CN105675114A - 一种光纤efpi超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤EFPI超声波传感器，包括传感器头单元和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套，该传感器头单元设置在该传感器护套内部，所述传感器头单元包括毛细管以及一部分设置在毛细管内的光纤和用于固定光纤的套头支架，在所述毛细管的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片，该膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔，该光纤的前端面构成该法布里-帕罗腔的第一个反射面，该膜片的内表面构成该法布里-帕罗腔的第二个反射面。该光纤EFPI超声波传感器可实现对超声波信号的高效响应和采集，具有很高的灵敏度和测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤超声波传感器技术领域，特别涉及一种温度自补偿型基于光纤EFPI(extrinsicFabry-Perotinterferometer，外腔式法布里-帕罗干涉型传感器)技术的超声波传感器。该传感器可以用于在液体中采集超声波信号，用于监测超声波信号的频率和强度等信息，并具有适应环境温度变化，法布里-帕罗(简称F-P)腔能够不受环境温度变化的影响自动调节保持腔长恒定的优异特性。
背景技术
目前国内外工业设备用超声波信号监测有多种方法，压电超声法检测法是最普及的方法，但传感器是贴在设备外壳上的，其检测设备内部的超声波信号，不易受到电磁噪声的干扰，但灵敏度不高。也有将压电传感器放置在设备外壳的内部，在液体中检测超声波信号的，但由于压电超声传感器在液体中检测灵敏度也不高，同时不能放在强电场中，或带高电压部位处进行测量，使其检测方法受到限制。
光纤EFPI传感器通常由光纤端面和膜片端面构成F-P微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，使得F-P腔腔长发生变化，从而实现传感。EFPI传感器具有体积小、损耗低、干扰小、绝缘性能好和防燃防腐蚀的优点而具有广泛的应用前景。近年来提出了一些设计方案，如2001年DonC.Abeysinghe等在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年JunchengXu等利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤瑞面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-帕罗超声波传器感；2006年XiaodongWang等在500微米厚的Pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-帕罗腔；2006年王鸣等利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-帕罗腔。2012年江俊峰等提出了无胶封装的制作EFPI传感器和制作方法。
目前研究的光纤EFPI传感器，主要用于温度、应变、应力等缓变量的测量，尚不适合超声波信号检测。用于超声波的检测，要求光纤传感器F-P腔的长度固定在极精确的合适位置处，并且要求膜片能够实现高频快速的弹性振动。并且已有的EFPI传感器结构有温度敏感性，用于超声波检测当工作环境温度发生变化时，会发生严重的温度漂移现象，造成测量结果不准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光纤EFPI超声波传感器，可实现对超声波信号的高效响应和采集，对超声波信号有很高的灵敏度和测量精度，测量结果的线性度好，能适用于多种工业设备的超声波信号监测，并可广泛应用于多领域的油中或水下超声波信号检测。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：本发明涉及的光纤EFPI超声波传感器包括传感器头单元和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套，该传感器头单元设置在该传感器护套内部，所述传感器头单元包括毛细管以及一部分设置在毛细管内的光纤和用于固定光纤的套头支架，在所述毛细管的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片，该膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔，该光纤的前端面构成该法布里-帕罗腔的第一个反射面，该膜片的内表面构成该法布里-帕罗腔的第二个反射面。
优选的，所述膜片的材料是石英或单晶硅片，该膜片的厚度为l0μm～100μm。
进一步，该套头支架的中心开设有一轴向通孔，所述光纤穿过该轴向通孔并且该光纤的前端面伸出该套头支架的前端面一段距离。
优选的，所述光纤的前端面伸出该套头支架的前端面200～500μm。
进一步，所述光纤与套头支架通过激光熔接，熔接点的位置距离所述套头支架前端面为200～500μm。
