CN108896221A - 一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于马赫‑增德尔干涉的冲击波信号检测装置及方法，装置包括：光电探测器中的敏感元件用于检测光路经第二分束镜的信号强度；中性滤光片用于改变光束功率，使之衰减以满足光电传感器的检测范围要求；凸透镜组用于减少与超声波相互作用区域中的探测光束直径；第一分束镜将入射激光束分成参考光束和检测光束，第二分束镜将两个光束相加以在光电传感器表面处产生干涉强度图案，两个光束的传播路径形成了一个正方形。方法包括：调节中性滤光片使光强范围在光电传感器的检测范围内；分别遮挡参考光束与检测光束，调节光电传感器的输出电压，使得光电传感器在没有光信号的情况时输出电压Uc＝‑(UA+UB)。本发明实现了冲击波信号的非接触、高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置及方法。
背景技术
冲击波是一种兼具声、光、力学特性的机械波，在不同密度和声阻抗的物质中传播速度不同，并且因为其本身就携带有一定的能量，能在与介质接触的面上产生应力作用。随着对冲击波更为深入的研究和计算机技术的发展，冲击波的应用领域从最初的工业无损检测、水下成像等工业用途领域逐步拓展到医疗康复、医疗检测等医疗领域。
冲击波最早应用于泌尿系统结石的治疗，因为其治疗过程疼痛小、创伤较小、治疗疗效突出，因此在泌尿系统结石治疗领域得到了广泛地推广。早在上个世纪80年代，Chaussy团队第一次变革性地在肾结石的治疗中应用了冲击波技术，疗效显著。冲击波技术最早是应用在治疗泌尿系统结石疾病的大型冲击波发生器中，逐渐发展到如今功能更加全面的小型医用冲击波发生器。
医疗研究人员通过大量的细胞实验与动物实验，发现低功率的冲击波对减少软骨下骨的水肿和骨内压都有明显的作用，同时也能很好地改善关节周围软组织的结构，加强关节稳定性和力量，从而缓解患者病灶的疼痛细胞。细胞实验中发现低功率冲击波有利于细胞的增殖，细胞的代谢同时也增强，细胞实验中的结果也验证了动物试验中“低功率冲击波对于体内软骨缺陷具有增强的愈合作用”的结果。
但是对于冲击波产生治疗效果的作用机理，医疗界科研人员们一直众说纷纭，到目前仍然没有一个统一标准的说法。能量作为反映冲击波强度的综合指标，是目前各种冲击波检测方案的重点研究方向。所以对于冲击波的测试指标的精准测量特别是超声波压力、能量等对于寻找冲击波治疗机理的重要性不言而喻。
目前已有的冲击波信号检测存在以下缺点：
1、接触式测量的压电、电容传感器等测量方法需要传感器直接与冲击波作用介质相接触，传感器本身会对冲击波声场造成影响。
2、现有检测中传感器的检测带宽通常不会超过150kHz(在3dB级别)，而具有冲击的声音脉冲频谱则超过1MHz。电容传感器的频率响应的有限带宽和共振导致测量波形的巨大失真和对于冲击波上升时间的过度估计。压阻和压电动态压力传感器具有较宽的带宽，但灵敏度相对较低。
3、传统冲击波检测中的空间分辨率受到传感器体积本身的限制。
针对传统冲击波检测中存在的问题，本发明提出了基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测方法及装置，用于冲击波信号的高精度检测。
发明内容
本发明提供了一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置及方法，本发明实现了冲击波信号的非接触、高精度检测，详见下文描述：
一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，所述装置包括：He-Ne激光器、中性滤光片、凸透镜组、第一分束镜、第二分束镜、第一平面镜、以及第二平面镜均在同一水平线上；
光电探测器中的敏感元件用于检测光路经第二分束镜的信号强度；中性滤光片用于改变光束功率，使之衰减以满足光电传感器的检测范围要求；凸透镜组用于减少与超声波相互作用区域中的探测光束直径；
第一分束镜将入射激光束分成参考光束和检测光束，第二分束镜将两个光束相加以在光电传感器表面处产生干涉强度图案，参考光束和检测光束的传播路径形成了一个正方形；
冲击波波源发出冲击波，作用于检测光束上，对冲击波信号进行检测。
进一步地，所述He-Ne激光器为633nm的稳定型氦氖激光器。所述冲击波波源的频率为1MHz冲击波波源。所述中性滤光片为连续可变反射型中性密度滤光片，可调光密度为0-0.2。
具体实现时，所述第一分束镜、第二分束镜均为中性分束镜，入射角为45度时可优化至50:50的分束比，适用于波长范围在350-1100nm的激光光束。
优选地，所述凸透镜组由焦距75mm凸透镜与焦距50mm凸透镜组成，可将光束直径由0.7mm调节至可变范围。
其中，所述光电传感器的检测范围为0-2V，采样频率为1Ghz，检测光波长范围为400-1000nm，且同时具有温度补偿的功能。
一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
打开He-Ne激光器，凸透镜组可以调整激光器光束平行，且光束宽度可调；
