CN109470353A - 级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器 - Google Patents

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Abstract

一种级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，至少三个个结构相同的光纤光栅传感单元通过铠装光纤跳线串联，相邻两光纤光栅传感单元的距离相同，光纤光栅传感单元的结构为单模光纤上封装有金属外壳，金属外壳内壁涂有声吸收涂层，位于金属外壳内单模光纤的纤芯上刻写有布拉格光栅，距离布拉格光栅末端2～8mm处纤芯上加工有反射率为0.1％～1％的反射面，布拉格光栅与反射面之间构成法布里珀罗干涉腔，金属外壳上设置有声耦合锥，声耦合锥的锥顶伸入到金属外壳内与单模光纤接触。

Description

级联复用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，具体涉及到一种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。该器件的主要缺点为响应带宽窄、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复用的需求。
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，我们前期的工作主要集中在常规光纤光栅和光纤FP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FP干涉型为相位调制，灵敏度高，但复用性差；所以我们希望结合这两类传感器的优势，制作具有光栅复用性和FP高灵敏度的新型高品质光纤超声传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、灵敏度高、稳定性好、信噪比高的级联复用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：至少三个结构相同的光纤光栅传感单元通过铠装光纤跳线串联，相邻两光纤光栅传感单元的距离相同，光纤光栅传感单元的结构为单模光纤上封装有金属外壳，金属外壳内壁涂有声吸收涂层，位于金属外壳内单模光纤的纤芯上刻写有布拉格光栅，距离布拉格光栅末端2～8mm处纤芯上加工有反射率为0.1％～1％的反射面，布拉格光栅与反射面之间构成法布里珀罗干涉腔，金属外壳上设置有声耦合锥，声耦合锥的锥顶伸入到金属外壳内与单模光纤接触。
作为一种优选的技术方案，所述的单模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为9μm。
作为一种优选的技术方案，所述的布拉格光栅的栅区长度为2～10mm、波长为1500～1600nm、反射率为0.1％～4％。
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、锥角为60°～120°。
作为一种优选的技术方案，所述的声耦合锥与金属外壳之间设置有消声垫。
作为一种优选的技术方案，所述的金属外壳的几何形状为正方体。
作为一种优选的技术方案，所述的金属外壳的几何形状为正方体，边长为5～20mm。
本发明的有益效果如下：
本发明是一种级联复用的光纤超声传感器，实现了在一根光纤上多点、高灵敏、宽频率响应好、抗电磁干扰、耐腐蚀、实时在线检测的超声传感装置，具有十分重要的科学技术意义。可以用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗、潜艇声呐探测等诸多领域。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是第一光纤光栅传感单元1的结构示意图。
图3是级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器测试系统结构示意图。
图4是级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器测到1mMhz超声响应结果图。
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。
实施例1
在图1、2中，本实施例的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器由三个光纤光栅传感单元串联构成，即第一光纤光栅传感单元1、第一铠装光纤跳线2、第二光纤光栅传感单元3、第二铠装光纤跳线4、第三光纤光栅传感单元5连接构成。
第一光纤光栅传感单元1通过第一铠装光纤跳线2与第二光纤光栅传感单元3相连，第二光纤光栅传感单元3通过第二铠装光纤跳线4与第三光纤光栅传感单元5相连，第一光纤光栅传感单元1与第二光纤光栅传感单元3及第三光纤光栅传感单元5的结构相同。
本实施的第一光纤光栅传感单元1由第一单模光纤1-1、第一金属外壳1-2、声吸收涂层1-3、布拉格光栅1-4、第一消声垫1-6、第一声耦合锥1-7连接构成。
第一单模光纤1-1的包层直径为125μm，纤芯直径为9μm，第一单模光纤1-1外封装有第一金属外壳1-2，第一金属外壳1-2的几何形状为正方体，边长为10mm，第一金属外壳1-2内壁涂有声吸收涂层1-3，声吸收涂层1-3为玻璃棉，位于第一金属外壳1-2内第一单模光纤1-1的纤芯上刻写有布拉格光栅1-4，布拉格光栅1-4的栅区长度为6mm、波长为1550nm、反射率为2％，距离布拉格光栅1-4末端5mm处纤芯上利用聚焦后的飞秒激光调制出反射率为0.6％的反射面1-5，布拉格光栅1-4与该反射面1-5之间构成法布里珀罗干涉腔，第一金属外壳1-2一侧壁安装有第一声耦合锥1-7，第一声耦合锥1-7用于将超声波耦合至第一单模光纤1-1中，第一声耦合锥1-1的底面直径为5mm、锥角为90°，第一声耦合锥1-7的锥顶伸入到第一金属外壳1-2内与第一单模光纤1-1接触，第一声耦合锥1-7与第一金属外壳1-2之间安装有第一消声垫1-6，第一消声垫1-6为海绵。