进一步，所述套头支架与毛细管之间通过激光熔接，熔接点的位置与套头支架前端面之间的距离为L2，熔接点的位置与毛细管前端面之间的距离为L3，L2与L3的比值等于该毛细管的热膨胀系数α3与套头支架的热膨胀系数α2之间的比值，且α2大于α3。
优选的，所述毛细管的内径为900～1200μm，壁厚300～400μm。
进一步，所述传感器体单元还包括用来装配在传感器头单元的尾部的光纤套管，所述传感器护套的后端设置有延长段内孔，该光纤套管安装在该延长段内孔中；该传感器护套前端的伸出的长度超过所述膜片。
进一步，在所述传感器护套的外表面设有多个用来安装卡簧或者弹簧圈的内凹的环形卡槽。
优选的，所述传感器护套是由不锈钢、铜、铝或铁氟龙塑料制成。
本发明是在对传统的EFPI传感器存在问题的分析与研究的基础上提出的，该传感器结构可以避免传统光纤EFPI传感器的缺点，实现对超声波信号的高效响应和采集，对超声波信号有很高的灵敏度和测量精度，测量结果的线性度好；具有温度自补偿功能，温度变化稳定性好，降低了使用环境温度的限制；主要技术优势主要体现在以下几个方面：
1、本发明涉及的光纤EFPI超声波传感器采用传感器头单元和传感器体单元两部分构成，结构简单，同时采用不同的方式固定和密封套头支架尾端，实现了双重密封F-P腔，防止外界物质进入或干扰F-P腔，提高了传感器的准确度和使用可靠性。
2、本发明涉及的光纤EFPI超声波传感器可根据所述套头支架和所述毛细玻璃管的热膨胀系数的比值，计算确定所述套头支架和所述毛细玻璃管的相对固定位置L2和L3的距离。从而在具体使用时，在不同的工作温度下，保证套头支架和毛细管在F-P腔方向的延长或缩小的长度相等，即保证了F-P腔腔长保持不变，实现了温度自补偿的效果，从而保证传感器可获得更精确的测量结果。
3、本发明涉及的光纤EFPI超声波传感器装配了一个特制的传感器护套，全面的保护传感器膜片和光纤等易损部位，外部预留了环形卡槽等安装工艺结构，方便工程施工安装，同时提高了应用可靠性。
附图说明
图1是实施例中涉及的光纤EFPI超声波传感器中的传感器头单元的外部结构示意图；
图2是实施例中涉及的传感器头单元的正面示意图；
图3是图2中沿着A-A方向的剖视图；
图4是实施例中涉及的光纤EFPI超声波传感器的整体外观图；
图5是实施例中涉及的光纤EFPI超声波传感器的正面示意图。
具体实施方式
下面就以具体实施例对本发明所涉及的光纤EFPI超声波传感器的结构及工作原理作进一步阐述：
参见图1至图3所示，本实施例中提供了一种光纤EFPI超声波传感器30，包括传感器头单元20和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套9，该传感器头单元20设置在该传感器护套9内部，所述传感器头单元20包括毛细管3以及一部分设置在毛细管3内的光纤1和用于固定光纤1的套头支架2，在所述毛细管3的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片4，该膜片4的内表面13、光纤1的前端面12以及毛细管3的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔11，该光纤1的前端面12构成该法布里-帕罗腔11的第一个反射面，该膜片4的内表面13构成该法布里-帕罗腔11的第二个反射面。
光纤EFPI超声波传感器的工作过程如下：当超声波作用时，传感器头单元20的膜片4感应超声波发生弹性共振效应，振动的频率和幅值与感应到的超声波的频率和幅值具有正相关性。从而使传感器头单元20中F-P腔(法布里-帕罗腔11)的腔长发生对应的波动性变化。当有窄带光源通过光纤1接入后，通过对光纤EFPI超声波传感器的反射光谱相干干涉光强度的幅值、频率和其变化，进行信号采集、特征提取和分析，从而获取超声波的传感信息。
上述膜片4用作弹性膜片，感受所处环境中的超声波振动，发生弹性共振效应，膜片4的材料是石英或单晶硅片，厚度为lOμm～100μm。
毛细管3是传感器头单元20的一部分，同时也用作传感器中的支撑结构和传输光纤1的容纳结构，形状为环形圆柱，制作材料是Pyrex玻璃或其他玻璃材料，毛细管3的内径优选为900-1200μm，壁厚300-400μm，该毛细管3的前端面与膜片4的内表面13熔接在一起。采用膜片4的厚度和毛细管3的内径与所测超声波的中心频率相对应，根据需要，计算选择对应的膜片和毛细管的具体规格。
套头支架2用作光纤1的支撑结构和固定结构，制作材料是Pyrex玻璃或其他玻璃材料，形状为圆柱形，中间开有一个轴向通孔，用于支撑和固定光纤1，轴向通孔直径优选为126～136μm。套头支架2的侧表面毛化处理，在装配定位过程中用作气体渗透层。
光纤1用于传输入射光和出射光，该光纤1由套头支架2中间的轴向通孔内穿过，光纤1与套头支架2熔接固定，用作传输的光纤1种类是单模光纤或多模光纤。光纤1的前端面12伸出套头支架2前端面14的距离为200～500μm，光纤1与套头支架2熔接的位置5在套头支架2的前端面14的靠后200～500μm的位置。即光纤1穿过该轴向通孔并且该光纤1的前端面12伸出该套头支架2的前端面12一段距离，这样可以保证，光纤1前端的长度受温度变化干扰的影响最小。
所述的法布里-帕罗腔11的腔长的调节和固定通过专用的在线监测、解调、定位、焊接系统进行控制和操作，保证腔长固定在设定的长度内，保证测量的准确性。
