CN105157811A - 一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统及传感器设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统及光栅探测器的结构设计。超声感应系统的整体结构特点是：可调的激光源产生窄带光信号，经过环行器，进入设计的特定结构的光栅布拉格探测器，随后同时将透射光和反射光收集，通过光电转换的平衡检波器，产生的电信号与布拉格光栅波长漂移量成线性关系，再结合布拉格光栅传感原理，测量出超声信号。其中光栅布拉格探测器的结构设计能做到环感应物体的发出的超声信号，方便后期的超声信号处理及成像。本发明可以有效地降低入射光功率波动对超声检测的影响，相对与传统的压电陶瓷感应超声具有灵敏度高、成像便捷的特点。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统及传感器设计

技术领域

本发明属于光纤布拉格光栅传感系统领域，具体涉及一种平衡检波的解调方式以及一种光纤布拉格光栅探测器的结构设计。

背景技术

温度、应变、压力、压强、浓度、振动等外界环境的变化将引起光纤有效折射率或光栅周期等参数的变化，从而导致光纤布拉格光栅的谐振波长发生变化。因此，测量光栅谐振波长的变化就可获得周围环境参量的变化。这就是光纤布拉格光栅传感原理。

传统的超声测量是利用超声换能器，将超声声压转换为电压或者电流，通过实时采集电压或者电流推算超声幅度和声源的位置。但这种方式不能在高温下测量，且对大范围的超声信号的测量受制于陶瓷感应区域的面积，另外还容易受电磁场干扰。而光纤布拉格光栅制成的超声传感器，体积小、重量轻，可绕曲，灵敏度因传感方式不同而不同，相对传统的高。然而目前在测量超声时，尚未有成熟的光纤光栅传感器设备。鉴于光栅传感独特的优势，为了更有效、更方便地探测超声源的位置和超声幅度，本发明给出一种光栅探测器的结构设计。

另一方面，目前针对光纤布拉格光栅波长漂移的测量大致分为干涉法和滤波法两大类。其中，滤波法中的边沿滤波法是最常用的光纤布拉格光栅(FBG)传感器解调技术。然而，传统的边沿滤波解调里，只通过检测入射光经过布拉格光栅后反射部分的频谱，来定量判断光栅布拉格光谱的漂移。这种检测方法，有着检测简单，成本花费较低，不需要对光谱编码等优势，但在入射光功率波动时，直接导致无法精确测量出光栅布拉格波长的漂移量Δλ_B，从而影响感应系统对待测量量的测量，严重情况下甚至影响工业设备的正常运行。

发明内容

本发明主要应用于生物组织热声信号的测量方面，当然这种感应超声的系统也可以应用于超声无损检测，裂缝检测以及缺陷检测等工业应用的各个方面。

本发明采用的技术方案是：入射光通过环行器，进入设计的特定结构的光纤布拉格光栅传感器，光栅传感器在超声信号的影响下，发生光栅布拉格波长漂移现象，通过将光经过布拉格光栅的透射部分和反射部分平衡检波成电信号，相减得到二倍的光功率改变量。根据光栅传感原理从而求得超声信号的声压大小。

本发明创新地利用经过布拉格光栅后的反射和透射两部分来定量分析光栅布拉格光谱的漂移。

入射光经过周期的光栅栅区，会形成一个有波峰的波谱，波峰处的波长即布拉格波长λ_B。

λ_B＝2nΛ

其中，n是光栅的平均折射率，Λ是光栅周期。

在外界温度不变情况下，超声引起光栅布拉格波长变化，根据以下公式：

Δλ_B＝(1-P_e)λ_BP_S/(2E)

其中，P_e是应变光学系数，E为弹性模量，λ_B是布拉格波长，P_S为待测的超声应力。

在入射光功率不变，且入射光的中心波长刚好处于光栅光谱图中反射率为0.5波长处时，随着光纤布拉格光栅的漂移，透射部分的光功率增强，反射部分的光功率相应地减少，或者正好相反。将透射部分和反射部分功率相减，总体的信号是增加。当入射光输入功率变化时，透射和反射光功率一起波动，要么一起增强，要么一起减小，整体信号将不受信号源波动的影响。其本质上是双重边缘滤波解调。所使用的是一种平衡检波器，将传感器透射的光和经过环行器反射的光分别进行光电转换，放大相同倍数后两路信号相减。

反射部分光电转换后得到的信号电压，根据以下公式：

V_S＝Δλ_BGR_DPg

其中Δλ_B为光栅布拉格波长变化量，G是光栅光谱线性区的斜率，R_D是光电二极管的响应系数，P为入射光的功率，g为光电转换的增益。

由于入射光本身经过光栅后，透射光的相位改变π/2，正好与反射光的相位相反，光电转换后两信号相减，一方面消除了入射光波动的影响，另一方面由于光栅布拉格波长变化前，入射光通过光栅的反射率为0.5，那么此时透射率也为0.5。随着光栅布拉格波长增大或者减小，两路光功率变化的差值是一路光功率变化的的2倍，使最终转换到的电压变为原来的2倍，从而使边缘滤波解调的精度提高。其中最后测量到的信号电压V，根据以下公式：

