CN106019478B - 高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法。所述耦合器制作方法包括如下步骤，步骤1，采用平行夹具固定两根单模光纤，经15‑30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器；步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽中进行固定封装；步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器的两端用粘贴剂固定至长条状V型石英封装槽内；粘贴剂充满V型石英封装槽的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂之间的悬空部分为光耦合区。所述系统包括依次连接的激光光源、上述的耦合器、以及光电转换器、差分放大电路和示波器。

Description

高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作 方法

技术领域

本发明涉及属于测量领域，尤其涉及光纤超声传感技术领域，具体为高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法。

背景技术

超声检测在光纤传感领域很重要，广泛应用于设备健康监测、探伤，高压设备局部放电检测。传统的超声检测系统多基于电陶瓷传感器，灵敏度高，但体积大不易埋入设备中，传输距离短，易受电磁干扰。光纤类型传感器由于其低耗损，抗电磁、辐照干扰，结构细小、重量轻，与纤维复合、金属等材料兼容性强，响应迅速等特点，在超声检测应用中具有非常重要的意义。

当前，实用化的光纤超声检测系统，主要是基于光纤干涉型、光纤光栅以及依赖于换能器的光纤传感器。

光纤干涉型超声传感器，例如1)Sagnac、MZ干涉型超声传感器，技术要求高，对高频超声波响应特性不太理想，安装复杂且受温度起伏影响大，2)借助石墨烯薄膜的法布里珀罗干涉型超传感器，成本极高，成功率极低。

光纤光栅超传感器频率检测范围较大，灵敏度较高，但容易引起相位误差，并且对激光光源及后续解调电路有较高要求，同时需要额外辅助设备来补偿由温度变化引起的波长偏移，实际应用的成本相对比较高。例如CN102313779“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”。

已公开的专利CN201210374356.2“一种声波频率探测器及多模耦合器生波频率探测系统”，将裸露的多模耦合器直接放置至铝制薄膜，容易损坏，同时借助铝制薄膜，降低了声压利用，灵敏度低，并且易受环境干扰。

已公开的专利CN201310386525.9“一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统”，及专利CN201510373717.5“自适应型变压器局部放电的光纤超声检测系统及检测方法”对光源波段有特定要求，影响系统的适应性。

Tao Fu等人(详见Composites Part B:EngineeringVolume 66,November 2014,Pages 420–429和Optics and Lasers in Engineering,2009,47(10):1056-1062.)以及专利CN201510373717.5“自适应型变压器局部放电的光纤超声检测系统及检测方法”中公开的制作封装同类型的熔锥耦合器时，直接对单模光纤进行加热，耦合状态低，并在预拉力下进行封装固定，导致最后的传感器灵敏度低，最大响应频率小，频带窄。熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统耦合状态、预拉力以及光源特性等因素对提高熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统的灵敏度至关重要，然而现有专利文献并未见相关研究的报道。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法，无需增加换能器进行增敏，实现高灵敏、宽频带、高稳定光纤超声传感，解调成本极低，不受温度漂移影响。

本发明是通过以下技术方案来实现：

封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，包括如下步骤，

步骤1，采用平行夹具固定两根单模光纤，经15-30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器；

步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽中进行固定封装；

步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器的两端用粘贴剂固定至长条状V型石英封装槽内；粘贴剂充满V型石英封装槽的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂之间的悬空部分为光耦合区。

优选的，所述封装熔锥型微纳光纤耦合器为强耦合状态，耦合周期大于40，光损不超过0.5dB。

高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，所述的检测系统包括依次连接的激光光源、由上述方案中任意一项制作得到的封装熔锥型微纳光纤耦合器、光电转换器、差分放大电路和示波器；

封装熔锥型微纳光纤耦合器的输入端连接激光光源，两输出端分别连接第一光电转换器和第二光电转换器，两个光电转换器输出端连接至差分放大电路输入端，差分放大电路输出端连接至示波器。

优选的，所述的激光光源为窄带光源，其线宽小于2MHz。

优选的，所述的激光光源最小输入光电流大于16mA，光功率大于0.5mW。

优选的，还包括封装熔锥型微纳光纤耦合器与待测物体间的耦合剂，并且粘贴剂与耦合剂均为紫外线环氧固化胶。

优选的，所述光电探测器的探测波长范围包含光源波长，响应带宽大于10MHz。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述熔锥型微纳光纤耦合器的优化制作封装中，首先通过氢焰预热，使熔锥型微纳光纤耦合器形成强耦合状态，可以提高系统检测灵敏度。由光耦合机理可知，在强耦合状态下，熔锥型微纳光纤耦合器的两输出端光功率交替越频繁，改变光功率的耦合输出越容易。光功率输出变化表征传感系统的灵敏度，因此强耦合状态下的熔锥型微纳光纤耦合器对外界超声波更敏感。

