CN103234620A - 非本征型光纤法珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

非本征型光纤法珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，涉及光纤声发射传感技术领域。它解决了环境影响造成非本征型光纤法珀声发射传感器静态工作点的漂移而影响其工作稳定性的问题。所述传感器中位于圆筒形支撑结构一端的石英膜片和嵌入该支撑结构内部的光纤插芯形成密闭的非本征型光纤法珀腔。含有该传感器的声波检测装置中采用DFB激光器作为激光源，采用数字信号处理器处理传感器反馈的信号，并控制DFB激光器的工作温度。该超声波检测装置的使用方法为首先确定传感器的稳态工作点，然后在传感器工作过程中根据传感器反馈的信号实时对该静态工作点进行动态调整。本发明适用于在液体介质中的声波检测技术领域。

Description

非本征型光纤法珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法

技术领域

本发明为非本征型光纤珐珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，涉及PID控制方式和光纤声发射传感器领域。

背景技术

光纤传感器具有体积小、灵敏度高、高频响应优良、抗腐蚀、抗电磁干扰及绝缘性好等优点，在物理和化学参数的测量领域得到广泛应用。近些年基于光纤传感技术的水听器，大型建筑健康状态检测及电力设备局部放电监测等方面的应用报道也较为活跃。其中，膜片耦合方式的非本征光纤法珀声发射传感器用于油浸式设备的局部放电的在线监测就是典型应用之一，该测试方式也被IEEE标准列入油浸式变压器局放监测标准之中。

目前报道所述的膜片耦合方式的非本征法珀传感器的结构比较复杂，其解调方式主要采用基于正交工作点的强度解调方式。但是，强度解调的正交工作点容易受到环境温度影响产生漂移；另外，当传感器置于液体介质中时，其入液面深度变化时，传感器受到不同的静压力作用也会使预先设置的工作点发生改变。因而，周围环境综合物理场的影响造成传感器正交工作点的漂移大大影响了传感器工作的稳定性，制约了其在工业领域中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前非本征型法珀声发射传感器的结构复杂、以及该传感器在偏离稳态工作点后，无法对稳态工作点进行有效动态补偿，从而影响非本征型法珀声发射传感器的稳定性的问题，本发明提供非本征型光纤珐珀声发射传感器和含有该传感器的超声波检测装置及其使用方法，本发明的技术方案为：

非本征型光纤法珀声发射传感器包括石英膜片、支撑结构和光纤插芯，圆形的石英膜片粘贴于圆筒状的支撑结构的两个底面中的一面，光纤插芯通过支撑结构的另一面插入支撑结构内，且所述光纤插芯与支撑结构同轴，所述光纤插芯的直径与支撑结构的内径相等，光纤插芯的末端、石英膜片和支撑结构的内侧壁形成非本征型光纤法珀腔。

含有所述非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法包括以下步骤：

步骤一、DFB激光器作为光源，在DFB激光器控制系统的控制下输出单模光源，该单模光源经过光电耦合器入射到非本征型光纤法珀声发射传感器，数字信号处理器采集获得非本征型光纤法珀声发射传感器反馈的光信号，同时利用示波器采集非本征型光纤法珀声发射传感器反馈的光信号获得该光信号的光谱谱线，将该光光谱上峰值与相邻的最低值之间的平均值所在点确定为非本征型光纤法珀声发射传感器的标准静态工作点，该标准静态工作点对应的控制电压为非本征型光纤法珀声发射传感器标准静态工作点的控制电压V_s；

步骤二、将非本征型光纤法珀声发射传感器置于液体介质中，采集外界动态声发射信号，在采集过程中，数字信号处理器根据步骤一获得的标准静态工作点控制电压和数据采集卡采集的信号发送控制信号给，进而控制DFB激光器输出激光的波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器工作在标准静态工作点，当非本征型光纤法珀声发射传感器的实际工作点偏离标准静态工作点时，通过DFB激光器控制系统调整DFB激光器发射激光的中心波长，对非本征型光纤法珀声发射传感器的标准静态工作点进行动态调整。

步骤二中，对非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点进行动态调整是由以下步骤实现的：

步骤二一、DFB激光器控制系统11确定含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的标准静态工作点，得到标准静态工作点控制电压V_s；

