CN110553713A - 光纤超声波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤超声波传感器，包括：单模光纤，用于传输入射光；自聚焦光纤，用于将单模光纤传输的所述入射光进行扩束和准直，从而出射平行光束；以及形成于自聚焦光纤端面的相位调制板，所述相位调制板包括位于中心部分的超声波感测面和位于外围部分的固定反射面，所述超声波感测面从所述固定反射面向外凸出入射光波长的1/8；其中，所述超声波感测面和所述固定反射面构造为分别调制所述平行光束的中心部分和外围部分的相位，使得所述中心部分和外围部分的平行光束被相位调制板反射后发生自双波束干涉。

Description

光纤超声波传感器
技术领域
本发明的实施例涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种光纤超声波传感器。
背景技术
光纤超声波传感技术作为近年来发展起来的一种新型传感技术，相较于传统的PVDF(压电薄膜)传感器，具有安全、体积小、重量轻、可多点同时测量的优点，在科技、军事领域具有重要意义。
光纤超声波传感技术包括光栅型超声波传感技术、强度型超声波传感技术和干涉型超声波传感技术三种类型。其中，干涉型超声波传感技术以超声波对光纤干涉光程差的改变为原理。相比于另外两种技术，干涉型光纤传感技术不仅在探测灵敏度上有较大优势，同时具有结构简单、抗干扰性较强等特点。
现有的光纤超声波传感器由于温度交叉干扰问题而在实际应用中受到制约。特别是对于干涉型的高灵敏度光纤超声波传感器，短时间内实际测量环境中的温度骤变会使传感器工作点发生漂移，从而产生光纤超声波传感器灵敏度降低、信号失真、线性度下降等一系列问题。
因此，有必要研究一种灵敏度高、结构简单、抗温度干扰能力强的光纤超声波传感器。
发明内容
本发明的实施例旨在提出一种灵敏度高、结构简单、抗温度干扰能力强的光纤超声波传感器。
根据本发明的一个方面，提出一种光纤超声波传感器，包括：单模光纤，用于传输入射光；自聚焦光纤，用于将单模光纤传输的所述入射光进行扩束和准直，从而出射平行光束；以及形成于自聚焦光纤端面的相位调制板，所述相位调制板包括位于中心部分的超声波感测面和位于外围部分的固定反射面，所述超声波感测面从所述固定反射面向外凸出入射光波长的1/8；其中，所述超声波感测面和所述固定反射面构造为分别调制所述平行光束的中心部分和外围部分的相位，使得所述中心部分和外围部分的平行光束被相位调制板反射后发生自双波束干涉。
根据一些实施方式，经调制的平行光束的中心部分和外围部分的波前相位差为π/2。
根据一些实施方式，所述超声波感测面由超声波膜构成，并且所述固定反射面由自聚焦光纤端面构成。
根据一些实施方式，所述超声波感测面的直径小于所述平行光束的模场直径。
根据一些实施方式，所述超声波感测面的直径为所述平行光束模场直径的3/5。
根据一些实施方式，所述超声波感测面包括以下材料的一种或多种：聚对二甲苯、二氧化硅、二氧化钛、纯硅、聚氟乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。
根据一些实施方式，所述入射光的波长范围为1525-1565nm，优选为1550nm。
根据一些实施方式，所述自聚焦光纤的长度等于其拍长的四分之一。
根据一些实施方式，所述光纤超声波传感器为全光纤超声波传感器。
根据一些实施方式，所述光纤超声波传感器的直径为125μm，自聚焦光纤的长度为500μm。
在根据本发明的实施例的光纤超声波传感器中，通过设置包括超声波感测面和固定反射面的相位调制板，对平行光束的中心部分和外围部分的相位分别进行调制，从而发生自双波束干涉以感测超声波。这种自干涉的方式无需对光束进行额外分光，并且仅借助相位调制板就能使光束中心部分和外围部分的相位产生差异，结构较为简单。此外，由于所述超声波感测面从所述固定反射面向外凸出入射光波长的1/8，相比于腔长为几百微米的传统全光纤超声波传感器，正交相位超声波感测面的工作点受温度的影响非常小，因此减少了温度干扰因素，进而可保证传感器的温度自稳定机制。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的光纤超声波传感器的结构示意图；
图2示出了图1的光纤超声波传感器的原理图；
图3示出了图1的光纤超声波传感器的温度变化图；以及
图4示出了图1的光纤超声波传感器的温度仿真图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的光纤超声波传感器100的结构示意图。如图所示，光纤超声波传感器100包括：单模光纤3，用于传输入射光，所述入射光的波长范围可以为1525-1565nm，优选为1550nm；自聚焦光纤2，用于将单模光纤3传输的入射光进行扩束和准直，从而出射平行光束4；以及形成于自聚焦光纤端面5的相位调制板1，相位调制板1包括位于中心部分的超声波感测面6和位于外围部分的固定反射面7，超声波感测面6从固定反射面7向外凸出入射光波长的1/8。超声波感测面6和固定反射面7构造为分别调制平行光束4的中心部分和外围部分的相位，使得中心部分和外围部分的平行光束4被相位调制板1反射后发生自双波束干涉。超声波9只会改变超声波感测面6的形变变化，而对外围的固定反射面7无改变。因此超声波信息可以通过干涉信号进行解调，由此形成波前调制全光纤超声波传感器。
