CN105424163B - 间接耦合锥形光纤光栅超声传感器 - Google Patents
间接耦合锥形光纤光栅超声传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种间接耦合锥形光纤光栅超声传感器，壳体上端设加工中心孔的封盖，封盖与壳体之间设封盖消声垫，壳体下端设声耦合锥，声耦合锥与壳体下端之间设声耦合锥消声垫，声耦合锥顶部加工光导纤维安装孔，光导纤维一端设在光导纤维安装孔内、另一端从封盖中心孔穿出，光导纤维上写有光栅，光栅的栅区长度为1～10mm、波长为1540～1560nm。经测试，本发明对300KHz波段超声信号有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，对机玻璃板上下表面反射的超声信号可清晰识别，适应地震物理模型中动态扫描采集，实现超声多层成像，可用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗等技术领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤光栅超声传感器。
背景技术
地震物理模型是一种按储藏地质结构比例缩小的模拟结构，可作为一种工具用于地震波传输及理论预测，其最大的优点是模拟结果的真实性，不受计算方法、假设条件的限制，在近乎理想的岩石模型条件下测量声波的反应。相比较于地震现场，在实验室搭建的地震模型成本低，且具有很好的重复性、稳定性及可控性。
超声波传感器，是获取地震物理模型内部信息的核心器件。光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知待测物体传输超声波的强度、频率、方向等信息，提供待测物的体积、内部结构等信息。多年来普遍用于超声检测装置主要为压电陶瓷换能器(PZT)，既可以作为超声发射源也可以作为接收器。但是这器件有如几点不足：仅对特定窄频带的超声信号灵敏响应；灵敏度会随着换能器体积的减小而变弱且受电容影响较大；极易受到环境电磁场的干扰；接收信号随着发射源与接收器的距离增加会展宽(导致信号失真)；复用性差，多通道实时监测系统复杂；无方向识别性，不能获取超声波方向信息。因此压电陶瓷换能器不能满足地震物理模型精细成像的需求。
基于光纤光栅的灵敏度高、宽频率响应好、动态范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于复用等特性，将光纤光栅用于制备超声传感器，将会大大地提高超声传感器性能，克服以往压电陶瓷换能器应用的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述传统压电陶瓷换能器电类器件的不足，提供一种不受电磁干扰、灵敏度高、宽频率响应好、动态范围宽、结构紧凑、产品成本低的间接耦合锥形光纤光栅超声传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在壳体上端设置中心位置加工有中心孔的封盖，封盖与壳体之间设置有封盖消声垫，壳体下端设置有声耦合锥，声耦合锥与壳体下端之间设置有声耦合锥消声垫，声耦合锥的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维一端设置在光导纤维安装孔β内、另一端从封盖的中心孔穿出，光导纤维上写有光栅，光栅的栅区长度为1～10mm，光栅的波长为1540～1560nm。
本发明的声耦合锥的底面直径为1～10mm，声耦合锥的锥角α为60°～120°。
本发明的声耦合锥的底面直径与壳体的外径相同。
本发明的光栅为相移光栅。
由于本发明采用了声耦合锥，对300KHz波段的超声信号具有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，对机玻璃板上表面和下表面反射的超声信号可清晰识别，适应地震物理模型中动态扫描采集样品反射信号的要求，便于实时采集，对地震物理模型可实现超声多层成像，可用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗、潜艇声纳等技术领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是用于测试本发明的测试系统。
图3是采用测试系统测试实施例1间接耦合锥形光纤光栅超声传感器的反射面超声信号曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的间接耦合锥形光纤光栅超声传感器由壳体1、封盖2、光导纤维3、封盖消声垫4、光栅5、声耦合锥消声垫6、声耦合锥7联接构成。
在壳体1的上端用环氧树脂胶粘接有封盖2，封盖2的中心位置加工有中心孔，封盖2与壳体1之间用环氧树脂胶粘接有封盖消声垫4，封盖消声垫4用于吸收壳体1内上部的残余的超声波，防止多次反射叠加形成杂波。在壳体1的下端用环氧树脂胶粘接有声耦合锥7，声耦合锥7与壳体1下端之间用环氧树脂胶粘接有声耦合锥消声垫6，声耦合锥消声垫6用于吸收壳体1内下部残余的超声波，防止多次反射叠加形成杂波。本实施例的声耦合锥7的底面直径为5mm，声耦合锥7的底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥7的锥角α为90°。在声耦合锥7的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维安装孔β的孔径可在300～500μm任意选取，本实施例的光导纤维安装孔β的孔径为400μm、孔深为1mm，光导纤维3的一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔β内，光导纤维3的另一端从封盖2的中心孔β竖直穿出，封盖2的中心孔β内用环氧树脂胶填充粘接，光导纤维3距声耦合锥7尖端3-5mm处为传感光栅区域，光栅长度为5mm，用氢氟酸腐蚀成直径为30～50μm，栅区上写有光栅5，本实施例的光栅5为相移光栅，相移光栅的波长为1550nm，这种相移光栅，提高了超声传感器的应变响应灵敏度。光导纤维3上也可写其它相同波长的光栅。
实施例2
本实施例中，在壳体1的下端用环氧树脂胶粘接有声耦合锥7，声耦合锥7的底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥7的锥角α为60°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，在壳体1的下端用环氧树脂胶粘接有声耦合锥7，声耦合锥7的底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥7的锥角α为120°。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在壳体1的下端用环氧树脂胶粘接有声耦合锥7，声耦合锥7的底面直径为1mm，声耦合锥7的底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥7的锥角α与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，在壳体1的下端用环氧树脂胶粘接有声耦合锥7，声耦合锥7的底面直径为10mm，声耦合锥7的底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥7的锥角α与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6
