CN105277269A - 一种相移光纤光栅探针及其制作方法 - Google Patents
一种相移光纤光栅探针及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种相移光纤光栅探针及其制作方法，属于超声波振动检测领域。相移光纤光栅探针，包括单模光纤和光纤夹持棒，在所述单模光纤上刻有相移光纤光栅；所述单模光纤上带有相移光纤光栅的部分位于光纤夹持棒的轴心位置或紧贴在所述光纤夹持棒的外壁上，此部分与光纤夹持棒同轴线设置；所述单模光纤的另一端伸出所述光纤夹持棒。本发明装置具有检测接触面很小、灵敏度很高、带宽宽、不受电磁干扰等特点，能够应用于无损探伤及超声地震物理模拟实验等用于超声检测的领域。
Description
技术领域
本发明属于超声波振动检测领域，具体涉及一种相移光纤光栅探针及其制作方法。
背景技术
超声波检测也叫超声探伤，是无损检测的一种。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。超声地震物理模型实验也是通过超声波模拟地震波传播的进行超声探测的，通过超声波在地质模型中的传播观测对地震波在各种复杂地质体中的传播进行室内模拟观测，并根据观测结果进行地震学研究。
目前常用的超声波检测方法一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收。这种探头通常由压电晶片或其他材料(如复合材料)组成，其结构比较简单，安装方便，收发可互换。图1给出的是压电接触式探头的内部结构图，超声辐射面101，声匹配层102，压电陶瓷103，金属盒体104，底座105，屏蔽材料106和引线端子107。
当对固体材料进行测量时，发射探头和接收探头紧贴被测物体表面。发射头将电信号(一般为窄脉冲)转换为超声波信号；而接收头则将超声波信号转换为电信号。
压电式超声波探头在对固体地质模型(尤其对复杂表面模型)进行检测时，由于工艺方面的原因器件，检测部分接触面较大,当对曲表面模型进行检测时,探头和模型表面耦合效果差，有时甚至无法耦合；由于现有超声波探头只能进行窄带发射和接收,因此测量不能反映野外施工宽频接收的实际情况。
随着光纤传感技术的发展，为了利用其抗干扰能力强、传输距离远、灵敏度高等优点，光学式振动测量方面的研究越来越多，光纤光栅传感器出现以后，振动传感测试领域发生了很大的变革，光纤光栅传感器由于体积小、抗干扰能力强、集传感和传输为一体等优点，已经成为目前振动测试领域的研究热点。
目前国内外研究者已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，受到了业内人士的广泛重视。目前用于振动测量的光纤光栅传感器通常是对光栅敏感区域进行铠装后，平放并固定在需要检测的物体上，这样做的优点是耦合好，便于检测到振动，但缺点是接触面积大，而且检测到的振动波是一组波，对于某些无损检测或地震物理模型实验中需要根据波的形态判断介质内部结构的研究来说是致命的缺点，而且这种利用光纤光栅传感进行振动探测主要集中在低频信号检测，而且用于反射式超声波探测的探针尚没有出现。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种相移光纤光栅探针及其制作方法，采用近似点状的接触式高灵敏度超声波检测探针，能在利用超声波检测时减小接触面积、增加探测灵敏度、增大检测振动频带范围等效果，而且使探测到的振动波清晰可辨，可用在无损探伤、超声地震物理模拟等领域。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种相移光纤光栅探针，包括单模光纤和光纤夹持棒，在所述单模光纤上刻有相移光纤光栅；
所述单模光纤上带有相移光纤光栅的部分位于光纤夹持棒的轴心位置或紧贴在所述光纤夹持棒的外壁上，此部分与光纤夹持棒同轴线设置；
所述单模光纤的另一端伸出所述光纤夹持棒。
所述光纤夹持棒为圆柱体形状，采用超声波传导介质制作而成。
所述超声波传导介质包括铜、铝或玻璃。
所述相移光纤光栅在反射谱带阻中线宽为5-15pm，反射谱斜率为70-80nm-1。
一种制作所述相移光纤光栅探针的方法，包括：
将圆柱形的铜柱沿轴向切割至铜柱的中心位置，在铜柱中心位置设置中心线槽；
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分置入所述中心线槽内，并与铜柱同轴线设置；
在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与铜柱的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从铜柱的另一个顶端伸出；
用铜棒将切割的缝隙塞住，将带有相移光纤光栅的部分固定在铜柱的轴心位置。
另一种制作所述相移光纤光栅探针的方法，包括：
使带有相移光纤光栅的部分与铝柱的轴线平行，在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与铝柱的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从铝柱的另一个顶端伸出；
