CN107255511A - 一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法，校准方法包括以下步骤：脉冲激光器向铝板发射脉冲激光；铝板接收脉冲激光信号，并产生光声信号；水听器和光纤光栅传感器同时接收铝板产生的光声信号，光纤光栅传感器结合水听器测出的各频率比重，获得光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线；利用纹影法获得某一频率点的光纤灵敏度；结合光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线与某一频率点测得的光纤灵敏度，获得校准后的光纤光栅传感器灵敏度曲线。与现有技术相比，本发明采用纹影法具有非侵入和成像速度快特点，采用的光声效应避免了单一声信号的互相干扰以及避免了逐点校准的繁琐等优点。

Description

一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域，尤其是涉及一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法。
背景技术
与传统的压电式换能器类似，因为本身存在特征频率，所以光纤光栅传感器也对不同的频率有不同的灵敏度，当入射声场能够激发传感器某一模态时，其在光纤中传播的应力场较大，所以在该频率下，传感器对声压灵敏度较高。此外，光纤光栅传感器本身的传感原理也使其频率响应不均匀。
传统的压电传感器声场测量技术已发展多年，然而其缺点，如破坏声场、受电磁干扰、不耐高压及腐蚀等问题始终未得到解决。本发明所要解决的技术问题是针对光纤光栅传感器本身存在特征频率，因此需要对其灵敏度进行检测；以及克服传统压电传感器破坏声场、受电磁干扰、不耐高压及腐蚀等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法。本发明利用光声效应，避免了不停调整光纤位置及更换不同中心频率换能器，保证换能器的时域波形不产生畸变；采用纹影法测量超声场，具有非侵入和成像速度快的特点，避免了水听器等传统测量器件对声场的干扰。相比于现在常用的水听器测量方法，纹影法在测量超声场时具有非侵入和成像速度快的特点。纹影法成像系统是一种研究透明介质中声场分布的一种有效的办法。其光路系统简单，并且易于测量媒质中微弱的相位变化，利用这个特点，可以观测到声场改变水的密度分布而引起的光场相位分布，进而获得声场信息。由于其非侵入式的特点，避免了水听器等传统测量器件对声场的干扰。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，该方法采用纹影法和光声效应，该方法包括以下步骤：
S1、脉冲激光器向铝板发射脉冲激光；
S2、铝板接收脉冲激光信号，并产生光声信号；
S3、水听器接收铝板产生的光声信号，得到脉冲声源的各频率比重；
S4、光纤光栅传感器同时接收铝板产生的光声信号，结合水听器测出的各频率比重，获得光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线；
S5、利用纹影法获得设定频率点的光纤灵敏度；
S6、结合光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线与设定频率点测得的光纤灵敏度，获得校准后的光纤光栅传感器灵敏度曲线。
S6中对于光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线，将各频率对应的光纤光栅水听器声响信号相对值均与设定频率点测得的光纤灵敏度相乘，最终获得校准后的光纤光栅传感器灵敏度曲线。
步骤S5包括以下步骤：
S501、点聚焦换能器向液体样本发射聚焦声场；
S502、脉冲激光器向受聚焦声场影响的液体样品发射激光；
S503、纹影法光学模块在像平面成像后，用摄像头进行声场拍摄，测得中心频率焦点处声压，获得某一频率点测得的光纤灵敏度。
所述的摄像头为高速摄像头ICCD。
S3中水听器接收铝板产生的光声信号，结合水听器自身的频响曲线，得到脉冲声源的各频率所占比重。
S5中利用纹影法获得某一频率点的光纤灵敏度即获得所测频率范围内所有频率点的光纤灵敏度。
一种采用上述任一项所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法的无扰动校准装置，该装置包括脉冲激光器、铝板、水听器、光纤光栅传感器、点聚焦换能器和纹影法光学模块，所述的脉冲激光器向铝板发射脉冲激光信号，所述的铝板接收脉冲激光信号并产生光声信号，所述的水听器和光栅传感器分别接收铝板的光声信号，所述的点聚焦换能器向液体样本发射聚焦声场，同时利用纹影法光学模块获得中心频率焦点处声压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中，针对光纤光栅传感器本身存在特征频率，公开了一种用于光纤传感器检测灵敏度校准的无扰动光学装置和方法，克服了传统压电传感器破坏声场、受电磁干扰、不耐高压及腐蚀等问题。
(2)本发明所采用的纹影法行波场定量测量方法，可以在某一频率对光纤进行校准，采用纹影法测量超声场，具有非侵入和成像速度快的特点，避免了水听器等传统测量器件对声场的干扰。
(3)本发明所采用的光声效应，可以将发射光信号和产生的声信号区分开，避免了单一声信号的互相干扰，避免了不停调整光纤位置及更换不同中心频率换能器，保证换能器的时域波形不产生畸变；
(4)另外，由于采用光声效应，避免了逐点校准需要不断调整光纤位置和不同中心频率换能器的繁琐过程，也避免了因激励电压过大造成换能器信号畸变。
附图说明