单模光纤3只能传播一种模式的光，其模间色散很小，适于制作光纤超声波传感器。光信号可从单模光纤的纤芯31中入射至自聚焦光纤2。自聚焦光纤2可连接至单模光纤3的端面。单模光纤3和自聚焦光纤2直径相同，相位调制板1直接形成在自聚焦光纤2的端面上，从而构成一体式全光纤超声波传感器。自聚焦光纤2又称渐变折射率光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在自聚焦光纤2中传播，可以自动聚焦而不发生色散。由单模光纤3传输的波长为λ的入射光经自聚焦光纤2的扩束和准直作用后出射为平行光束4。
在本发明的一个实施例中，自聚焦光纤2的长度等于其拍长的四分之一，其中拍长指的是两个偏振分量间功率的周期交换中的周期，拍长＝波长/B(常数)。自聚焦光纤2的长度等于其拍长的四分之一，可以保证对入射光束进行更好的扩束和准直作用，以便形成需要的平行光束4。
在自聚焦光纤端面5上形成有相位调制板1，相位调制板1包括位于中心部分的超声波感测面6和位于外围部分的固定反射面7。超声波感测面6用于感测超声波9。超声波感测面6可在超声波作用下沿平行光束4的传播方向振动伸缩。在一些实施例中，超声波感测面6由超声波膜构成。超声波感测面6例如包括以下材料的一种或多种：聚对二甲苯、二氧化硅、二氧化钛、纯硅、聚氟乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。固定反射面7不发生振动，只起到反射平行光束4的作用。在一些实施例中，固定反射面7可直接由自聚焦光纤端面5构成。由此，相位调制板1成为中心部分随超声波9振动而外围部分不受超声波9影响的波前相位调制板。
由于相位调制板1的超声波感测面6和固定反射面7分别调制平行光束4的中心部分和外围部分的相位，当平行光束4到达相位调制板1并被反射后，平行光束4的外围部分和中心部分的二维空间波前相位不再一致，反射后的光束之后进入自聚焦光纤2并耦合进单模光纤3，同时发生自双波束干涉。因此，相位调制板1同时起到了分光和调制相位的作用，将中心部分和外围部分的平行光束4通过不同的相位调制区分为两个不同的分光束。当超声波9作用时，由于超声波感测面6沿平行光束4的传播方向振动伸缩，改变了中心部分的平行光束4的相位，并最终改变自双波束干涉结果，因此超声波信息可以通过干涉信号进行解调，从而实现超声波9的感测。
这种自干涉的方式无需对光束进行额外分光，并且仅借助相位调制板1就能使光束中心部分和外围部分的相位产生差异，结构简单、可简化工艺、降低生产成本。此外，由于超声波感测面6从固定反射面7向外凸出入射光波长的1/8(波长为1550nm时约194nm)，相比于腔长为几百微米的传统全光纤超声波传感器，正交相位超声波感测面的工作点受温度的影响非常小，因此减少了温度干扰因素，进而可保证传感器的温度自稳定机制。同时，光纤超声波传感器100是无源设备，因此其克服了传统超声波传感器无法在强烈电磁干扰环境下工作的缺点。
在一些实施例中，光纤超声波传感器100可以为全光纤超声波传感器，即传感器全部由光纤介质材料组成，不含有其它金属、光器件、陶瓷、塑料等材料。光纤介质材料为直径约0.125mm的石英，即使加上保护套也完全可以保证传感器直径小于医用高强度聚焦超声声场的焦斑直径0.2mm。因此其不仅具有较高的空间分辨率，同时满足医用体内狭小空间的测量要求。
为了使平行光束4的中心部分和外围部分分别被超声波感测面6和固定反射面7反射，平行光束4的模场直径应大于超声波感测面6的直径。在一些实施例中，超声波感测面6的直径为平行光束4模场直径的3/5。从而，能够更好地形成自双波束干涉。
已知在干涉型光纤超声波传感器中，当相位差在π/2时，干涉光束的强度随相位变化最快，即传感器具有最大灵敏度。因此，在本发明的实施例中，可以将经调制的平行光束4的中心部分和外围部分的波前相位差锁定在π/2。即，未受超声波作用时的初始相位差为π/2。在此基础上，当超声波感测面6在超声波9作用下发生微小变化时，光纤超声波传感器100可以较高的灵敏度感测到这种变化。
具体地，如图1所示，超声波感测面6从固定反射面7向外凸出入射光波长λ的1/8，凸出长度d在图1中示出，即d＝1/8λ。由此，相位调制板1成为一个特殊的“凸”字型结构，其中心部分较外围部分向外凸出λ/8的距离。当无超声波9作用时，由于超声波感测面6比固定反射面7向外凸出λ/8，因此平行光束4到达超声波感测面6和固定反射面7并反射回自聚焦光纤2的光程差为Δd＝2×λ/8＝λ/4，进一步地，根据相位差与光程差的换算公式得到相位差为其中，平行光束4的中心部分比外围部分的相位少了即两者正交。此时光纤超声波传感器100具有最大灵敏度。
图2示出了图1的光纤超声波传感器100的原理图。如图所示，当有超声波9作用时，相位调制板1的“凸”字型结构会发生变化，超声波感测面6相较于固定反射面7的凸出长度d不再为λ/8，相应地相位差在π/2的附近变化。此时干涉光束的强度随相位变化较快，灵敏度较高。在初始相位差为π/2的基础上，当超声波9作用于超声波感测面6时，自双波束干涉的光束强度可表示为其中Ic是超声波感测面6的反射光强，Io是固定反射面7的反射光强，是相位调制板1在超声波9作用下产生的相位差。由于平行光束4的中心部分和外围部分的初始相位是正交的，因此光纤超声波传感器100的灵敏度始终保持最大。
