CN108375412A - 基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，在光纤陶瓷插芯的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯的中心孔的右端设置有微型悬臂梁3，在光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，单模光纤的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤的右端面是与微型悬臂梁之间保持有距离，微型悬臂梁与单模光纤端面构成光纤法布里珀罗干涉仪，与传统的法布里珀罗干涉仪相比，具有结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好等优点，能满足地震物理模型高分辨成像的要求，可用于>100kHz超声波的高灵敏感测。

Description

基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤超声传感器。
背景技术
地震物理模型是按储藏地质结构比例缩小的模拟结构，作为一种工具可用于地震波传输及理论预测，相比较于地震现场，在实验室搭建地震模型成本低，且具有很好的重复性、稳定性及可控性。超声波传感器，是获取地震物理模型内部信息的核心器件。多年来普遍用于超声检测的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探测器。但是这种电类的器件有如下几点不足：仅对特定窄频带的超声信号灵敏响应；灵敏度受限于换能器接收面积，且易受电容影响；极易受到实验室其它电子设备的干扰；探测信号随着发射源与接收器的距离增加展宽，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。
光纤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，感知超声波的强度、频率、方向等信息，分析获取超声波中携带的信息。光纤超声传感器可以有效地弥补传统压电陶瓷换能器的不足，备受广泛关注。光纤超声传感器类型按传感机理可分为：光纤光栅型、相位调制型、强度调制型等。由于超声波频率高(>20KHz)，通常采用线性滤波法、匹配滤波法，并结合光电转换和电信号放大、滤波处理技术来实现超声探测。基于此类解调方式，高灵敏度的超声感测要求光纤传感器光谱表现出较窄的带宽和极好的稳定性。光纤Fabry-Perot(FP)干涉仪作为相位调制型传感器的一种，可以通过相位信息感知超声波幅频特性，对超声响应极为灵敏，可实现微弱信号感测。例如，2009年，英国伦敦大学P.Morris等人利用聚对二甲苯-C有机材料制作出了光纤FP干涉仪，并实现了宽频带(MHz)超声波高灵敏测量。2012年，美国布拉斯加-林肯大学的F.W.Guo等人开展了基于银膜的光纤FP干涉仪的研究，实现了静态声压及1.4MHz动态脉冲超声检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在光纤陶瓷插芯的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯的中心孔的右端设置有微型悬臂梁，在光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，单模光纤的右端面是与单模光纤轴线垂直的平面，单模光纤的右端面是与微型悬臂梁之间保持有距离，微型悬臂梁与单模光纤端面构成法布里-珀罗干涉仪，腔体为开腔结构。
本发明的微型悬臂梁的几何尺寸是长为70～100μm、宽为30～70μm、厚度为0.1～1.0μm的矩形膜片。
本发明的微型悬臂梁采用金箔或铝箔或聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯膜。
本发明的单模光纤的右端面与微型悬臂梁之间的距离为100～300μm。
由于本发明采用了在光纤陶瓷插芯的中心孔内端部设置有微型悬臂梁，光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，形成光纤法布里珀罗干涉仪，与传统的法布里珀罗干涉仪相比，具有结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好等优点，能满足地震物理模型高分辨成像的要求，可用于>100kHz超声波的高灵敏感测。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的右视图。
图3是检测本发明的实验装置图。
图4是本发明实施例1探测的连续超声波信号时域谱。
图5是本发明实施例1探测的脉冲超声波时域谱。
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实施方式。
实施例1
本实施例的基于微型悬臂梁3的高灵敏度光纤超声传感器由光纤陶瓷插芯1、单模光纤2、微型悬臂梁3联接构成。
本实施例的光纤陶瓷插芯1是市场上销售的商品，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用金箔，微型悬臂梁3的几何尺寸是长为85μm、宽为55μm、厚度为0.5μm的矩形膜片。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2为市场上销售的商品，单模光纤2的右端面是与轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离为200μm。微型悬臂梁3与单模光纤2端面构成法布里-珀罗干涉仪，腔体为开腔结构，声压作用时，内外空气压力相同，使微型悬臂梁3完全自由振动，提高了光纤超声传感器的灵敏度；通过更换不同材料的微型悬臂梁3，调整微型悬臂梁3的杨氏模量，改变其共振频率位置，决定超声传感器的频带范围。
实施例2
本实施例中，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用金箔，微型悬臂梁3的几何尺寸是长为70μm、宽为30μm、厚度为0.1μm的矩形膜片。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离为100μm，微型悬臂梁3与单模光纤2端面之间构成的腔体为开腔结构。
