CN107421629A - 一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，包括：ASE宽带光源，光纤环形器，传感光纤布拉格光栅，光纤耦合器，匹配光纤布拉格光栅，第一、第二两个光电探测电路模块，第一、第二两个前置放大器电路模块，数字采集卡，FPGA，计算机；本发明主要用于航空航天飞行器结构件的损伤检测，具有灵敏度高，穿透力强，响应速度快，传输距离远，抗电磁干扰能力强等优点；本发明利用对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感方法，系统的匹配光纤布拉格光栅可以有效的降低温度变化对传感光纤布拉格光栅的影响，提高系统稳定性和检测精度，对采集的两路信号作差，可以消除系统中的共模干扰，提高系统的信噪比。

Description

一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统

技术领域

本发明属于超声波检测技术领域，特别涉及一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统。

背景技术

超声波是一种振动频率高于声波的机械波。超声波检测结构件缺陷技术就是采用高灵敏度的超声波传感器采集来自超声探头发出的信号，并通过对这些超声波信号的幅值，时间，波形变化等参数来了解结构件缺陷的发展状况，以实现对结构件健康状况的检测。由于超声波检测技术的穿透能力强、灵敏度高、普适性等优点，使得它在航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估有广泛的应用。

光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内产生周期性变化的折射率分布，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜。宽带光进入光纤布拉格光栅，只有满足其反射条件的很窄的光才能被光纤布拉格光栅反射回去。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，光纤布拉格光栅一经问世，便在光纤传感领域发挥重要作用，并在高速公路、桥梁、矿山、地质勘探、铁路、石油、天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。

现有的光纤光栅传感系统如中国专利CN200610130121.3“光纤光栅传感系统”、CN200920129512.2“一种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系统”都可以同时测量温度与应变；现有的光栅超声波检测系统如中国专利CN201420775445.2“用于电网电气设备局部放电检测的光纤布喇格光栅超声波检测系统”等超声波检测系统适于在恒温环境下检测，若环境温度变化较大，则会影响光纤布拉格光栅检测精度。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅引入超声波检测领域，提供了一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，该系统具有检测灵敏度高、精度高、穿透力强、不受电磁干扰、适于动和静态检测、适于恒温和变温环境工作等特点。

本发明的技术方案：一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，所述传感系统包括：ASE宽带光源，光纤环形器，传感光纤布拉格光栅，光纤耦合器，匹配光纤布拉格光栅，第一、第二两个光电探测电路模块，第一、第二两个前置放大器电路模块，数字采集卡，FPGA，计算机；其中，光纤环形器的A端口和B端口分别连接ASE宽带光源和传感光纤布拉格光栅，C端口连接光纤耦合器的D端口；光纤耦合器的E端口通过与匹配光纤布拉格光栅与第一个光电探测电路模块相连，F端口与第二个光电探测电路模块相连；ASE宽带光源发出的宽带光经过光纤环形器到达传感光纤布拉格光栅，符合光纤布拉格光栅条件的窄带光从传感光纤布拉格光栅返回到光纤环形器，再进入光纤耦合器；通过光纤耦合器后光被均匀的分成两路，其中一路通过匹配光纤布拉格光栅后进入第一光电探测电路模块，另一路直接进入第二光电探测电路模块；两路光经过第一光电探测电路模块和第二光电探测电路模块转化为电信号，再分别通过第一前置放大器电路模块和第二前置放大器电路模块进行信号放大后，输入数字采集卡后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA解调，得出超声波信息，最后在计算机上进行分析与显示。

进一步的，所述ASE宽带光源，中心波长1545nm，3dB带宽40nm。

进一步的，所述光纤环形器，工作波长为1550±20nm。

进一步的，所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器，分光比为50:50。

进一步的，所述匹配光纤布拉格光栅，要与传感光纤布拉格光栅相匹配，即匹配光纤布拉格光栅的3dB点与传感光纤布拉格光栅的3dB点相交，并且要求两个光栅的反射比、边摸抑制比、3dB带宽等参数基本一致。