步骤二二、数字信号处理器10通过数据采集卡9实时采集非本征型光纤法珀声发射传感器7反馈的信号，获得非本征型光纤法珀声发射传感器7的实际工作点控制电压V_out(t)，将该实际工作点控制电压V_out(t)与非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点控制电压V_s进行比较，获得偏差值E，根据偏差值E获得T_p，T_i，T_d三个参数值，所述T_p表示比例系数，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；具体参数值如下所示：当E>1.0时，T_p=0.01，T_i=0.001，T_d=0.0002；当0.5<E<1.0时，T_p=0.001，T_i=0.0003，T_d=0.00005；当0<E<0.5时，T_p=0.0001，T_i=0.0001，T_d=0.00001;

步骤二三、根据公式

$V_{\mathrm{ctrl}}\left(t\right)=T_p[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]+T_i\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]\mathrm{dt}+T_d\frac{d[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]}{\mathrm{dt}}$

其中，t表示DFB激光器控制系统（11）控制DFB激光器（5）的时间，V_ctrl表示DFB激光器5的控制电压；发送该控制电压V_ctrl给DFB激光器控制系统11，控制LTC1923温度控制芯片13，进而调整DFB激光器5发射激光的中心波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器7工作在标准静态工作点。

本发明的有益效果是：本发明所述的非本征型法珀声发射传感器结构简单，便于生产加工。本发明所述的超声波检测装置及其使用方法实现了该超声波检测过程中根据非本征型法珀声发射传感器反馈的信号控制DFB激光器输出激光波长的功能，进而实现了对非本征型光纤法珀声发射传感器标准静态工作点的自动动态调整，所述调节过程中采用了经典的PID算法用软控制的方式实现非本征型法珀声发射传感器的标准静态工作点自动锁定。

附图说明

图1为非本征型光纤法珀声发射传感器的结构图；图2为含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用原理图；图3为DFB激光器控制系统结构示意图；图4为非本征型光纤法珀声发射传感器的反射光在光谱仪中的光谱图，该图中横轴表示波长，纵轴表示光强值，该图主要说明该法珀腔的性能，20nm/D表示横轴每一个格代表20nm，RES、SENS:MID、AVG:1和SMPL:1001(AUTO)为设备上的指定信息。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，非本征型光纤法珀声发射传感器，它包括石英膜片1、支撑结构3和光纤插芯4，圆形的石英膜片1粘贴于圆筒状的支撑结构3的两个底面中的一面，光纤插芯4通过支撑结构3的另一面插入支撑结构3内，且所述光纤插芯4与支撑结构3同轴，所述光纤插芯4的直径与支撑结构3的内径相等，所述光纤插芯4的末端与石英膜片1的距离为100微米，光纤插芯4的末端、石英膜片1和支撑结构3的内侧壁形成非本征型光纤法珀腔2；

所述石英膜片1的直径为5毫米，该石英膜片1的厚度为100微米，该石英膜片1的裸露面镀有反射率为50%的二氧化硅反射膜。

所述支撑结构3的材料为锰钢，该支撑结构3内径为2.5毫米，外径为5毫米，长度为5毫米。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的非本征型光纤法珀声发射传感器的区别在于，光纤插芯4的长度为8毫米。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的非本征型光纤法珀声发射传感器的区别在于，所述光纤插芯4的外侧镀有反射率为50%的二氧化硅反射膜。

具体实施方式四、含有具体实施方式一至三任一项所述的非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置，它包括DFB激光器5、光电耦合器6、非本征型光纤法珀声发射传感器7、光电转换模块8、数据采集卡9、数字信号处理器10和DFB激光器控制系统11，DFB激光器5的激光输出端与光电耦合器6的光信号输入端连接，光电耦合器6的光信号输入输出端与非本征型光纤法珀声发射传感器7的光纤插芯4的光信号输入输出端连接，光电耦合器6的光信号输出端与光电转换模块8的光信号输入端连接，光电转换模块8的电信号输出端与数据采集卡9的信号输入端连接，数据采集卡9的信号输出端与数字信号处理器10的信号输入端连接，数字信号处理器10的激光器控制信号输出端与DFB激光器控制系统11的控制信号输入端连接，DFB激光器控制系统11的控制信号输出端与DFB激光器5的温度控制信号输入端连接。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的区别在于，所述DFB激光器控制系统11包括80C51单片机12和LTC1923温度控制芯片13，80C51单片机12的控制信号输入端与数字信号处理器10的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片13的信号输入端与80C51单片机12的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片13的温度控制信号输出端与DFB激光器5的温度控制信号输入端连接。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式四所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法的区别在于，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一、DFB激光器5作为光源，在DFB激光器控制系统11的控制下输出单模光源，该单模光源经过光电耦合器6入射到非本征型光纤法珀声发射传感器7，数字信号处理器10采集获得非本征型光纤法珀声发射传感器7反馈的光信号，同时利用示波器采集非本征型光纤法珀声发射传感器7反馈的光信号获得该光信号的光谱谱线，将该光光谱上峰值与相邻的最低值之间的平均值所在点确定为非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点，该标准静态工作点对应的控制电压为非本征型光纤法珀声发射传感器7标准静态工作点的控制电压V_s；