在封装固定时，卸去微纳光纤耦合器两端的预拉力，使其在放松状态下进行封装，可以提高系统的灵敏度，扩大测量范围。由传感机理：超声波应力场会引起耦合器形变，进而导致耦合光功率输出变化，施加在耦合器上的预拉力越小越容易形变。形变越容易，耦合输出光功率越容易改变，同时由于光功率输出的变化可以直接表征传感器的灵敏度，因此，越容易发生形变的耦合器其灵敏度越高。

通过对微纳光纤耦合器制作封装工艺进行改进，制作简单，方便可靠，成功率高，不需要增加额外制作成本，也无需增加换能器进行增敏，即可大幅度提高传感器的灵敏度，扩大测量范围。

本发明所述的系统，在封装熔锥型微纳光纤耦合器的基础上，利用简单且成本低的解调电路，只需对信号进行差分放大处理。采用差分放大解调方式，可消除光源及温度的干扰。同时，此检测系统在更换不同静态分光比的传感器前提下，依旧保持高的灵敏度和宽测量的范围。

进一步的，只要求系统采用窄带激光光源，光源最小输入光电流大于16mA，光功率大于0.5mW，即可提高检测系统的灵敏度，达到理想的测量效果；对激光光源波段没有限制，很大程度上提高了系统的应用性。使用窄带光源会使光波长微小的变化表征为光强输出很大的变化，可以提高传感器的灵敏度。

进一步的，选用以无预拉力形式封装的强耦合状态下的熔锥型微纳光纤耦合器，封装粘贴剂与耦合剂均为紫外线环氧固化胶，同时测试系统选用光电流大于16mA，光功率大于0.5mW的窄带激光光源，可以最大程度提高检测系统的灵敏度及测量范围。

附图说明

图1为本发明实例中所述超声检测系统结构示意图。

图2为本发明实例中所述熔融拉锥工作结构图。

图3a为本发明实例中所述未经封装的熔锥型微纳光纤耦合器。

图3b为图3a中A-A`方向的截面图。

图4为本发明实例中所述经过封装的熔锥型微纳光纤耦合器。

图5为本发明实例中所述超声检测系统在不同带宽光源下测试结果图。

图6a为本发明实例中所述超声检测系统在超窄带激光光源光电流为15mA时对500kHz正弦输入信号的响应图。

图6b为本发明实例中所述超声检测系统在超窄带激光光源光电流为16mA时对500kHz正弦输入信号的响应图。

图7为本发明实例中所述微纳光纤熔锥耦合器在施加预拉力和未施加预拉力的测试结果图。

图8a为本发明实例中水和UV胶作为耦合剂在同一贴粘贴材料下的检测结果图。

图8b为本发明实例中凡士林和硅橡胶作为耦合剂在同一贴粘贴材料下的检测结果图。

图9为本发明实例中所述铅芯断裂声源的时频域响应图。

图10本发明实例中所述超声检测系统的幅频测试图。

图中：单模光纤1，平行夹具2，氢焰3，微纳光纤耦合器4，光耦合区5，耦合区的横截面6，V型石英封装槽7，粘贴剂8，耦合剂9。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统，可以大幅度提高灵敏度，扩大检测频率范围，同时本系统方便实现，结构简单，成本低，成功率高。如图1所示，窄带光源接入微纳光纤耦合器4一端，微纳光纤耦合器4两输出端均接入光电探测器，将光信号转化为电信号，并依次接入差分放大电路和电学示波器。

当外界产生超声波时，超声波影响微纳光纤耦合器4的耦合系数及耦合区长度，使其输出的光信号随声波改变。变化的光信号经光电探测器及差分放大后以电信号显示到示波器上，示波器上的时域信号图即微纳光纤耦合器对超声波的响应图。

如图1所示，其中的激光光源为窄带光源，使用窄带光源会使光波长微小的变化表征为光强输出很大的变化，可以提高传感器的灵敏度。同时，要求最小输入光电流大于16mA，光功率0.5mW。图5给出了在不同带宽光源下测试结果图，从图5可得窄带光源可以提高检测灵敏度，扩大测量范围。图6a是窄带激光光源光电流为15mA时对500kHz正弦输入信号的响应图，图6b是窄带激光光源光电流为16mA时对500kHz正弦输入信号的响应图。对比图6a与图6b可以知，光电流较小时，传感系统对输入信号的响应效果很差，不能检测到输入信号；当光电流大于16mA时，本传感系统响应得到一个500kHz正弦信号。说明只有当光电流大于16mA时，熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统具有高灵敏度，宽检测范围。表1给出了不同检测频率下的最小输入光功率值，由表1可得，不同检测频率要求的最小输入光功率不同，并且检测频率越高要求的最小输入光功率越大。