V＝2V_S

最终，求得待测的超声声压为：

$P_S=\frac{E\·V}{(1-P_{\mathrm{\ϵ}}){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{GR}}_{D}Pg}$

关于光纤布拉格光栅结构的设计，考虑到生物组织发出的热声信号，是向四周360度沿圆周半径向外扩散的机械波，而与被测物体相距远时，一个光纤布拉格光栅的栅区可以视为一个点探头，如若只使用一段栅区测量，只能获取到生物组织发出的一个方向上的超声信号信息，无法对生物组织发出的所有超声进行采集和测量，从而无法对生物组织进行热声成像。增大光纤布拉格光栅的栅区长度可以在一定范围内增大光栅的探测范围，其实质相当于线探测。然而这种方法由于单个栅区感应区较广更容易引入外界环境的干扰，不利于测量超声信号。本发明设计的光栅探测器创新地利用环探测的方式，在不增加单个光栅栅区长度的基础上，结合光纤直径较小、易绕曲的特点，巧妙地将一条长光纤每间隔距离D刻上相同长度的多个栅区，并将光纤环绕成环，呈螺旋上升状。其中距离D：

D＝L_圆周长+L_栅区长

L_圆周长是光纤环绕成的螺旋环的俯视图的圆周长，L_栅区长是单个栅区段的长度。由此设计出的光栅传感器从上部俯视时，不同环上的栅区不重叠，且刚好投影到底部，形成一个完整的圆周。

以这种结构设计出的光栅传感器，当在其圆环中心处放入待测的生物组织，生物组织在激光照射下产生热声效应，发出的超声信号将会被各个栅区在各个方位上独立采集下来，并在随后的光电转化后相继采集存储下来。每个栅区采集的信号互不干扰，且刚好是圆环不同方位上对超声的感应。这种设计巧妙地利用了栅区之间的光程差，及栅区位置的分布，反映在采集到的电信号上时，使不同测量点的电信号以间隔时间t分别采集储存下来。其中t：

$t=\frac{D}{c}$

D是栅区的间距，c为光在光纤中的传播速度。间隔时间t使各个栅区信号在采集时独立保存下来，互不影响。假设此时采集和存储到的是第N段栅区感应的信号，那么在时间t之前感应的是第N-1段栅区感应的信号。

本发明的优点及特点在于：

1.在传统光纤布拉格光栅边缘滤波的基础上，大胆地利用入射光的透射部分，相同光电转换处理后，信号相减，一方面消除激光器不稳定造成的入射光功率波动的影响，另一方面得到的结果是被测量变化引起的待测结果的2倍，提高了检测精度。

2.光纤光栅传感器螺旋环绕的结构，以及一条光纤等间距光刻相同长度光栅，这两种设计技巧使得不同环上的光栅栅区在传感器底部的投影互不重叠，且构成完整圆环，从而实现对待测超声信号360度感应。完美地利用光栅实现环探测，栅区的个数还可以根据需要调整，但都必须满足栅区间隔D＝L_圆周长+L_栅区长。特点：采集灵活多变，且采集数据不易受外界噪声的影响，极大地方便了后期信号处理。

附图说明

图1是光纤布拉格光栅的超声感应系统的整体结构

图2是双重边缘滤波解调原理，即超声感应系统的核心

图3是光栅传感器环探测原理，即光栅传感器设计的精髓

图4是光纤光栅实际设计结构图

图中：1---窄线宽可调激光器，2---环行器，3---光纤光栅传感器，4---平衡检波器，5---示波器，6---入射光信号，7---反射光信号，8---透射光信号，9---平衡检波后的最终信号，10---光纤光栅传感器第一环的栅区，11---光纤光栅传感器第二环的栅区，12---光纤光栅传感器第三环的栅区，13---光纤光栅传感器第四环的栅区，14---光纤光栅传感器俯视图栅区的投影效果，15---光纤上第一个栅区的光刻位置，16---光纤上第二个栅区的光刻位置，17---光纤上第三个栅区的光刻位置，18---光纤上第N个栅区的光刻位置，19---光纤光输入端，20---光纤光输出端，21---光纤传感器支架

具体实施方式

图1所示的是整个光纤布拉格光栅的超声感应系统的整体结构实施方式。窄线宽可调激光器(图中1)发出的入射光(图中6)经过环行器(图中2)，进入光纤光栅传感器(图中3)，使用平衡检波器(图1和图2中的4)，将反射光(图中7)和透射光(图中8)分别光电转换成电压信号，经信号相减得最终信号(图1和图2中9所示)。