步骤二、将非本征型光纤法珀声发射传感器7置于液体介质中，采集外界动态声发射信号，在采集过程中，数字信号处理器10根据步骤一获得的标准静态工作点控制电压和数据采集卡9采集的信号发送控制信号给，进而控制DFB激光器5输出激光的波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器7工作在标准静态工作点，当非本征型光纤法珀声发射传感器7的实际工作点偏离标准静态工作点时，通过DFB激光器控制系统11调整DFB激光器5发射激光的中心波长，对非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点进行动态调整。

具体实施方式七、根据具体实施方式六所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法的区别在于，所述DFB激光器控制系统（11）包括80C51单片机（12）和LTC1923温度控制芯片（13），80C51单片机（12）的控制信号输入端与数字信号处理器（10）的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的信号输入端与80C51单片机（12）的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的温度控制信号输出端与DFB激光器（5）的温度控制信号输入端连接；

步骤二中，对非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点进行动态调整是由以下步骤实现的：

步骤二一、DFB激光器控制系统11确定含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的标准静态工作点，得到标准静态工作点控制电压V_s；

步骤二二、数字信号处理器10通过数据采集卡9实时采集非本征型光纤法珀声发射传感器7反馈的信号，获得非本征型光纤法珀声发射传感器7的实际工作点控制电压V_out(t)，将该实际工作点控制电压V_out(t)与非本征型光纤法珀声发射传感器7的标准静态工作点控制电压V_s进行比较，获得偏差值E，根据偏差值E获得T_p，T_i，T_d三个参数值，所述T_p表示比例系数，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；具体参数值如下所示：当E>1.0时，T_p=0.01，T_i=0.001，T_d=0.0002；当0.5<E<1.0时，T_p=0.001，T_i=0.0003，T_d=0.00005；当0<E<0.5时，T_p=0.0001，T_i=0.0001，T_d=0.00001;

步骤二三、根据公式

$V_{\mathrm{ctrl}}\left(t\right)=T_p[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]+T_i\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]\mathrm{dt}+T_d\frac{d[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]}{\mathrm{dt}}$

其中，t表示DFB激光器控制系统（11）控制DFB激光器（5）的时间，V_ctrl表示DFB激光器5的控制电压；并发送该控制电压V_ctrl给DFB激光器控制系统11，控制LTC1923温度控制芯片13，进而调整DFB激光器5发射激光的中心波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器7工作在标准静态工作点。

Claims (7)

1.非本征型光纤法珀声发射传感器，其特征在于：它包括石英膜片（1）、支撑结构（3）和光纤插芯（4），圆形的石英膜片（1）粘贴于圆筒状的支撑结构（3）的两个底面中的一面，光纤插芯（4）通过支撑结构（3）的另一面插入支撑结构（3）内，且所述光纤插芯（4）与支撑结构（3）同轴，所述光纤插芯（4）的直径与支撑结构（3）的内径相等，所述光纤插芯（4）的末端与石英膜片（1）的距离为100微米，光纤插芯（4）的末端、石英膜片（1）和支撑结构（3）的内侧壁形成非本征型光纤法珀腔（2）；