图3示出了图1的光纤超声波传感器100的温度变化图，其中，右侧为光纤超声波传感器100随温度变化后的示意图，左侧为对照图。如图所示，光纤超声波传感器100的超声波感测面6会随温度变化发生形变，相当于引入了对超声波感测的干扰因素。参照图1，本发明的光纤超声波传感器100的干涉腔为固定反射面7-超声波感测面6，由于超声波感测面6的凸出长度d只有波长的八分之一(波长为1550nm时约194nm)，相较于腔长为几百微米的传统光纤超声波传感器，超声波感测面6的工作点温度变化仅为传统传感器的1/2000。图4示出了图1的光纤超声波传感器100的温度仿真图，通过仿真计算可知，温度发生100℃变化时光纤超声波传感器100的工作点仅偏移0.04nm。
由此，在本发明的实施例中，由于相位差仅与相位调制板1的性质有关，而与光纤超声波传感器的其它结构参数无关，因此减少了温度干扰因素；其次，凸出长度d的长度很小，因而受温度干扰引起的偏移量非常微小。因此光纤超声波传感器100形成了较好的温度自稳定机制，使得传感器在较大的温度变化区间内处于线性工作区内，保证了传感器的工作稳定性。
在一些实施例中，光纤超声波传感器100的直径为125μm，自聚焦光纤2的长度为500μm，属于微传感器范畴，可满足例如医用体内狭小空间的测量要求。
根据本发明实施例的光纤超声波传感器100具有以下有益效果：
(1)光纤超声波传感器100所采用的波前相位自双波束干涉检测原理灵敏度较高、稳定性高、一致性好；
(2)利用相位调制板1的特殊“凸”字型结构形成了温度稳定的新机制，由使得传感器在较大的温度变化区间内处于线性工作区内，保证传感器的工作稳定性；
(3)光纤超声波传感器100是由全光纤组成，其直径约0.125mm的石英构成，即使加上保护套也完全可以保证传感器直径小于医用高强度聚焦超声声场的焦斑直径0.2mm，因此其不仅具有较高的空间分辨率，同时满足医用体内狭小空间的测量要求；
(4)光纤超声波传感器100是无源设备，因此其克服了传统超声波传感器无法在强烈电磁干扰下工作的缺点；
(5)光纤超声波传感器100的自聚焦光纤2外侧与超声波膜结合，共同安装在单模光纤3的端面，自聚焦光纤2与超声波膜的结合方式简化了传感器的结构，制作成本低，工艺简单。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种光纤超声波传感器，包括：
单模光纤，用于传输入射光；
自聚焦光纤，用于将单模光纤传输的所述入射光进行扩束和准直，从而出射平行光束；以及
形成于自聚焦光纤端面的相位调制板，所述相位调制板包括位于中心部分的超声波感测面和位于外围部分的固定反射面，所述超声波感测面从所述固定反射面向外凸出入射光波长的1/8；
其中，所述超声波感测面和所述固定反射面构造为分别调制所述平行光束的中心部分和外围部分的相位，使得所述中心部分和外围部分的平行光束被相位调制板反射后发生自双波束干涉。
2.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，经调制的平行光束的中心部分和外围部分的波前相位差为π/2。
3.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述超声波感测面由超声波膜构成，并且所述固定反射面由自聚焦光纤端面构成。
4.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述超声波感测面的直径小于所述平行光束的模场直径。
5.根据权利要求4所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述超声波感测面的直径为所述平行光束模场直径的3/5。
6.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述超声波感测面包括以下材料的一种或多种：聚对二甲苯、二氧化硅、二氧化钛、纯硅、聚氟乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。
7.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述入射光的波长范围为1525-1565nm，优选为1550nm。
8.根据权利要求1所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述自聚焦光纤的长度等于其拍长的四分之一。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述光纤超声波传感器为全光纤超声波传感器。
10.根据权利要求9所述的光纤超声波传感器，其特征在于，所述光纤超声波传感器的直径为125μm，自聚焦光纤的长度为500μm。
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