进一步的，所述第一、第二两个光电探测电路模块为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路模块。

进一步的，所述第一、第二两个前置放大器电路模块，带宽为20kHz—1200kHz，信噪比50dB以上。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的光纤布拉格光栅传感器检测超声波传感系统大多数都工作在恒温或温度变化较小的环境下，一旦环境温度变化较大，光纤布拉格光栅的检测超声波信号精度便会降低，影响最终检测结果，而本发明采用匹配光纤布拉格光栅检测超声波信号传感系统，系统有共2个光纤布拉格光栅，其中一个作为匹配光纤布拉格光栅，另一个作为传感光纤布拉格光栅，实现实时温度自补偿，可以最大限度的降低温度对传感光纤布拉格光栅传感器的影响，使得传感光纤布拉格光栅传感器在变温环境下同样具有正常工作的能力；此外该系统为对比型，即同时采集两路信号，对两路信号作差，可消除系统光源、光电探测器的设备产生的共模干扰，提高了信噪比，由此系统可以检测幅值较弱的超声波信号。

附图说明

图1是对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统的原理图；

图中：1为ASE宽带光源，2为光纤环形器，3为传感光纤布拉格光栅，4为光纤耦合器，5为匹配光纤布拉格光栅，6为第一个光电探测电路模块，7为第二个光电探测电路模块，8为第一个前置放大器电路模块，9为第二个前置放大器电路模块，10为数字采集卡，11为FPGA，12为计算机；

图2是对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统测量压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号实验效果图；其中，图2(a)为压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号时系统测得的“幅值-时间”图，横坐标：时间/微秒，纵坐标：幅值/伏；图2(b)为压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号时系统测得的“幅值-频率”图，横坐标：频率/kHz，纵坐标：幅值/伏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明所述的对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统包括：ASE宽带光源1，光纤环形器2，传感光纤布拉格光栅3，光纤耦合器4，匹配光纤布拉格光栅5，第一、第二两个光电探测电路模块6、7，第一、第二两个前置放大器电路模块8、9，数字采集卡10，FPGA 11，计算机12；其中，光纤环形器2的A端口和B端口分别连接ASE宽带光源1和传感光纤布拉格光栅3，C端口连接光纤耦合器4的D端口；光纤耦合器4的E端口通过与匹配光纤布拉格光栅5与第一个光电探测电路模块6相连，F端口与第二个光电探测电路模块7相连，第一、第二两个光电探测电路模块6、7分别通过第一、第二两个前置放大器电路模块8、9接入数字采集卡10，数字采集卡10出来的两路信号依次与FPGA和计算机12连接。

ASE宽带光源1发出的宽带光经过光纤环形器2到达传感光纤布拉格光栅3，符合光纤布拉格光栅条件的窄带光从传感光纤布拉格光栅3返回到光纤环形器2，再进入光纤耦合器4；通过光纤耦合器4后光被均匀的分成两路，其中一路通过匹配光纤布拉格光栅5后进入第一光电探测电路模块6，另一路直接进入第二光电探测电路模块7；两路光经过第一光电探测电路模块6和第二光电探测电路模块7转化为电信号，再分别通过第一前置放大器电路模块8和第二前置放大器电路模块9进行信号放大后，输入数字采集卡10后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA 11解调，得出超声波信息，最后在计算机12上进行分析与显示。

所述ASE宽带光源1为放大自发辐射宽带光源。宽带光源是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，它的激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是，如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，就产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE光源。它有着易于和光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB谱宽宽、模式好等一系列优点。本发明所用的宽带光源在光谱范围内平坦性好，中心波长1545nm，3dB带宽40nm。

所述光纤环形器2，工作波长为1550±20nm；所述光纤耦合器4为3dB光纤耦合器，分光比为50:50，通过光纤耦合器4的光被均匀等功率地分为两份，一束通过匹配光纤布拉格光栅5为匹配光，另一束不通过匹配光纤布拉格光栅5为参考光；所述匹配光纤布拉格光栅5，要与传感光纤布拉格光栅3相匹配，即匹配光纤布拉格光栅5的3dB点与传感光纤布拉格光栅3的3dB点相交，并且要求两个光栅的反射比、边摸抑制比、3dB带宽等参数基本一致。