所述套头支架2与毛细管3之间通过激光熔接，熔接点的位置6与套头支架前端面14之间的距离为L2，熔接点的位置6与毛细管3前端面之间的距离为L3，L2与L3的比值等于该毛细管3的热膨胀系数α3与套头支架2的热膨胀系数α2之间的比值，且α2大于α3。
上述温度自补偿的原理和实现方式：首先选择材料，要保证套头支架2的热膨胀系数(α2)大于毛细管3的热膨胀系数(α3)。如图3所示，根据公式：ΔL2＝α2*L2*ΔT；ΔL3＝α3*L3*ΔT；为了使ΔL2＝ΔL3，则有：L2/L3＝α3/α2，(L3-L2为已知，即为法布里-帕罗腔11的腔长)，则可求解出L2和L3的具体数值，即可计算出能够实现温度自补偿的熔接点的位置6。当工作环境温度变化时，套头支架2与毛细管3的伸长或收缩的长度相等，从而保证F-P腔腔长的恒定不变，也就实现了传感器的温度自补偿功能。
如图4和图5所示，传感器体单元包括传感器护套9、光纤套管8等保护结构件。传感器护套9用作传感器头的支撑结构和保护结构。传感器护套9安装在传感器头的外部，前端伸出的长度超过膜片4，形状为鼠笼状圆柱形用于保护膜片4；后端的延长段内孔15与光纤套管8配合，用于固定光纤套管8，保护光纤1，避免光纤1过度折弯。在传感器头单元20与外部的保护结构件的装配时，需要先将传感器护套9和光纤套管8如图4所示的位置进行装配。传感器护套9的中部开有打胶工艺孔，用于传感器头单元20的固定和光纤1连接部位的保护。
光纤套管8是装配在传感器头单元20的尾部，用于保护光纤1，制作材料为氟硅胶塑料管。它的内孔与光纤1的保护皮层7配合，外径略大于传感器护套9尾部的内孔直径，使光纤套管8与传感器护套9为紧配合，从而固定光纤套管8。传感器护套9的中部有4个对称的打胶工艺孔，光纤支架2和保护皮层7的连接部位正对在打胶工艺孔的下面，打胶工艺孔中灌封的是环氧树脂或紫外胶。传感器护套9的外表面尾部预留了1～3个内凹的环形卡槽10，可安装卡簧或橡胶圈，用于传感器工程安装的工艺结构。
以上实施例仅为本说明书为便于理解发明内容所列举的部分实施方式，并非对本发明的技术方案进行的任何限定，也非所有可实施方案的穷举，故凡是对本发明的结构、流程或步骤所做出的任何微小改进或等效替代，均应包含在其保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤EFPI超声波传感器，包括传感器头单元和传感器体单元，其特征在于：所述传感器体单元包括传感器护套，该传感器头单元设置在该传感器护套内部，所述传感器头单元包括毛细管以及一部分设置在毛细管内的光纤和用于固定光纤的套头支架，在所述毛细管的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片，该膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里-帕罗腔，该光纤的前端面构成该法布里-帕罗腔的第一个反射面，该膜片的内表面构成该法布里-帕罗腔的第二个反射面。
2.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述膜片的材料是石英或单晶硅片，该膜片的厚度为l0μm～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：该套头支架的中心开设有一轴向通孔，所述光纤穿过该轴向通孔并且该光纤的前端面伸出该套头支架的前端面一段距离。
4.根据权利要求3所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述光纤的前端面伸出该套头支架的前端面200～500μm。
5.根据权利要求3所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述光纤与套头支架通过激光熔接，熔接点的位置距离所述套头支架前端面为200～500μm。
6.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述套头支架与毛细管之间通过激光熔接，熔接点的位置与套头支架前端面之间的距离为L2，熔接点的位置与毛细管前端面之间的距离为L3，L2与L3的比值等于该毛细管的热膨胀系数α3与套头支架的热膨胀系数α2之间的比值，且α2大于α3。
7.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述毛细管的内径为900～1200μm，壁厚300～400μm。
8.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述传感器体单元还包括用来装配在传感器头单元的尾部的光纤套管，所述传感器护套的后端设置有延长段内孔，该光纤套管安装在该延长段内孔中；该传感器护套前端的伸出的长度超过所述膜片。
9.根据权利要求1所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：在所述传感器护套的外表面设有多个用来安装卡簧或者弹簧圈的内凹的环形卡槽。
10.根据权利要求8或9所述的一种光纤EFPI超声波传感器，其特征在于：所述传感器护套是由不锈钢、铜、铝或铁氟龙塑料制成。
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