在以上的实施例1～5中，在声耦合锥7的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维3的一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔β内，光导纤维3的另一端从封盖2的中心孔β穿出，封盖2的中心孔β内用环氧树脂胶填充粘接，栅区长度为1mm，在光导纤维3上栅区用氢氟酸腐蚀成直径为30～50μm，栅区上写有相移光栅，相移光栅的波长与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例1相同。
实施例7
在以上的实施例1～5中，在声耦合锥7的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维3的一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔β内，光导纤维3的另一端从封盖2的中心孔穿β出，封盖2的中心孔β内用环氧树脂胶填充粘接，栅区长度为10mm，在光导纤维3上栅区用氢氟酸腐蚀成直径为30～50μm，栅区上写有相移光栅，相移光栅的波长与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例1相同。
实施例8
在以上的实施例1～7中，在声耦合锥7的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维3的一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔β内，光导纤维3的另一端从封盖2的中心孔β穿出，封盖2的中心孔β内用环氧树脂胶填充粘接，在光导纤维3上用氢氟酸腐蚀成直径为30～50μm的栅区，栅区长度与相应的实施例相同，栅区上写有相移光栅，相移光栅的波长为1540nm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例9
在以上的实施例1～7中，在声耦合锥7的顶部加工有光导纤维安装孔β，光导纤维3的一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔β内，光导纤维3的另一端从封盖2的中心孔β穿出，封盖2的中心孔β内用环氧树脂胶填充粘接，在光导纤维3上用氢氟酸腐蚀成直径为30～50μm的栅区，栅区长度与相应的实施例相同，栅区上写有相移光栅，相移光栅的波长为1560nm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的间接耦合锥形光纤光栅超声传感器进行了实验，各种试验情况如下：
1、建立测试系统
将可调激光器通过光纤与光纤环形器相连，光纤环形器通过光纤与光电探测器相连，光电探测器通过电缆与示波器相连，超声波发生器通过同轴电缆与压电陶瓷换能器相连，构成用于测试本发明的测试系统。
2、测试方法
在水箱内装入水，水箱底部放置一块厚度为50mm的有机玻璃板，有机玻璃板用于检测其上、下表面反射的300KHz脉冲超声波信号，测量时将本发明通过光纤与光纤环形器相连，间接耦合锥形光纤光栅超声传感器的声耦合锥7浸入水中，声耦合锥7的下端面距离有机玻璃板上表面6cm。接通可调激光器和超声发生器的电源，超声发生器发出的脉冲信号经水传输至有机玻璃板后，一部分声波信号直接经有机玻璃板上表面反射，另一部分传输至下表面后再反射，反射的超声波信号由声耦合锥7耦合至相移光栅，超声波耦合至光纤并沿光纤传播时会对传感区产生弯曲或拉伸应变，导致光纤几何长度、折射率等参量发生改变，进而调制光信息。可调激光器发出的窄线宽激光通过光纤环形器传输至本发明，被调制的光信息再经本发明传输至光纤环形器，传输至光电探测器，将光信号转换至电压信号，经同轴电缆传输至示波器，示波器显示出有机玻璃板两个反射面反射的超声信号曲线，实验结果见图3中曲线a和曲线b所示。在图3中，曲线a是示波器采集模式为实时采集时测量结果，曲线b是示波器采集模式为16次平均采集模式测量结果。
在有机玻璃板下表面和水箱底面之间放置高度为1.5cm的垫片，检测有机玻璃板上、下表面和水箱底面反射的脉冲超声波信号，实验结果如图3中曲线c、曲线d所示。在图3中，曲线c是示波器采集模式为实时采集模式时测量结果，曲线d是示波器采集模式为16次平均采集模式时测量结果。
在检测有机玻璃板上、下表面反射的超声波信号时，曲线a、曲线b时间采样点620和850处出现明显的界面超声信号，分别为有机玻璃板的上、下表面所反射的超声信号。加1.5cm垫片之后，检测有机玻璃板上、下表面和水箱底面反射的超声波信号时，曲线c、曲线d时间采样点510、740和850处出现明显的界面超声信号，分别为有机玻璃板的上、下表面和水箱底面所反射的超声信号。由图3可看出，本发明对地震物理模型可实现多层超声成像。
实验结果表明，本发明对300KHz波段的超声信号具有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，有机玻璃板上表面和下表面反射的超声信号可清晰识别，适应地震物理模型中动态扫描采集样品反射信号的需求，利于实时采集，实现超声多层成像，可用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗、潜艇声纳等技术领域，具有广泛的应用前景。
Claims (1)
1.一种间接耦合锥形光纤光栅超声传感器，在壳体（1）上端设置中心位置加工有中心孔的封盖（2），封盖（2）与壳体（1）之间设置有封盖消声垫（4），其特征在于：在壳体（1）下端设置有声耦合锥（7），声耦合锥（7）的底面直径为1～10mm、锥角（α）为60°～120°，声耦合锥（7）与壳体（1）下端之间设置有声耦合锥消声垫（6），声耦合锥（7）的顶部加工有光导纤维安装孔（β），孔深为1mm，光导纤维（3）一端用环氧树脂胶粘接在光导纤维安装孔（β）内、另一端从封盖（2）的中心孔穿出，光导纤维（3）上写有光栅（5），光栅（5）为相移光栅，光栅（5）的栅区长度为1～10mm，光栅（5）的波长为1540～1560nm。
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