表1不同检测频率下的最小输入光功率值

本优选实例中，微纳光纤耦合器4的耦合周期大于40，光损不超过0.5dB。

优化制作的封装熔锥型微纳光纤耦合器时，采用的熔融拉锥工作结构如图2所示，将两根单模光纤1分别剥去一定长度的涂覆层，直接放置在平行夹具2上固定，熔融拉锥前，氢焰3进行熔融预热15～30s，之后拉锥机自动完成熔锥型微纳光纤耦合器4的制作。该制作过程中所提及的平行夹具和15～30s的氢焰预热时间均是为了确保耦合器熔融区域形成强耦合状态，提高传感器灵敏度。这是由于光功率的耦合主要发生在耦合区中横截面为双哑铃型的熔融区域，如图3a中所示的光耦合区5以及如图3b中所示的耦合区的横截面6，并且耦合程度越强，光功率交换越频繁，改变光功率的耦合输出越容易。因此耦合程度越强，耦合器对外界超声波越敏感。

如图4所示，本发明优选实例中，超声检测系统中的封装熔锥型微纳光纤耦合器，在封装固定时，关掉拉锥系统中真空泵，以减小作用在微纳光纤耦合器上的初始预拉力，使微纳光纤耦合器以放松状态悬空于V型石英封装槽7中，可显著提高其检测超声波的灵敏度，扩大检测频带。这是由于超声波应力场会引起耦合器形变，进而导致耦合光功率输出变化，施加在微纳光纤熔锥耦合器4上的初始预拉力越小越容易形变。形变越容易越明显，耦合输出光功率越容易改变，同时由于光功率输出的变化可以直接表征传感器的灵敏度，因此，越容易发生形变的耦合器其灵敏度越高。图7给出了施加预拉力和未施加预拉力的测试结果图。从图7可知，无初始预拉力的传感器灵敏度更高，测量范围更宽。另外，如图4所示，将微纳光纤耦合器4两端部用粘贴剂8固定，同时粘贴剂要充满V型石英封装槽7的两端底部，可以使更多能量的超声波通过耦合剂9及粘贴剂8作用到耦合器上，提高检测灵敏度。

封装熔锥型微纳光纤耦合器与检测物体间的耦合剂9与粘贴剂8使用的材料应相同，这样可以减小超声波的反射，最大程度吸收外界的超声波，提高检测灵敏度，扩大测量范围。在使用紫外线环氧树脂胶(UV胶)作为粘贴剂将耦合器固定，选择水、UV胶、凡士林和硅橡胶分别作为耦合剂9进行测试，测试结果如图8所示。图8a是水和UV胶作为耦合剂9的响应结果图，图8b是凡士林和硅橡胶作为耦合剂9的响应结果图。图8a和图8b横纵坐标尺度相同，从图8可得：当耦合剂9与粘贴剂材料相同时，可提高传感器的灵敏度以及扩大其测量范围。

本发明的解调系统仅采用一个差分放大电路即可消除光源及温度的干扰，减小噪音，进一步提高灵敏度。同时，此检测系统在更换不同静态分光比的传感器前提下，依旧保持高的灵敏度和宽测量的范围。解调电路简单，成本低。

如图9所示，超声传感系统对模拟超声源的时频域响应图，其模拟超声源采用国际通用的铅笔芯(2H,0.7)断裂法模拟(Hsu-Nielsen Source)。由图可知此传感器对超声信号有良好的响应。

如图10所示，超声传感系统的幅频测试图，其测试采用正弦扫频信号，扫频范围为20kHz～800kHz(步长为1kHz)，传感器输出一个相应的正弦信号，其均方根值作为传感器响应幅值，得到20kHz～800kHz传感器的幅频响应特性曲线。从图10可得本测试系统在20kHz～400kHz有良好的响应。

Claims (7)

1.封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，采用平行夹具(2)固定两根单模光纤(1)，经15-30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)；

步骤2，在封装固定时，关掉拉锥系统中真空泵，以减小作用在微纳光纤耦合器上的初始预拉力，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽(7)中进行固定封装；

步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)的两端用粘贴剂(8)固定至长条状V型石英封装槽(7)内；粘贴剂(8)充满V型石英封装槽(7)的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂(8)之间的悬空部分为光耦合区(5)。

2.根据权利要求1所述封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述封装熔锥型微纳光纤耦合器为强耦合状态，耦合周期大于40，光损不超过0.5dB。

3.高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，包括依次连接的激光光源、由权利要求1-2中任意一项制作得到的封装熔锥型微纳光纤耦合器、光电转换器、差分放大电路和示波器；

封装熔锥型微纳光纤耦合器的输入端连接激光光源，两输出端分别连接第一光电转换器和第二光电转换器，两个光电转换器输出端连接至差分放大电路输入端，差分放大电路输出端连接至示波器。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，所述的激光光源为窄带光源，其线宽小于2MHz。

5.根据权利要求3所述的高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，所述的激光光源最小输入光电流大于16mA，光功率大于0.5mW。

6.根据权利要求3所述的高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，还包括封装熔锥型微纳光纤耦合器与待测物体间的耦合剂(9)，并且粘贴剂(8)与耦合剂(9)均为紫外线环氧固化胶。

7.根据权利要求3所述的高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，所述光电探测器的探测波长范围包含光源波长，响应带宽大于10MHz。