生位移，引起激光器外腔长度发生微小变化；2)恒流源电路驱动半导体激光器发出的光照射到灵敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔内，形成自混合干涉；
3 )将封装在半导体激光器内部的光电探测器检测到的光强变化处理成电压信号，并进行放大，经数据采集后，进入数据处理单元；4)数据处理单元处理得到自混合干涉信号的波动条纹，解调出所述灵敏反光膜的振动位移幅度与振动频率，计算获得次声波的强度值与频率值；5)最后通过输出终端显示次声波的测量结果。相较于现有技术，本发明的次声波检测装置利用激光自混合干涉测量振膜振动检测次声波，提供了一种检测次声波的新的方法，不需要传统激光干涉仪的分光计和参考镜等辅助光学元件，光电探测器封装在激光器内部使得整体结构紧凑简单，对器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作简单。
图I是本发明创作的光路原理及总体结构原理图。 图2是本发明创作的数据处理单元框图。
具体实施例方式为了使本创作的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本创作进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图I所示，本发明半导体激光自混合次声波检测装置包括有光学系统与电学系统。其中，光学系统包括有内部封装有光电探测器的半导体激光器、激光器调整架、准直透镜和灵敏反光膜片；所述半导体激光器、准直透镜和会聚透镜安装在激光器调整架上；电学系统包括依次连接的激光器驱动电路8、信号预处理电路9、声卡10、数据处理单元11和输出终端12。所述激光器驱动电路8为恒流源电路，用于调节半导体激光器驱动电流。工作时输出恒定电流为26mA。所述的信号预处理电路9，包括电流-电压转换电路和前置放大电路，工作时，将光电探测器得到的自混合干涉信号转换为电压信号，并且将其放大100倍，得到的电压信号经过声卡10，进行采集，经数据处理单元11处理后得到灵敏反光膜片的振动信号。振动信号的幅度和频率最终经过计算得到次声波的强度与频率输出到输出终端12显示。所述灵敏反光膜片置于次声波声场区域内，次声波使膜片振动，该灵敏反光膜片由反光层、压敏膜片。半导体激光器I发出的光经过准直透镜3变成平行光，再经会聚透镜4会聚到灵敏反光膜片5表面，通过调节激光器调整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔内，与激光腔内的光产生自混合；反馈光携带灵敏反光膜片的振动信息，与激光腔内的光相混合后，发生自混合干涉现象，引起激光器输出光强的变化，自混合光强由封装在激光器内部的光电探测器检测出且转换为电压信号，得到携带次声波信息的自混合干涉信号，由声卡采集转换为数字信号，再由数据处理单元处理，并由输出终端输出测量结果。在本发明实施例中，半导体激光器I选用韩国QSI公司QL65D5SA (波长650nm，功率5mW)型号激光器，光电探测器2采用集成于半导体激光器内的光电二极管。采用灵敏反光膜片3作为外部物体，目的是为了控制返回光的光强，使得反射光为适度光反馈。半导体激光器、准直透镜和会聚透镜安装在准直管6中。在调试装置时，根据半导体激光器的阈值电流和功率等参数调节驱动电流在阈值电流的1.1倍，使半导体激光器发出激光。当激光器出光后调节光路，使得光会聚在灵敏反光膜片的表面，接着调节激光器调整架7使部分光被反射回腔内，以保证能发生自混合干涉，且为适度光反馈。应用时，本发明半导体激光自混合次声波检测方法包括如下步骤(I)次声波作用于灵敏反光膜片上，膜片随着声压的变化而产生位移，引起激光器外腔长度发生微小变化；(2)恒流源电路驱动半导体激光器发出的光照射到灵敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔内，形成自混合干涉；( 3)将封装在半导体激光器内部的光电探测器检测到的光强变化处理成电压信号，并进行放大，经数据采集后，进入数据处理单元；(4)数据处理单元处理得到自混合干涉信号的波动条纹，解调出所述灵敏反光膜 的振动位移幅度与振动频率，计算获得次声波的强度值与频率值；(5)最后通过输出终端显示次声波的测量结果；参照图2所示，其为数据处理单元11的处理信号流程，首先设置计算机声卡采样频率为44kHz，每次4096个采样点，进行数据采集，数采集结束后，开始进行平滑滤波处理，去除突变的噪声。然后，把处理过的数据进行差分，取一定阈值检测出每个跳变点，最后，把检测出来的跳变数进行求累加，解调出振动波形，得到振动信息。