调节中性滤光片使光强范围在光电传感器的检测范围内；打开冲击波波源的开关，即可产生待检测冲击波信号；
分别遮挡参考光束与检测光束，调节光电传感器的输出电压，使得光电传感器在没有光信号的情况时输出电压等于Uc＝-(UA+UB)；
通过检测电压得到由超声引起的光的相移量，此相移量由参考光束与检测光束的干涉产生，进而获取超声声压分布函数。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本方法可以实现对冲击波信号振幅与相位的精确检测，与传统的压电超声探头、电容传感等方式相比，本发明能够准确还原冲击波信号的形状，不会丢失相位信息；
2、本方法的空间分辨率优于传统的冲击波声压检测，在本发明中被凸透镜组调整后的激光光束直径为0.8mm，且光束直径可调；
3、本方法利用马赫-增德尔干涉的方法，介质为空气，可降低检测成本。
附图说明
图1为一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置的结构图；
图2为参考光束和检测光束传播路径的示意图；
图3为声光作用区域的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
101：He-Ne激光器； 102：中性滤光片
103：凸透镜组； 104：第一分束镜；
105：第二分束镜； 106：第一平面镜；
107：第二平面镜； 108：光电传感器；
109：冲击波波源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例的检测原理为：冲击波在介质中传播时，其声压会导致介质折射率产生变化，可以等效成一个光栅，激光通过光栅时，就会产生衍射现象。检测光经过此光栅后与参考光出现相位差形成干涉条纹，干涉光强与冲击波声压成定量关系。冲击波与传感器之间不会直接发生作用，因此该检测原理为非接触式检测，不会对声场造成干扰。
实施例1
本发明实施例所述冲击波信号检测装置如图1所示，具体包含：He-Ne激光器101、中性滤光片102、凸透镜组103、第一分束镜104、第二分束镜105、第一平面镜106、第二平面镜107、光电传感器108、以及冲击波波源109。
其中，He-Ne激光器101、中性滤光片102、凸透镜组103、第一分束镜104、第二分束镜105、第一平面镜106、以及第二平面镜107均在同一水平线上，光电探测器108的敏感元件检测光路经第二分束镜105的信号强度。中性滤光片102可以改变光束功率，使之衰减以满足光电传感器108的检测范围要求。
凸透镜组103用于减少与超声波相互作用区域中的探测光束直径，即对探测光束直径进行调节，较细的探测光束可以提高空间分辨率。
第一分束镜104将入射激光束分成参考光束和检测光束，第二分束镜105将这两个光束相加以在光电传感器108表面处产生干涉强度图案，参考光束和检测光束的传播路径形成了一个正方形，如图2所示。
冲击波波源109发出冲击波，作用于检测光束上，声光作用发生在图3中所绘区域。在进行冲击波信号检测时，检测环境温度为20℃。
综上所述，本发明实施例通过上述检测装置实现了冲击波信号的非接触、高精度检测，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
本发明实施例还提供了一种冲击波信号检测方法，该方法基于上述冲击波信号检测装置，详见下文描述：
冲击波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，使介质出现疏密相间的周期性条纹，如同形成一个可擦除的相位光栅，称之为声光光栅。当激光通过声光光栅时，激光的振幅和相位受到空间调制而被衍射。由参考光束和探测光束在光电二极管表面处的干涉形成的光强度I由以下式子描述：
其中，IA和IB分别是经过分束器相加之后的探测光束和参考光束的强度，是它们之间的光学相位差。
其中，输出电压信号UD由光电传感器108测得，输出电压信号UD反映了光强度的大小。
输出电压信号UD与光强度I成比例并且有相同的形式：
其中，UA和UB分别是参考光束被遮挡时的电压、探测光束被遮挡时的电压。由公式(2)易知：
输出电压的最大值为：
输出电压的最小值为：
在此基础上调整光电传感器108的偏置电压，使之在没有光信号的情况时输出电压等于：
Uc＝-(UA+UB)，得到调整后的输出电压UD：
在声光作用处的声压与光学相位差之间的关系由下式给出：
其中，r1是冲击波波源109距离检测光束的距离，d为冲击波脉冲的宽度，G为Gladstone-Dale常数，c为声音的声速，为光学相位差，可由式(3)求出。
由此可见，干涉光强度与冲击波信号的声压分布有关，通过对干涉光强的检测，即可实现对于冲击波信号的解析。
在本发明实施例中，冲击波可在空气中形成超声光栅，激光通过超声光栅后会发生衍射，衍射光与参考光会形成干涉条纹，通过检测干涉光强度即可实现对冲击波信号的检测，具体步骤如下：
1)打开He-Ne激光器101，调节凸透镜组103的距离，将激光调节平行，其中凸透镜组由焦距75mm凸透镜(Thorlabs LB1901-ML)与焦距50mm凸透镜(Thorlabs LB1471-ML)组成，凸透镜组可以调整激光器光束平行，且光束宽度可调；