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分用胶水或者环氧树脂粘合在铝柱的外壁上；
用热塑管将铝柱和带有相移光纤光栅的部分套住；
对热塑管周围加热，其收缩后即将带有相移光纤光栅的部分和铝柱固定住。
另一种制作所述相移光纤光栅探针的方法，包括：
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分放入到空心玻璃管的中心位置处，使带有相移光纤光栅的部分与空心玻璃管的轴线平行；
在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与空心玻璃管的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从空心玻璃管的另一个顶端伸出；
将环氧树脂倒入空心玻璃管内，环氧树脂固化后即将带有相移光纤光栅的部分固定在空心玻璃管的中心处。
一种反射式超声检测系统，包括相移光纤光栅探针、TLS窄线宽激光器，光电探测器，A/D转换及数据采集卡，计算机和环形器；
所述TLS窄线宽激光器与所述环形器的第一端口连接；
所述相移光纤光栅探针上的单模光纤与所述环形器的第二端口连接；
所述光电探测器与所述环形器的第三端口连接；
所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接；所述A/D转换及数据采集卡连接与所述计算机连接。
所述相移光纤光栅探针垂直设置在待测物体的表面上，其顶端与待测物体的表面接触，并利用耦合剂与待测物体耦合。
由TLS窄线宽激光器发出的激光从环形器的第一端口输入，从第二端口输出，然后通过单模光纤直接进入相移光纤光栅探针；
相移光纤光栅产生的反射光再进入环形器的第二端口，然后从环形器的第三端口输出，再进入光电探测器；
A/D转换及数据采集卡对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入到计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置具有检测接触面很小、灵敏度很高、带宽宽、不受电磁干扰等特点，能够应用于无损探伤及超声地震物理模拟实验等用于超声检测的领域。
附图说明
图1是现有压电接触式探头的内部结构图。
图2是本发明相移光纤光栅传感探针系统的结构示意图。
图3是相移光栅反射光谱。
图4是铜质光纤光栅传感探针的结构示意图。
图5是光纤光栅传感探针实验示意图。
图6是单脉冲激发测试铜探针的超声响应图。
图7是单脉冲激发测试铝探针的超声响应图，其中PZT上，相移光栅下。
图8是单脉冲激发测试玻璃探针的超声响应图，其中PZT上，相移光栅下。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
基于光纤光栅传感的技术优势，提出一种基于相移光纤光栅传感高灵敏度针状的超声波探针传感系统，包括相移光纤光栅传感系统及探针封装方法，其系统配置如图2所示。由TLS窄线宽激光器201发出的激光从光纤环形器205的第一端口1输入，从第二端口2输出，然后通过单模光纤206直接进入相移光纤光栅(PS-FBG)传感探针207，相移光纤光栅探针207放在需要检测振动的物体上(垂直于被测物体的表面，探针顶端接触，并利用耦合剂(水、凡士林等)与被测物体耦合即)，此相移光纤光栅探针207为超声波传感头，相移光纤光栅产生的反射光再进入光纤环形器205的第二端口2，从光纤环形器205的第三端口3输出，再进入光电探测器202，然后利用A/D转换及数据采集卡203对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入计算机处理及振动信号显示204，计算机进行处理及振动信号的显示。
图3为设计的相移光纤光栅光谱。在设计相移光纤光栅时，设计相移光栅在反射谱带阻中线宽为0.016nm，反射谱斜率为70nm-1(在制作时，利用光纤光栅中间的相位跃变，导致其反射谱中间产生一个透视窗口)，这样能够对超声波振动信号可获得极高的灵敏度。
其中相移光纤光栅传感探针是将相移光纤光栅置于光纤夹持棒中作为探针，光纤夹持棒的材料为金属铜、玻璃或铝，是较好的超声波传导介质。制作方法有3种：
①铜探针：将一个直径约3mm(一般2-5mm即可)的铜柱，沿轴向切割至圆柱中心，将相移光纤光栅一端剪断(在光纤上雕刻形成光栅，只剪断光纤的一端，保留距光栅的附近(2毫米左右)光纤即可)(即在距离光栅所刻位置一端2-5mm处切断，光纤顶端与柱体顶端对齐即可)，置入铜棒中心位置，最后用铜棒将切割的缝隙塞紧，并且可以将光纤光栅固定在轴心位置，即开槽至铜棒中心，中心线槽即为光纤光栅固定位置。如图4所示。
②铝探针：将光纤光栅用胶水或者环氧树脂与一个直径约1～2mm的铝柱粘合在一起，在距离光栅所刻位置一端2-5mm处切断，顶端与探针顶端对齐，用一个热塑管将铝柱和光纤光栅一起套在一起，用电烙铁或其它热的金属物体将热塑管周围加热，热塑管收缩将光纤光栅和铝柱固定住即可。
③玻璃探针：在一个直径约2～3mm的空心玻璃管中心放入制作好的相移光纤光栅，在距离光栅所刻位置一端2-5mm处切断，光栅所刻位置尽量接近玻璃管的顶端，用环氧树脂倒入玻璃管内，等环氧树脂固化将光纤光栅固定在玻璃管中心即可(制作玻璃管内径环氧树脂圆片在中心用激光打个微孔，光纤从微孔穿过加以固定。