图1为本发明系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明公开了一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法，包含装置和方法两部分。一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置包括脉冲激光器、铝板、水听器、光纤光栅传感器、点聚焦换能器、纹影法光学系统，光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，主要涉及纹影法和光声效应。脉冲激光器作为光声信号的光源，用于产生脉冲激光；铝板用于接收脉冲激光信号，并产生光声信号；水听器用于接收铝板产生的声信号；光纤光栅传感器作为校准对象，用于同时接收铝板产生的声信号；点聚焦换能器用于纹影法中产生聚焦声场；纹影法光学系统用于检测超声声场；纹影法用于在频域上对光纤光栅传感器进行校准；光声效应作为产生光声信号的理论基础。
本发明结合光声效应与纹影法检测光纤传感器灵敏度，解决了破坏声场、受电磁干扰、不耐高压及腐蚀等问题。相比于现在常用的水听器测量方法，纹影法在测量超声场时具有非侵入和成像速度快的特点。由于其非侵入式的特点，避免了水听器等传统测量器件对声场的干扰，实现了简单准确地对光线传感器进行灵敏度校准。如图1所示，本发明公开了一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准装置及方法。
系统工作包括以下步骤：
步骤一，脉冲激光器向铝板发射脉冲激光；
步骤二，铝板接收脉冲激光信号，并产生光声信号；
步骤三，水听器接收铝板产生的光声信号，得到脉冲声源的各频率比重；
步骤四，光纤光栅传感器同时接收铝板产生的光声信号，结合各频率比重，获得光纤光栅水听器的频响曲线相对分布；
步骤五，点聚焦换能器向液体样本发射聚焦声场；
步骤六，激光器向受声场影响的液体样品发射激光，用于纹影法测量声场；
步骤七，纹影法光学系统在像平面成像后，用高速摄像头ICCD进行声场拍摄，测得焦点处声压；
步骤八，结合步骤四中光纤光栅水听器频响曲线相对分布与步骤七中在某一频率点测得的光纤灵敏度，获得频率响应；
本发明中，所采用的脉冲激光器作为产生光声信号的光源，用于产生脉冲激光。
本发明中，所采用的铝板作为光声信号转换的媒质，用于接收脉冲激光，基于光声原理，产生光声信号，有效地区分出发射信号和激发信号，得到宽频脉冲声信号，满足方程
其中p(r,t)为声压，H(r,t)为入射激光在样品上激发的热源函数，H(r,t)＝A(r)I(t)，A(r)是样品的光吸收分布，I(t)为照射光强，β为热膨胀系数，Cp为比热容，c是样品中声传播速度。
本发明中，所采用的水听器，测量激光照射铝板产生的宽频脉冲声波，对其进行频谱分析，结合水听器自身的频响曲线，可得到脉冲声源的各频率所占比重。
本发明中，光纤光栅传感器放在铝板另一侧，与水听器同时接收来自铝板的脉冲声波，通过傅里叶变换后得到频域上各频率的分布，结合水听器测出的各频率所占比重即可求得光纤光栅水听器频响曲线相对分布，光纤光栅水听器频响曲线相对分布即光纤光栅各频率分布信号强度值与水听器得到的脉冲声源各频率所占比重相除所得。
本发明中，点聚焦换能器作为背景声场产生的源，向液体样品发射聚焦声场，有利于测量的焦点处声压。
本发明中，激光器向受声场影响的样品发射一束激光，经过扩束后，通过第一个凸透镜变为平行光，投射到受声场影响的液体样品，用于纹影法平面行波场的声压定量测量。
本发明中，纹影法光学系统将经过液体样品台后的光，再通过透镜2和透镜3组成的系统到达像平面，在像平面上，采用高速摄像头ICCD进行声场的拍摄，得到中心频率下焦点处声压，并获得电压-声压比值；所求声压满足方程：
其中为宗量，可由各级衍射光光强得到：只与各级衍射光相对光强有光，与激光器输出光强无关；kray为光波波数；αp为绝热压光系数；L为声光作用距离；ps为平面波声压幅值，ρ0为液体密度，c0为液体中的声速。
本发明中，求得的光纤光栅水听器频响曲线相对分布与步骤七中纹影法在某一频率点测得的光纤灵敏度，获得所测频率范围内所有点的频率响应。
本发明中，针对光纤光栅传感器本身存在特征频率，公开了一种用于光纤传感器检测灵敏度校准的无扰动光学装置和方法。克服了传统压电传感器破坏声场、受电磁干扰、不耐高压及腐蚀等问题。利用光声效应，避免了不停调整光纤位置及更换不同中心频率换能器，保证换能器的时域波形不产生畸变；采用纹影法测量超声场，具有非侵入和成像速度快的特点，避免了水听器等传统测量器件对声场的干扰。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，该方法采用纹影法和光声效应，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、脉冲激光器向铝板发射脉冲激光；
S2、铝板接收脉冲激光信号，并产生光声信号；
S3、水听器接收铝板产生的光声信号，得到脉冲声源的各频率比重；
S4、光纤光栅传感器同时接收铝板产生的光声信号，结合水听器测出的各频率比重，获得光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线；
S5、利用纹影法获得设定频率点的光纤灵敏度；
S6、结合光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线与设定频率点测得的光纤灵敏度，获得校准后的光纤光栅传感器灵敏度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，其特征在于，S6中对于光纤光栅水听器的频响曲线相对分布曲线，将各频率对应的光纤光栅水听器声响信号相对值均与设定频率点测得的光纤灵敏度相乘，最终获得校准后的光纤光栅传感器灵敏度曲线。