所述石英膜片（1）的直径为5毫米，该石英膜片（1）的厚度为100微米，该石英膜片（1）的裸露面镀有反射率为50%的二氧化硅反射膜；

所述支撑结构（3）的材料为锰钢，该支撑结构（3）内径为2.5毫米，外径为5毫米，长度为5毫米。

2.根据权利要求1所述的非本征型光纤法珀声发射传感器，其特征在于：光纤插芯（4）的长度为为8毫米。

3.根据权利要求1或2所述的非本征型光纤法珀声发射传感器，其特征在于：所述光纤插芯（4）的外侧镀有反射率为50%的二氧化硅反射膜。

4.含有权利要求1至3任一项所述的非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置，其特征在于它包括DFB激光器（5）、光电耦合器（6）、非本征型光纤法珀声发射传感器（7）、光电转换模块（8）、数据采集卡（9）、数字信号处理器（10）和DFB激光器控制系统（11），DFB激光器（5）的激光输出端与光电耦合器（6）的光信号输入端连接，光电耦合器（6）的光信号输入输出端与非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的光纤插芯（4）的光信号输入输出端连接，光电耦合器（6）的光信号输出端与光电转换模块（8）的光信号输入端连接，光电转换模块（8）的电信号输出端与数据采集卡（9）的信号输入端连接，数据采集卡（9）的信号输出端与数字信号处理器（10）的信号输入端连接，数字信号处理器（10）的激光器控制信号输出端与DFB激光器控制系统（11）的控制信号输入端连接，DFB激光器控制系统（11）的控制信号输出端与DFB激光器（5）的温度控制信号输入端连接。

5.根据权利要求4所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置，其特征在于，所述DFB激光器控制系统（11）包括80C51单片机（12）和LTC1923温度控制芯片（13），80C51单片机（12）的控制信号输入端与数字信号处理器（10）的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的信号输入端与80C51单片机（12）的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的温度控制信号输出端与DFB激光器（5）的温度控制信号输入端连接。

6.权利要求4所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一、DFB激光器（5）作为光源，在DFB激光器控制系统（11）的控制下输出单模激光，该单模激光经过光电耦合器（6）入射到非本征型光纤法珀声发射传感器（7），数字信号处理器（10）采集获得非本征型光纤法珀声发射传感器（7）反馈的光信号，同时利用示波器采集非本征型光纤法珀声发射传感器（7）反馈的光信号获得该光信号的光谱谱线，将该光光谱上峰值与相邻的最低值之间的平均值所在点确定为非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的标准静态工作点，该标准静态工作点对应的控制电压为非本征型光纤法珀声发射传感器（7）标准静态工作点的控制电压V_s；

步骤二、将非本征型光纤法珀声发射传感器（7）置于液体介质中，采集外界动态声发射信号，在采集过程中，数字信号处理器（10）根据步骤一获得的标准静态工作点控制电压和数据采集卡（9）采集的信号发送控制信号给，进而控制DFB激光器（5）输出激光的波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器（7）工作在标准静态工作点，当非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的实际工作点偏离标准静态工作点时，通过DFB激光器控制系统（11）调整DFB激光器（5）发射激光的中心波长，对非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的标准静态工作点进行动态调整。

7.根据权利要求6所述的含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的使用方法，其特征在于，所述DFB激光器控制系统（11）包括80C51单片机（12）和LTC1923温度控制芯片（13），80C51单片机（12）的控制信号输入端与数字信号处理器（10）的激光器控制信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的信号输入端与80C51单片机（12）的信号输出端连接，LTC1923温度控制芯片（13）的温度控制信号输出端与DFB激光器（5）的温度控制信号输入端连接；

步骤二中，对非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的标准静态工作点进行动态调整是由以下步骤实现的：

步骤二一、DFB激光器控制系统（11）确定含有非本征型光纤法珀声发射传感器的超声波检测装置的标准静态工作点，得到标准静态工作点控制电压V_s；

步骤二二、数字信号处理器（10）通过数据采集卡（9）实时采集非本征型光纤法珀声发射传感器（7）反馈的信号，获得非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的实际工作点控制电压V_out(t)，将该实际工作点控制电压V_out(t)与非本征型光纤法珀声发射传感器（7）的标准静态工作点控制电压V_s进行比较，获得偏差值E，根据偏差值E获得T_p，T_i，T_d三个参数值，所述T_p表示比例系数，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；具体参数值如下所示：

当E>1.0时，T_p=0.01，T_i=0.001，T_d=0.0002；

当0.5<E<1.0时，T_p=0.001，T_i=0.0003，T_d=0.00005；

当0<E<0.5时，T_p=0.0001，T_i=0.0001，T_d=0.00001;

步骤二三、根据公式

$V_{\mathrm{ctrl}}\left(t\right)=T_p[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]+T_i\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]\mathrm{dt}+T_d\frac{d[V_{\mathrm{out}}\left(t\right)-V_s]}{\mathrm{dt}}$

其中，t表示DFB激光器控制系统（11）控制DFB激光器（5）的时间，V_ctrl表示DFB激光器（5）的控制电压，并发送该控制电压V_ctrl给DFB激光器控制系统（11），控制LTC1923温度控制芯片（13），进而调整DFB激光器（5）发射激光的中心波长，使非本征型光纤法珀声发射传感器（7）工作在标准静态工作点。

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