CN106323444A - 倾斜光纤光栅超声波传感器 - Google Patents

倾斜光纤光栅超声波传感器 Download PDF

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Abstract

一种倾斜光纤光栅超声波传感器，在光纤安装环的侧壁径向设两个中心线之间的夹角为180°的光纤固定管，写有倾斜光栅的光导纤维一端从一个光纤固定管内穿出光纤安装环、另一端从另一个光纤固定管内穿出光纤安装环，光纤安装环上端设保护盖、下端设锥尖与倾斜光栅搭接的超声波聚焦锥，保护盖的几何形状为半球体、上端面与光纤安装环1的上端在同一个平面内、下端面置于光纤安装环1内，超声波聚焦锥的下端面为球缺凹面。本发明具有不受电磁干扰、灵敏度高、检测精度高、宽频率响应好、动态范围宽等优点，可作为监测地震的传感器。

Description

倾斜光纤光栅超声波传感器
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，具有成本低、重复性好、演示直观以及可控等优点。
超声波传感器，是获取地震物理模型内部信息的核心器件。光纤从在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。这种器件存在的主要缺点是：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。
基于倾斜光纤光栅的超声波传感器，具有灵敏度高、宽频率响应好、动态范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于复用等有点，将倾斜光纤光栅用于制备超声波传感器，将会大大地提高超声波传感器性能，克服以往压电陶瓷换能器应用的缺陷。
专利号为201510728121.2、发明名称为《间接耦合锥形光纤光栅超声传感器》，在壳体上端设置有封盖，封盖的中心位置加工有中心孔，壳体下端设置有声耦合锥，声耦合锥的中心位置加工有中心孔，写有光栅的光导纤维从声耦合锥的中心位置加工有中心孔穿入，从封盖的中心孔穿出，这种超声传感器，具有良好的响应特性和稳定性等优点，存在的主要缺点是：该传感器的灵敏度较低，检测到的超声波信号中有很多杂波，检测到的超声波信号能量低，检测精度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术的缺点，提供一种不受电磁干扰、灵敏度高、检测精度高、宽频率响应好、动态范围宽、结构紧凑、产品成本低的倾斜光纤光栅超声波传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在光纤安装环的侧壁径向设置有两个中心线在同一条直线上的光纤固定管，写有倾斜光栅的光导纤维一端从一个光纤固定管内穿出光纤安装环、另一端从另一个光纤固定管内穿出光纤安装环，在光纤安装环上端用胶粘接有保护盖、下端用胶粘接有锥尖与倾斜光栅搭接的超声波聚焦锥。本发明的保护盖的几何形状为半球体，保护盖的上端面为平面与光纤安装环的上端在同一个平面内、下端面置于光纤安装环内。本发明的超声波聚焦锥的下端面为球缺凹面。
本发明的超声波聚焦锥的锥角为30°～120°，底部球缺凹面为半球体。
本发明的倾斜光栅的波长为1520～1580nm，栅区长度为2～10mm。
上述光纤安装环上端用胶与保护盖粘接、下端用胶超声波聚焦锥粘接的胶是用环氧树脂与钨粉按质量比为1:1混合配制成，胶固化后形成滤波层。
由于本发明采用了倾斜光纤光栅，较光纤光栅具有更高的灵敏度，通过加入半球体散射腔内的杂波，使杂波难以传到倾斜光纤光栅上，通过使用具有聚焦功能的底面为球面的锥体，增大了传感器接收到超声波的能量，提高了传感器检测超声波的精度。本发明具有不受电磁干扰、灵敏度高、检测精度高、宽频率响应好、动态范围宽等优点，可作为监测地震的传感器。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是检测本发明建立的测试系统。
图3是本发明实施例1探测到的超声波信号曲线。
图4是本发明实施例1探测到从水中有机玻璃反射回来的超声波信号曲线。
图5是对倾斜光纤光栅超声波传感器采集到的超声波信号进行成像结果。
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，本实施例的倾斜光纤光栅超声波传感器由光纤安装环1、光纤固定管2、光导纤维3、倾斜光栅4、保护盖5、超声波聚焦锥6、滤波层7联接构成。
光纤安装环1的形状为环状体，在光纤安装环1侧壁高度的中心平面内径向焊接联接有两个光纤固定管2，两个光纤固定管2的中心线在一条直线上，光纤固定管2用于穿插光导纤维。光导纤维3上写有倾斜光栅4，倾斜光栅4的波长为1546nm，栅区长度为6mm，光导纤维3的一端从一个光纤固定管2内穿出光纤安装环1、另一端从另一个光纤固定管2内穿出光纤安装环1。在光纤安装环1的上端用环氧树脂胶粘接有保护盖5，保护盖5的几何形状为半球体，保护盖5的上端面为平面、下端面为球面，上端面与光纤安装环1的上端在同一个平面内、下端面置于光纤安装环1内。在光纤安装环1的下端用胶粘接有超声波聚焦锥6。本实施例的胶是用环氧树脂与钨粉按质量比为1:1混合配制成，胶固化后形成滤波层7，滤波层7防止超声波通过光纤安装环1或空气传到光导纤维3，提高了本发明检测超声波的精度。
本实施例超声波聚焦锥6的锥角为80°，超声波聚焦锥6的下端面为球缺凹面，球缺凹面为半球体，超声波聚焦锥6的锥尖与倾斜光栅4搭接，超声波聚焦锥6用于超声波聚焦，将超声波聚焦到倾斜光栅4上。当超声波经超声波聚焦锥6传到倾斜光栅4时，使得光导纤维3上的倾斜光栅4产生弯曲或拉伸应变，导致倾斜光栅4的几何长度、折射率参量发生改变，进行调制光信息，通过解调光信息，即可得到超声波信号。
实施例2
本实施例中，在光导纤维3上写有倾斜光栅4，倾斜光栅4的波长为1520nm，栅区长度为2mm，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，在光导纤维3上写有倾斜光栅4，倾斜光栅4的波长为1580nm，栅区长度为10mm，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
本实施例中，在光导纤维3上写有倾斜光栅4，倾斜光栅4的波长为1520nm，栅区长度为10mm，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
本实施例中，在光导纤维3上写有倾斜光栅4，倾斜光栅4的波长为1580nm，栅区长度为2mm，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，在光纤安装环1的下端用胶粘接有超声波聚焦锥6。超声波聚焦锥6的锥角为30°，超声波聚焦锥6的下端面为球缺凹面，球缺凹面为半球体，超声波聚焦锥6的锥尖与倾斜光栅4搭接。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7
在以上的实施例1～5中，在光纤安装环1的下端用胶粘接有超声波聚焦锥6。超声波聚焦锥6的锥角为120°，超声波聚焦锥6的下端面为球缺凹面，球缺凹面为半球体，超声波聚焦锥6的锥尖与倾斜光栅4搭接。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的倾斜光纤光栅超声波传感器进行了测试，测试情况如下。
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
(1)将倾斜光纤光栅超声波传感器和超声波发生器固定在同一轴线上，压电陶瓷换能器与倾斜光纤光栅超声波传感器的超声波聚焦锥6搭接，测试本发明检测超声波的能力。超声波发生器与超声波聚焦锥6接触，超声波信号发生器发出300KHz的脉冲超声波信号，进行测试，测试结果见图3。
在图3中，横坐标是在一定时间范围内采集点的数量，共1400个采样点。纵坐标是电压，表示采集到超声波信号的能量大小。由图3可见，倾斜光纤光栅超声波传感器在采样点951处检测到了超声波信号，灵敏度高，信号失真低。表明倾斜光纤光栅超声波传感器检测超声波的效果较好，可用于检测超声波。
(2)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。当超声波传到有机玻璃板与水的分界面时，超声波将发生反射，将倾斜光纤光栅超声波传感器的超声波聚焦锥6浸入水中，超声波聚焦锥6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，超声发生器发生的超声波为300KHz脉冲信号，经水传输至有机玻璃板，一部分超声波信号直接经有机玻璃板上表面反射，反射的超声波信号由超声波聚焦锥6耦合到光导纤维3的倾斜光栅4上，沿光导纤维3传播，对倾斜光栅4产生弯曲或拉伸应变，导致光导纤维3的几何长度、折射率等参量发生改变，进而调制光信息。反射的超声波信号由超声波聚焦锥6耦合至倾斜光栅4上，可调激光器发出的窄线宽激光通过光纤环形器传输至倾斜光栅4，被调制的光信息经超声波聚焦锥6反射的光信号再经本发明传输至光纤环形器，传输至光电探测器，光电探测器将光信号转换成电压信号，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。实验测得超声信号见图4。
在图4中，横坐标是在一定时间范围内采集点的数量，共1400个采样点，纵坐标是电压，表示采集到超声波信号的能量大小。在检测有机玻璃板上反射的超声波信号时，采样点928和1257处分别出现了有机玻璃上表面和下表面反射的超声波信号，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，有机玻璃板表面反射的超声信号可清晰识别。可用于地震物理模型超声探测，也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、潜艇声纳等诸多技术领域。
(3)在水箱内装入水，水箱底部倾斜放置一块厚度为50mm的有机玻璃板。用倾斜光纤光栅超声波传感器将沿一直线检测该倾斜有机玻璃板反射的超声波信号。实验所用300KHz的脉冲超声波信号，检测区域是长度为50mm的直线，每隔1mm测量一次。将检测到的50个点进行整理并成像，结果如图5所示。
在图5中，横坐标是本发明检测的长度范围，表征为有机玻璃板被探测的宽度，纵坐标将最低点定为0mm标定的有机玻璃板的高度值。由图5可见，倾斜有机玻璃板的上、下表面均被检测到，有机玻璃板的厚度为50mm，与实际相符合。表明倾斜光纤光栅超声波传感器在地震物理模型成像中，测量结果稳定、成像清晰、精确度高，可满足对地震物理模型成像要求。