实施例3
本实施例中，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用金箔，微型悬臂梁3的几何尺寸是长为100μm、宽为70μm、厚度为1.0μm的矩形膜片。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离为300μm，微型悬臂梁3与单模光纤2端面之间构成的腔体为开腔结构。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用铝箔加工成矩形膜片，微型悬臂梁3的几何尺寸与相应的实施例相同。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离与相应的实施例相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用聚二甲基硅氧烷膜加工成矩形膜片，微型悬臂梁3的几何尺寸与相应的实施例相同。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离与相应的实施例相同。
实施例6
在以上的实施例1～3中，在光纤陶瓷插芯1的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯1的中心孔的右端采用静电的方法将微型悬臂梁3吸附在光纤陶瓷插芯1的中心孔内右端，微型悬臂梁3采用聚四氟乙烯膜加工成矩形膜片，微型悬臂梁3的几何尺寸与相应的实施例相同。在光纤陶瓷插芯1的中心孔内穿插有单模光纤2，用环氧树脂胶固定单模光纤2，单模光纤2的右端面是与轴线垂直的平面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间的距离与相应的实施例相同。
本发明的工作原理如下：
本发明的基于微型悬臂梁3的高灵敏度光纤超声传感器包括两个反射面，一个反射面是单模光纤2的右端面，另一个反射面是微型悬臂梁3的内表面，单模光纤2的右端面与微型悬臂梁3之间构成法布里-珀罗干涉仪，腔体为开腔结构。由于单膜光纤与微型悬臂梁3之间存在有空气间隙，两个反射面反射回的光之间存在相位差，形成干涉。当外界超声波的声压作用在微型悬臂梁3上时，引起微型悬臂梁3高频振动，调整干涉光谱相位，导致干涉光谱漂移，配合光谱边带滤波技术，可实时探测环境超声波的频率和强度。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的基于微型悬臂梁3的高灵敏度光纤超声传感器进行了实验室实验，各种实验情况如下：
1、建立检测基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器的检测系统
检测系统包括三个部分：由信号源、放大器、压电陶瓷超声换能器(PZT)连接构成超声发射源；由可调激光器、光纤、耦合器、传感器连接成光纤传感单元；由光电探测器、数据采集卡、计算机通过电缆连接成解调单元。如图3所示。可调激光器作为光源，其线宽和分辨率分别为100KHz和0.1pm。激光从可调激光器输出，经过耦合器，导入传感器，传感器反射光强信号经耦合器到光电探测器，转变为电压信号，传输至数据采集卡，通过计算机分析。信号源和放大器驱动压电陶瓷超声换能器产生超声波信号，发射正弦或脉冲型且幅频可调的超声波。
2、实验方法
将基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器与压电陶瓷超声换能器正对放置，间隔为1-7cm。超声波经空气传播至基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，引起微型悬臂梁3振动。
3、实验结果
实验结果见图4、图5。图4是本发明实施例1探测的连续超声波信号时域谱，图5是本发明实施例1探测的脉冲超声波时域谱。由图4、5可见，本发明可作为超声波传感器，探测超声波信号，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)

1.一种基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，其特征在于：在光纤陶瓷插芯(1)的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯(1)的中心孔的右端设置有微型悬臂梁(3)，在光纤陶瓷插芯(1)的中心孔内设置有单模光纤(2)，单模光纤(2)的右端面是与单模光纤(2)轴线垂直的平面，单模光纤(2)的右端面是与微型悬臂梁(3)之间保持有距离，微型悬臂梁(3)与单模光纤(2)端面构成法布里-珀罗干涉仪，腔体为开腔结构。
2.根据权利要求1所述的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，其特征在于：所述的微型悬臂梁(3)的几何尺寸是长为70～100μm、宽为30～70μm、厚度为0.1～1.0μm的矩形膜片。
3.根据权利要求1或2所述的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，其特征在于：所述的微型悬臂梁(3)采用金箔或铝箔或聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯膜。
4.根据权利要求1或2所述的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，其特征在于：所述的单模光纤(2)的右端面与微型悬臂梁(3)之间的距离为100～300μm。
5.根据权利要求3所述的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，其特征在于：所述的单模光纤(2)的右端面与微型悬臂梁(3)之间的距离为100～300μm。
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