所述第一、第二光电探测电路模块6、7将光信号转化为电信号，是整个系统性能高低的关键之一。本实施例所述的传感系统，光信号从宽带光源1经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到光电探测器的光功率通常都只有nW量级；本实施例又要求高频和高精度的光电转化。本实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。实例中用到的两个光电转化电路模块完全一样。

所述第一、第二两个前置放大器电路模块8、9，起到将经光电转换后的电信号放大的作用。由于所需放大的电信号属于宽频微弱信号，故需选用带宽宽，信噪比高的前置放大电路模块。本发明所用第一、第二两个前置放大器电路模块8、9，带宽为20kHz—1200kHz，信噪比50dB以上。

所述FPGA 11起到对采集到的数字信号进行滤波、解调的作用。本实施例中应用FPGA具有丰富的触发器和I/O引脚，芯片集成度高，设计周期短，开发费用低，性能稳定可靠。

如图2所示为对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统测量压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号实验效果图。将本实施例中的光纤布拉格光栅传感器粘贴在铝板上，在铝板上用压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号。图2(a)为压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号时系统测得的“幅值-时间”图，横坐标：时间/微秒，纵坐标：幅值/伏。图2(b)为压电探头施加频率为1.5MHz正弦波信号时系统测得的“幅值-频率”图，横坐标：频率/kHz，纵坐标：幅值/伏。从图2(a)可以看出，测得的时域正弦波信号较为规整。从图2(b)可以看出，测得的频域信号主频为1.5MHz，与所施加的频率相符，信噪比较高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述传感系统包括：ASE宽带光源(1)，光纤环形器(2)，传感光纤布拉格光栅(3)，光纤耦合器(4)，匹配光纤布拉格光栅(5)，第一、第二两个光电探测电路模块(6、7)，第一、第二两个前置放大器电路模块(8、9)，数字采集卡(10)，FPGA(11)，计算机(12)；其中，光纤环形器(2)的A端口和B端口分别连接ASE宽带光源(1)和传感光纤布拉格光栅(3)，C端口连接光纤耦合器(4)的D端口；光纤耦合器(4)的E端口通过与匹配光纤布拉格光栅(5)与第一个光电探测电路模块(6)相连，F端口与第二个光电探测电路模块(7)相连；ASE宽带光源(1)发出的宽带光经过光纤环形器(2)到达传感光纤布拉格光栅(3)，符合光纤布拉格光栅条件的窄带光从传感光纤布拉格光栅(3)返回到光纤环形器(2)，再进入光纤耦合器(4)；通过光纤耦合器(4)后光被均匀的分成两路，其中一路通过匹配光纤布拉格光栅(5)后进入第一光电探测电路模块(6)，另一路直接进入第二光电探测电路模块(7)；两路光经过第一光电探测电路模块(6)和第二光电探测电路模块(7)转化为电信号，再分别通过第一前置放大器电路模块(8)和第二前置放大器电路模块(9)进行信号放大后，输入数字采集卡(10)后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA(11)解调，得出超声波信息，最后在计算机(12)上进行分析与显示。

2.根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述ASE宽带光源(1)，中心波长1545nm，3dB带宽40nm。

3.根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述光纤环形器(2)，工作波长为1550±20nm。

根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述光纤耦合器(4)为3dB光纤耦合器，分光比为50:50。

4.根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述匹配光纤布拉格光栅(5)，要与传感光纤布拉格光栅(3)相匹配，即匹配光纤布拉格光栅(5)的3dB点与传感光纤布拉格光栅(3)的3dB点相交，并且要求两个光栅的反射比、边摸抑制比、3dB带宽等参数基本一致。

5.根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述第一、第二两个光电探测电路模块(6、7)为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路模块。

6.根据权利要求1所述的一种对比型的匹配光纤布拉格光栅测超声波信号传感系统，其特征是：所述第一、第二两个前置放大器电路模块(8、9)，带宽为20kHz—1200kHz，信噪比50dB以上。