Claims (4)

1.一种倾斜光纤光栅超声波传感器，在光纤安装环(1)的侧壁径向设置有两个中心线在同一条直线上的光纤固定管(2)，写有倾斜光栅(4)的光导纤维(3)一端从一个光纤固定管(2)内穿出光纤安装环(1)、另一端从另一个光纤固定管(2)内穿出光纤安装环(1)，在光纤安装环(1)上端用胶粘接有保护盖(5)、下端用胶粘接有锥尖与倾斜光栅(4)搭接的超声波聚焦锥(6)，其特征在于：所述的保护盖(5)的几何形状为半球体，保护盖(5)的上端面为平面与光纤安装环(1)的上端在同一个平面内、下端面置于光纤安装环(1)内；所述的超声波聚焦锥(6)的下端面为球缺凹面。
2.根据权利要求1所述的倾斜光纤光栅超声波传感器，其特征在于：所述的超声波聚焦锥(6)的锥角为30°～120°，底部球缺凹面为半球体。
3.根据权利要求1所述的倾斜光纤光栅超声波传感器，其特征在于：所述的倾斜光栅(4)的波长为1520～1580nm，栅区长度为2～10mm。
4.根据权利要求1所述的倾斜光纤光栅超声波传感器，其特征在于：所述的胶是用环氧树脂与钨粉按质量比为1:1混合配制成，胶固化后形成滤波层(7)。
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