结合图2所示实施方式，系统测量实施步骤如下：

步骤一：先将反射信号(图中7)接入平衡检波器，透射信号(图中8)不接入平衡检波器(图中4)，且不要遮挡其光路，只裸露于稳定环境中。打开激光器(图中1)，记下入射光的光功率P，并稳定光源功率在P。缓慢调节入射光的波长λ，同时调节示波器，记录其测量到的电压幅值和功率P2，当P2＝0.5P(如图2所示)时，记录下此时的入射光波长，即为光栅波拉格波长λ_B。维持此时的光源功率和入射波长。

步骤二：保持之前设置，并接入透射信号(图中8)到平衡检波器，将待测生物组织或者超声源放在纤光栅传感器(图1和图3中3)圆环的中央。打开示波器并采集电压信号V。根据公式：V＝2V_S、V_S＝Δλ_BGR_DPg、Δλ_B＝(1-P_e)λ_BP_S/(2E)

求出超声应力P_S，即超声幅值大小。

其中P_e是应变光学系数，E为弹性模量(常数)，λ_B是布拉格波长，G是光栅光谱线性区的斜率(可测量出)，R_D是光电二极管的响应系数(常数)，P为入射光的功率，g为光电转换的增益(已知)。

图3所示的是光纤光栅结构设计实施方式。将光纤等间隔刻上相同长度的栅区，各个栅区之间间隔距离D＝L_圆周长+L_栅区长,其中L_圆周长是光纤环绕成的螺旋环一个圆环的圆周长，L_栅区长是单个栅区段的长度。图中10为第一环的栅区，光纤环绕一个圆周长后，由于相邻栅区之间间隔D＝L_圆周长+L_栅区长，那么刚好第二环上的栅区如图中11所示，刚好在透视空间上位于第一段栅区的后面，依此类推，最终从圆环顶部往下透视，各个环上的栅区互补重叠，且成一个完整圆，如图中14。最后环绕成的螺旋圆环被设计好的底座固定下来成为光纤光栅传感器。例如：假设N段栅区投影到底部成完整圆环，且每个圆环上仅有一段栅区，则L_栅区长＝2πR/N，R为圆环半径。其中设计时圆环半径R要远远大于光纤直径d的N倍，即R＞＞N*d。由于目前光纤直径很细，在圆环环数N不是很大时，很容易满足以上条件。

图4所示的是光纤光栅传感器实际设计的实例图。光纤(如图中3)上等间隔光刻栅区，环绕成螺旋状后，每环的栅区在螺旋圆环顶部俯视时，投影到底部为完整圆环(如图中14)。实例图中16是第二环上的栅区。光从光纤输入端(图中19)进入，输出端(图中20)输出。

Claims (5)

1.一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统，其特征在于：包括窄线宽激光器，环行器，光纤光栅传感器，平衡检波器，示波器，数据采集处理等部分组成。其测量超声的技术方法是：平衡检波器同时将入射光的反射部分和透射部分分别光电转换，得到的信号相减，从而获得二倍于被测信息的电信号。

2.如权利要求书1所述，系统测量的方法如下：

步骤一：先将反射信号接入平衡检波器，透射信号不接入平衡检波器，且不遮挡其透射光路，只裸露于稳定环境中。打开激光器，记下入射光的光功率P，并稳定光源功率在P。缓慢调节入射光的波长，同时调节示波器，记录其测量到的电压幅值和功率P2，当P2＝0.5P时，记录下此时的入射光波长，即为光栅波拉格波长λ_B。维持此时的光源功率和入射波长。

步骤二：保持之前设置，并接入透射信号到平衡检波器，将待测生物组织或者超声源放在纤光栅传感器圆环的中央。打开示波器并采集电压信号，记录电压信号V。则可求出超声应力P_S，即超声幅值大小。公式如下：

$P_S=\frac{E\·V}{(1-P_{\mathrm{\ϵ}}){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{GR}}_{D}Pg}$

其中P_e是应变光学系数，E为弹性模量(常数)，λ_B是布拉格波长，G是光栅光谱线性区的斜率(可测量出)，R_D是光电二极管的响应系数(常数)，P为入射光的功率，g为光电转换的增益(设备可查)。

3.光栅传感器结构设计，其特征在于：将光纤等间隔刻上相同长度的栅区，并将光纤环绕成螺旋圆环，每段圆环上刚好只有一段栅区，最后设计好底座将光栅固定下来，从而实现光栅360度环探测。

4.如权利要求书3所述，每个圆环上仅有一段栅区，每段栅区长L_栅区长＝2πR/N，N为最终要实现栅区投影到螺旋圆环底部成完整圆的栅区段数，R为圆环半径。设计时，圆环半径R要远远大于光纤直径d的N倍，即R＞＞N*d。

5.如权利要求书3所述，栅区之间间隔距离为D＝L_圆周长+L_栅区长,其中L_圆周长是光纤环绕成的螺旋环一个圆环的圆周长L_圆周长＝2πR，L_栅区长是单个栅区段的长度。所采集到的电信号时间间隔t＝D/c，其中c为光在光纤中的传播速度。