CN108375411A - 锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器 - Google Patents

锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器 Download PDF

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尹逊莉
陈凤仪
乔学光
荣强周
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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

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Abstract

一种锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，壳体的一端封闭、另一端设有声耦合锥，声耦合锥与壳体之间设置有消声垫，声耦合锥的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥侧壁光纤安装孔相对应壳体侧壁上加工有通孔，光纤一端穿过声耦合锥的顶部光纤安装孔伸入在壳体中、另一端依次穿过声耦合锥侧壁光纤安装孔和壳体上的通孔，光纤上刻写有布拉格光栅，光栅区位于声耦合锥内。本发明具有灵敏度高、响应频带宽、复用性好的优点，适应地震物理模型中动态扫描采集，实现超声多层成像，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、生物医疗等技术领域。

Description

锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器
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
超声波地震物理模型检测技术，是利用超声波模拟地震波，利用地震物理模型模拟地层结构，通过等比例缩小的方式在实验室内对不同种类地层地貌，油气储藏状态进行实验模拟，通过大量数据采集，建立不同种类的数据模型，为地层资源勘探和开采提供信息指导。超声波传感器，是获取地震物理模型内部信息的核心器件。传统的超声检测装置主要是压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer，PZT)，既可以作为超声发射源也可以作为接收器。该器件的主要缺点：响应带宽窄；灵敏度与换能器体积有关；易受环境电磁干扰；探测信号随着发射源与接收器的距离增加会导致信号失真；复用性差；无方向识别性。因此压电陶瓷换能器不能满足超声探测中的精确度以及泛用的需求。
针对电类传感器的缺点所在，光纤超声传感器其突出的优势，在地震物理模型检测及扫描成像方面给出了较好的解决方案。在光纤超声传感器方面，我们以前的工作主要集中在常规光纤光栅和光纤法布里‐珀罗干涉结构两种类型。光纤光栅为波长调制，容易复用，但其灵敏度较低并且可探测频率受栅区长度限制；光纤法布里‐珀罗干涉型为相位调制，灵敏度高，但复用性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤光栅传感器的缺点，提供一种灵敏度高、响应频带宽、复用性好的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：壳体的一端封闭、另一端设有声耦合锥，声耦合锥与壳体之间设置有消声垫，声耦合锥的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥侧壁光纤安装孔相对应壳体侧壁上加工有通孔，光纤一端穿过声耦合锥的顶部光纤安装孔伸入在壳体中、另一端依次穿过声耦合锥侧壁光纤安装孔和壳体上的通孔，光纤为边孔光纤，光纤上刻写有布拉格光栅，光栅区位于声耦合锥内。
作为一种优选的技术方案，所述的边孔光纤的光栅区域与光纤端面构成法布里‐珀罗干涉腔a，法布里‐珀罗干涉腔a长度为2～10mm。
作为一种优选的技术方案，所述光栅的栅区长度为2～10mm、波长为1540～1560nm。
作为一种优选的技术方案，所述的声耦合锥底面直径与壳体的外径相同。
作为一种优选的技术方案，所述的声耦合锥的底面直径为1‐10mm，声耦合锥的锥角为60°～120°。
本发明的有益效果如下：
本发明采用本征干涉型光纤光栅，将有效光谱带宽压窄至0.02nm，相比于常规单模光纤光栅的有效光谱带宽为0.2nm，大幅度提高超声波探测的信噪比，本发明对300KHz‐1MHz波段超声信号有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，适应地震物理模型中动态扫描采集，实现超声多层成像，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、生物医疗等技术领域。
附图说明
图1是本发明的实施例1的结构示意图。
图2是本征干涉型光纤光栅的结构示意图。
图3是用于测试本发明的测试系统图。
图4是采用测试系统测试实施例1基于锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器对300KHz超声的响应曲线。
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，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1中，本实施例的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器由壳体1、光纤2、布拉格光栅3、声耦合锥4、消声垫5连接构成。
壳体1的一端封闭、另一端安装有声耦合锥4，声耦合锥4底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥4的底面直径为5mm，声耦合锥4的锥角为90°，声耦合锥4与壳体1之间安装有消声垫5，声耦合锥4的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥4侧壁光纤安装孔相对应壳体侧壁上加工有通孔，光纤2一端穿过声耦合锥4的顶部光纤安装孔伸入在壳体1中、另一端依次穿过声耦合锥4侧壁光纤安装孔和壳体1上的通孔，光纤2为边孔光纤，光纤2上刻写有布拉格光栅3，该光栅区位于声耦合锥4内，边孔光纤上的光栅区域与光纤2端面构成法布里‐珀罗干涉腔a，如图2，法布里‐珀罗干涉腔a长度为6mm，光栅的栅区长度为6mm、波长为1550nm，布拉格光栅3相对于普通光栅，在光栅共振光谱的顶部叠加梳状窄带宽干涉谱，超声波耦合至光纤2并沿光纤2传播时会对传感区产生弯曲或拉伸应变，导致光纤2几何长度、折射率等参量发生改变，进而调制光信息。
实施例2
在本实施例中，壳体1的一端封闭、另一端安装有声耦合锥4，声耦合锥4底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥4的锥角为60°，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，壳体1的一端封闭、另一端安装有声耦合锥4，声耦合锥4底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥4的锥角为120°，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例4
在以上实施例1～3中，壳体1的一端封闭、另一端安装有声耦合锥4，声耦合锥4底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥4的底面直径为1mm，声耦合锥4的锥角与相应的实施例相同，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上实施例1～3中，壳体1的一端封闭、另一端安装有声耦合锥4，声耦合锥4底面直径与壳体1的外径相同，声耦合锥4的底面直径为10mm，声耦合锥4的锥角与相应的实施例相同，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例6
在以上实施例1～5中，声耦合锥4的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥4侧壁光纤安装孔相对应壳体1侧壁上加工有通孔，光纤2一端穿过声耦合锥4的顶部光纤安装孔伸入在壳体1中、另一端依次穿过声耦合锥4侧壁光纤安装孔和壳体1上的通孔，光纤2上刻写有布拉格光栅3，该光栅区位于声耦合锥4内，边孔光纤上的光栅区域与光纤2端面构成法布里‐珀罗干涉腔a，法布里‐珀罗干涉腔a长度为2mm，光栅的栅区长度为2mm、波长为1540nm。
实施例7
在以上实施例1～5中，声耦合锥4的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥4侧壁光纤安装孔相对应壳体1侧壁上加工有通孔，光纤2一端穿过声耦合锥4的顶部光纤安装孔伸入在壳体1中、另一端依次穿过声耦合锥4侧壁光纤安装孔和壳体1上的通孔，光纤2上刻写有布拉格光栅3，该光栅区位于声耦合锥4内，边孔光纤上的光栅区域与光纤2端面构成法布里‐珀罗干涉腔a，法布里‐珀罗干涉腔a长度为10mm，光栅的栅区长度为10mm、波长为1560nm。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器进行了实验，实验情况如下：
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，如图3。
2、测试方法
在水箱内装入水，水箱底部放置一块直径为10cm的半圆柱有机玻璃板，半圆柱有机玻璃板用于检测其拱形表面反射的脉冲超声波信号，测量时将本发明通过光纤与光纤环形器相连，本发明的声耦合锥4浸入水中，声耦合锥4的下端面距离半圆柱有机玻璃板上表面一定距离。接通可调激光器和超声发生器的电源，超声发生器发出的300KHz脉冲信号经水传输至有机玻璃板后，一部分声波信号直接经有机玻璃板上表面反射，另一部分传输至下表面后再反射，反射的超声波信号由声耦合锥4耦合至布拉格光栅3。可调激光器发出的窄线宽激光通过光纤环形器传输至本发明，被调制的光信息再经本发明传输至光纤环形器，传输至光电探测器，将光信号转换至电压信号，经同轴电缆传输至示波器，示波器显示出半圆柱有机玻璃板拱形反射面反射的超声信号曲线，实验结果如图4所示。由图4可见，本发明可作为超声传感器，用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗等技术领域。