本发明的布拉格光栅与反射面构成的法布里珀罗干涉腔的光谱是在常规光纤光栅的共振光谱的顶部叠加梳状窄带宽干涉谱，其有效光谱带宽压窄至0.02nm，对300KHz～10MHz波段超声信号有良好的响应特性、稳定性、灵敏度，在实时采集模式下，光谱信噪比高，适应地震物理模型中多通道动态扫描采集，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。
本发明的光纤光栅传感单元的个数由具体工作环境决定，光纤光栅传感单元个数越多，灵敏度越高、工作效率越高。
实施例2
在本实施例中，第一单模光纤外封装有第一金属外壳，第一金属外壳的几何形状为正方体，边长为5mm，第一金属外壳内壁涂有声吸收涂层，声吸收涂层为玻璃棉，位于第一金属外壳内第一单模光纤的纤芯上刻写有布拉格光栅，布拉格光栅的栅区长度为2mm、波长为1500nm、反射率为0.1％，距离布拉格光栅末端2mm处纤芯上利用聚焦后的飞秒激光调制出反射率为0.1％的反射面，布拉格光栅与该反射面之间构成法布里珀罗干涉腔，第一金属外壳一侧壁安装有第一声耦合锥，第一声耦合锥的底面直径为1mm、锥角为60°，第一声耦合锥的锥顶伸入到第一金属外壳内与第一单模光纤接触，第一声耦合锥与第一金属外壳之间安装有第一消声垫，第一消声垫为海绵。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，第一单模光纤外封装有第一金属外壳，第一金属外壳的几何形状为正方体，边长为20mm，第一金属外壳内壁涂有声吸收涂层，声吸收涂层为玻璃棉，位于第一金属外壳内第一单模光纤的纤芯上刻写有布拉格光栅，布拉格光栅的栅区长度为10mm、波长为1600nm、反射率为4％，距离布拉格光栅末端8mm处纤芯上利用聚焦后的飞秒激光调制出反射率为1％的反射面，布拉格光栅与该反射面之间构成法布里珀罗干涉腔，第一金属外壳一侧壁安装有第一声耦合锥，第一声耦合锥的底面直径为10mm、锥角为120°，第一声耦合锥的锥顶伸入到第一金属外壳内与第一单模光纤接触，第一声耦合锥与第一金属外壳之间安装有第一消声垫，第一消声垫为海绵。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
为了验证本发明的有益效果，本发明的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器进行了以下试验，试验情况如下：
1.建立测试系统
水箱内装有水，水箱底部放置有有机玻璃板，将本发明浸入水中，可调激光器通过光纤与光纤环形器相连，本发明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，压电陶瓷换能器放置于水箱上方，构成用于测试本发明的测试系统，如图3。
2.测试方法
本发明用于检测地震物理模型(有机玻璃)表面及内部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，本发明浸入水中，声耦合锥的下端面距离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1MHz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耦合至本发明的本征干涉型光纤光栅中，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，示波器显示出有机玻璃板反射面反射的超声信号曲线，实验结果如图4所示。
3、试验结论分析
本发明实现了单通道多点超声检测，实现了在一根光纤上高响应、宽频带的多点超声检测，可以用于结构无损检测、油气田物理模型成像、弹性波速度建模、生物医疗、潜艇声呐探测等诸多领域。

Claims (7)

1.一种级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：至少三个结构相同的光纤光栅传感单元通过铠装光纤跳线串联，相邻两光纤光栅传感单元的距离相同，光纤光栅传感单元的结构为单模光纤上封装有金属外壳，金属外壳内壁涂有声吸收涂层，位于金属外壳内单模光纤的纤芯上刻写有布拉格光栅，距离布拉格光栅末端2～8mm处纤芯上加工有反射率为0.1％～1％的反射面，布拉格光栅与反射面之间构成法布里珀罗干涉腔，金属外壳上设置有声耦合锥，声耦合锥的锥顶伸入到金属外壳内与单模光纤接触。
2.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的单模光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为9μm。
3.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的布拉格光栅的栅区长度为2～10mm、波长为1500～1600nm、反射率为0.1％～4％。
4.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的声耦合锥的底面直径为1～10mm、锥角为60°～120°。
5.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的声耦合锥与金属外壳之间设置有消声垫。
6.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的金属外壳的几何形状为正方体。
7.根据权利要求1所述的级联复用本征干涉型光纤光栅超声传感器，其特征在于：所述的金属外壳的几何形状为正方体，边长为5～20mm。
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