2)调节中性滤光片102，使光强范围在光电传感器108的检测范围内，光电传感器108(Thorlabs APD430A)检测范围为0-2V，检测光波长范围为400-1000nm，经中性滤光片102调整后的光强度必须在其检测范围内；
3)打开冲击波波源109的开关，即可产生待检测冲击波信号；
4)分别遮挡参考光束与检测光束，调节光电传感器108的输出电压，以便于测量数据的处理；
即，按照上述“使光电传感器108在没有光信号的情况时输出电压等于Uc＝-(UA+UB)”的方法对光电传感器108的输出电压进行调节。
5)通过检测电压可以得到由超声引起的光的相移量此相移量由参考光束与检测光束的干涉产生，在本发明实施例中，He-Ne激光器101产生的激光波长为633nm，Gladstone-Dale常数为2.26e-4m3/kg；
6)根据式(4)得到超声声压分布函数。
综上所述，本发明实施例实现了对冲击波信号振幅与相位的精确检测，与传统的压电超声探头、电容传感等方式相比，本发明实施例能够准确还原冲击波信号的形状，不会丢失相位信息。
实施例3
下面对实施例1和2中的各个器件的型号、参数给出详细的描述，详见下文：
本例中所使用的器件参数为：633nm的稳定型氦氖激光器(Thorlabs HRS015B)，频率为1MHz冲击波波源(频率可调)；连续可变反射型中性密度(ND)滤光片(Thorlabs NDC-50C-2M)，可调光密度为0-0.2；两分束镜均为中性分束镜(Thorlabs BSW26)，入射角(AOI)为45度时可优化至50:50的分束比，适用于波长范围在350-1100nm的激光光束；凸透镜组由焦距75mm凸透镜(Thorlabs LB1901-ML)与焦距50mm凸透镜(Thorlabs LB1471-ML)组成，可以将光束直径由0.7mm调节至可变范围；光电传感器108(Thorlabs APD430A)采样频率为1Ghz，满足冲击波波源激发频率为1MHz的采样要求，检测范围为400-1000nm且同时具有温度补偿的功能。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：He-Ne激光器、中性滤光片、凸透镜组、第一分束镜、第二分束镜、第一平面镜、以及第二平面镜均在同一水平线上；
光电探测器中的敏感元件用于检测光路经第二分束镜的信号强度；中性滤光片用于改变光束功率，使之衰减以满足光电传感器的检测范围要求；凸透镜组用于减少与超声波相互作用区域中的探测光束直径；
第一分束镜将入射激光束分成参考光束和检测光束，第二分束镜将两个光束相加以在光电传感器表面处产生干涉强度图案，参考光束和检测光束的传播路径形成了一个正方形；
冲击波波源发出冲击波，作用于检测光束上，对冲击波信号进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述He-Ne激光器为633nm的稳定型氦氖激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述冲击波波源的频率为1MHz冲击波波源。
4.根据权利要求1所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述中性滤光片为连续可变反射型中性密度滤光片，可调光密度为0-0.2。
5.根据权利要求1所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述第一分束镜、第二分束镜均为中性分束镜，入射角为45度时可优化至50:50的分束比，适用于波长范围在350-1100nm的激光光束。
6.根据权利要求1所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述凸透镜组由焦距75mm凸透镜与焦距50mm凸透镜组成，可将光束直径由0.7mm调节至可变范围。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测装置，其特征在于，
所述光电传感器的检测范围为0-2V，采样频率为1Ghz，检测光波长范围为400-1000nm，且同时具有温度补偿的功能。
8.一种基于马赫-增德尔干涉的冲击波信号检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
打开He-Ne激光器，凸透镜组可以调整激光器光束平行，且光束宽度可调；
调节中性滤光片使光强范围在光电传感器的检测范围内；打开冲击波波源的开关，即可产生待检测冲击波信号；
分别遮挡参考光束与检测光束，调节光电传感器的输出电压，使得光电传感器在没有光信号的情况时输出电压等于Uc＝-(UA+UB)；
通过检测电压得到由超声引起的光的相移量，此相移量由参考光束与检测光束的干涉产生，进而获取超声声压分布函数。
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