具体实施时，对于每种合适的材料，都可以采用切割刀轴心位置、粘合在外壁上，或圆筒内浇注这三种方法，但不同的材料加工难度有差别，可以根据材料的软硬粗细和难度来选择制作方法。
在检测超声波时，将探针顶端放在被测物体表面，超声波(确保激发与接收器在同一物体上即可)经探针与被测物体接触面耦合进相移光纤光栅，致使光栅布拉格波长在声波作用下发生漂移，然后经过光电探测器再转换为电信号进行接收。
本发明的探针可以采用竖直方式探测振动波信号，还可以进行移动测试。
利用本发明的探针在铝板上进行了测试，如图5所示，超声波505发出的超声激发在铝板504的一端，光纤光栅探针(包括单模光纤501、相移光纤光栅502和光纤夹持棒503)放在另一端。利用三种不同材料的传感探针进行了实验。
图6、图7、图8分别为三种不同材料的探针和单脉冲超声波激发时检测到的超声波信号，从图中可以看出，三种材质的探针都能够检测到超声波信号，其中铝探针测到的信号波形更干净，效果更好。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种相移光纤光栅探针，其特征在于：所述相移光纤光栅探针包括单模光纤和光纤夹持棒，在所述单模光纤上刻有相移光纤光栅；
所述单模光纤上带有相移光纤光栅的部分位于光纤夹持棒的轴心位置或紧贴在所述光纤夹持棒的外壁上，此部分与光纤夹持棒同轴线设置；
所述单模光纤的另一端伸出所述光纤夹持棒。
2.根据权利要求1所述的相移光纤光栅探针，其特征在于：所述光纤夹持棒为圆柱体形状，采用超声波传导介质制作而成。
3.根据权利要求2所述的相移光纤光栅探针，其特征在于：所述超声波传导介质包括铜、铝或玻璃。
4.根据权利要求3所述的相移光纤光栅探针，其特征在于：所述相移光纤光栅在反射谱带阻中线宽为5-15pm，反射谱斜率为70-80nm-1。
5.一种制作权利要求1至4任一所述相移光纤光栅探针的方法，其特征在于：所述方法包括：
将圆柱形的铜柱沿轴向切割至铜柱的中心位置，在铜柱中心位置设置中心线槽；
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分置入所述中心线槽内，并与铜柱同轴线设置；
在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与铜柱的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从铜柱的另一个顶端伸出；
用铜棒将切割的缝隙塞住，将带有相移光纤光栅的部分固定在铜柱的轴心位置。
6.一种制作权利要求1至4任一所述相移光纤光栅探针的方法，其特征在于：所述方法包括：
使带有相移光纤光栅的部分与铝柱的轴线平行，在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与铝柱的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从铝柱的另一个顶端伸出；
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分用胶水或者环氧树脂粘合在铝柱的外壁上；
用热塑管将铝柱和带有相移光纤光栅的部分套住；
对热塑管周围加热，其收缩后即将带有相移光纤光栅的部分和铝柱固定住。
7.一种制作权利要求1至4任一所述相移光纤光栅探针的方法，其特征在于：所述方法包括：
将单模光纤上带有相移光纤光栅的部分放入到空心玻璃管的中心位置处，使带有相移光纤光栅的部分与空心玻璃管的轴线平行；
在距离相移光纤光栅所刻位置2-5mm处将所述单模光纤切断，此端与空心玻璃管的顶端对齐；
所述单模光纤的另一端从空心玻璃管的另一个顶端伸出；
将环氧树脂倒入空心玻璃管内，环氧树脂固化后即将带有相移光纤光栅的部分固定在空心玻璃管的中心处。
8.一种利用权利要求4所述的相移光纤光栅探针构成的反射式超声检测系统，其特征在于：所述反射式超声检测系统包括所述相移光纤光栅探针、TLS窄线宽激光器，光电探测器，A/D转换及数据采集卡，计算机和环形器；
所述TLS窄线宽激光器与所述环形器的第一端口连接；
所述相移光纤光栅探针上的单模光纤与所述环形器的第二端口连接；
所述光电探测器与所述环形器的第三端口连接；
所述光电探测器与所述A/D转换及数据采集卡连接；所述A/D转换及数据采集卡连接与所述计算机连接。
9.根据权利要求8所述的反射式超声检测系统，其特征在于：所述相移光纤光栅探针垂直设置在待测物体的表面上，其顶端与待测物体的表面接触，并利用耦合剂与待测物体耦合。
10.根据权利要求9所述的反射式超声检测系统，其特征在于：由TLS窄线宽激光器发出的激光从环形器的第一端口输入，从第二端口输出，然后通过单模光纤直接进入相移光纤光栅探针；
相移光纤光栅产生的反射光再进入环形器的第二端口，然后从环形器的第三端口输出，再进入光电探测器；
A/D转换及数据采集卡对光电探测器的输出信号进行采集，将采集到的信号输入到计算机。
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