在本发明实施例中，激光自混合干涉是指在激光应用系统中，激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带外部物体的振动信息，与激光腔内的光相混合后，发生干涉现象，因输出的光信号与传统的双光束干涉有相似之处，因此被称之为自混合干涉。采用横流源驱动半导体激光器，有光反馈下的半导体激光器的输出光强随外部腔长变化，称为激光自混合干涉信号。激光自混合干涉信号一个波动条纹对应外部物体移动半个波长时，通过记录波动的周期数，可以测量位移。当光反馈水平为一定量时，干涉条纹为倾斜的正弦波形，倾斜的方向与位移方向相对应，由于干涉信号包含位移的方向信息，由此可以通过对干涉条纹的累加处理，再乘以固定系数就可以解调出外部物体的振动波形，从而得到其振动幅度与频率。本发明实施例利用激光自混合干涉测量振膜振动检测次声波，不需要传统激光干涉仪的分光计和参考镜等辅助光学元件，光电探测器封装在激光器内部使得整体结构紧凑简单，对器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作简单。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种半导体激光自混合次声波检测装置，包括有光学系统与电学系统，其特征在于光学系统包括有内部封装有光电探测器的半导体激光器、激光器调整架、准直透镜和灵敏反光膜片；电学系统包括依次连接的激光器驱动电路、信号预处理电路、声卡、数据处理单元和输出终端；激光器驱动电路产生恒流驱动半导体激光器发出激光，经过准直透镜后变为平行光，该平行光经会聚透镜会聚到灵敏反光膜片上，通过调节激光器调整架，使部分光被振膜表面反射回激光腔内，反馈光携带灵敏反光膜片的振动信息，与激光腔内的光相混合后，发生自混合干涉现象，引起激光器输出光强的变化，光强由封装在半导体激光器内部的光电探测器检测出且转换为对应的电流信号，经过信号预处理电路首先转换为电压信号，再经前置放大电路对电压信号进行放大，该信号由计算机声卡采集转换为数字信号，最后由数据处理单元进行数据处理，由输出终端输出次声波的测量结果。
2.如权利要求I所述的半导体激光自混合次声波检测装置，，其特征在于所述半导体激光器、准直透镜和会聚透镜安装在激光器调整架上；所述灵敏反光膜片包括有反光层、压敏膜片。
3.如权利要求2所述的半导体激光自混合次声波检测装置，其特征在于所述激光器驱动电路为恒流源电路，用于调节半导体激光器驱动电流；所述的信号预处理电路包括电流-电压转换电路和前置放大电路。
4.如权利要求3所述的半导体激光自混合次声波检测装置，其特征在于所述灵敏反光膜片置于次声波声场区域内，次声波使膜片振动，从而引起所述灵敏反光膜片相对于所述半导体激光器有微小振动，使所述半导体激光器前端面到所述灵敏反光膜片表面的距离发生微小变化，进而使所述激光器输出光强发生变化。
5.一种半导体激光自混合次声波检测方法，其特征在于，包括以下步骤 .1)次声波作用于灵敏反光膜片上，膜片随着声压的变化而产生位移，引起激光器外腔长度发生微小变化； .2)恒流源电路驱动半导体激光器发出的光照射到灵敏反光膜表面后，部分光被反射回激光腔内，形成自混合干涉； .3 )将封装在半导体激光器内部的光电探测器检测到的光强变化处理成电压信号，并进行放大，经数据采集后，进入数据处理单元； . 4)数据处理单元处理得到自混合干涉信号的波动条纹，解调出所述灵敏反光膜的振动位移幅度与振动频率，计算获得次声波的强度值与频率值； .5)最后通过输出终端显示次声波的测量结果。
全文摘要
本发明公开一种半导体激光自混合次声波检测装置，包括内部封装光电探测器的半导体激光器、激光器调整架、准直透镜、会聚透镜和灵敏反光膜片、激光器驱动电路、信号预处理电路、声卡、数据处理单元和输出终端；灵敏反光膜片置于次声波声场区域内，半导体激光器产生的光经准直透镜后变为平行光，经会聚透镜会聚到振膜表面，调节激光器调整架使部分光被振膜表面反射回激光腔内，与激光腔内的光产生自混合；自混合光强由光电探测器检测出且转换为电压信号，由声卡采集转换为数字信号，再由数据处理单元处理输出测量结果。其不需要传统激光干涉仪的分光计和参考镜等辅助光学元件，结构紧凑简单，对器件的加工精度要求不高，制作成本低且操作简单。
文档编号G01H9/00GK102721461SQ20121021024
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者孙晓刚, 李成伟, 黄贞 申请人:哈尔滨工业大学
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