Claims (5)

1.一种锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：壳体(1)的一端封闭、另一端设有声耦合锥(4)，声耦合锥(4)与壳体(1)之间设置有消声垫(5)，声耦合锥(4)的顶部和侧壁上加工有光纤安装孔，与声耦合锥(4)侧壁光纤安装孔相对应壳体(1)侧壁上加工有通孔，光纤(2)一端穿过声耦合锥(4)的顶部光纤安装孔伸入在壳体(1)中、另一端依次穿过声耦合锥(4)侧壁光纤安装孔和壳体(1)上的通孔，光纤(2)为边孔光纤，光纤(2)上刻写有位于声耦合锥(4)内的布拉格光栅(3)。
2.根据权利要求1所述的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的边孔光纤上的光栅区域与光纤(2)端面构成法布里‐珀罗干涉腔(a)，法布里‐珀罗干涉腔(a)长度为2～10mm。
3.根据权利要求2所述的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述光栅的栅区长度为2～10mm、波长为1540～1560nm、反射率为0.5％～4％。
4.根据权利要求1所述的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的声耦合锥(4)底面直径与壳体(1)的外径相同。
5.根据权利要求1或4所述的锥形声喇叭聚焦耦合的本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的声耦合锥(4)的底面直径为1～10mm，声耦合锥(4)的锥角为60°～120°。
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