3.根据权利要求1所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：
S501、点聚焦换能器向液体样本发射聚焦声场；
S502、脉冲激光器向受聚焦声场影响的液体样品发射激光；
S503、纹影法光学模块在像平面成像后，用摄像头进行声场拍摄，测得中心频率焦点处声压，获得某一频率点测得的光纤灵敏度。
4.根据权利要求3所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，其特征在于，所述的摄像头为高速摄像头ICCD。
5.根据权利要求1所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，其特征在于，S3中水听器接收铝板产生的光声信号，结合水听器自身的频响曲线，得到脉冲声源的各频率所占比重。
6.根据权利要求1所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法，其特征在于，S5中利用纹影法获得某一频率点的光纤灵敏度即获得所测频率范围内所有频率点的光纤灵敏度。
7.一种采用权利要求1～6任一项所述的一种光纤传感器检测灵敏度的无扰动校准方法的无扰动校准装置，其特征在于，该装置包括脉冲激光器、铝板、水听器、光纤光栅传感器、点聚焦换能器和纹影法光学模块，所述的脉冲激光器向铝板发射脉冲激光信号，所述的铝板接收脉冲激光信号并产生光声信号，所述的水听器和光栅传感器分别接收铝板的光声信号，所述的点聚焦换能器向液体样本发射聚焦声场，同时利用纹影法光学模块获得中心频率焦点处声压。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108896091A (zh) * 2018-07-26 2018-11-27 吉林大学 一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统
CN109781241A (zh) * 2019-02-01 2019-05-21 华南师范大学 一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85203469U (zh) * 1985-08-21 1986-11-19 北京工业学院 一种新型的纹影仪
US20050245824A1 (en) * 2004-04-20 2005-11-03 Acoustic Marketing Research, A Colorado Corporation, D/B/A Sonora Medical Systems, Inc. High-intensity focused-ultrasound hydrophone
CN102072761A (zh) * 2010-12-06 2011-05-25 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法
CN106338331A (zh) * 2016-08-11 2017-01-18 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85203469U (zh) * 1985-08-21 1986-11-19 北京工业学院 一种新型的纹影仪
US20050245824A1 (en) * 2004-04-20 2005-11-03 Acoustic Marketing Research, A Colorado Corporation, D/B/A Sonora Medical Systems, Inc. High-intensity focused-ultrasound hydrophone
CN102072761A (zh) * 2010-12-06 2011-05-25 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法
CN106338331A (zh) * 2016-08-11 2017-01-18 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 一种超声水听器灵敏度多频点绝对校准方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜学平 等: "纹影法对声场成像的理论和实验研究", 《声学技术》 *
徐峥 等: "点聚焦声场的三维纹影法成像研究", 《声学技术》 *
徐峥 等: "点聚焦换能器声场的可视化和测量", 《声学技术》 *
陈皓 等: "纹影法在超声场成像中的应用", 《声学技术》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108896091A (zh) * 2018-07-26 2018-11-27 吉林大学 一种光纤光栅解调仪的标定方法及系统
CN109781241A (zh) * 2019-02-01 2019-05-21 华南师范大学 一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法
CN109781241B (zh) * 2019-02-01 2020-11-03 华南师范大学 一种基于光声效应测量超声场分布的装置及方法

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