CN111307935A - 一种分布式超声检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式超声检测的装置，其特征在于：它包括光源、耦合器、传感光纤串、偏振控制器、光电探测器和频谱仪，所述传感光纤串由多个不同直径的光纤子串串联组成，光源输出的单波长连续激光由耦合器分成两束，偏振控制器用于使两束单波长连续激光返回到耦合器时，形成干涉强度最大的干涉光，频谱仪用于对该干涉光进行傅里叶变换，得到激发的前向布里渊散射频谱。本发明中传感器采用光纤，能够抗电磁干扰、防腐蚀、并且能够用于易燃易爆等复杂环境。

Description

一种分布式超声检测的装置及方法
技术领域
本发明涉及光声传感技术领域，具体地指一种分布式超声检测的装置及方法。
背景技术
超声波具有良好的方向性及穿透性，与其它无损检测技术相比，基于超声波的检测技术，具有灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害等优点，超声波被广泛应用于医学、工业及军事领域。例如，在铅酸蓄电池中，超声波可用于检测电解液的浓度。同样超声波可用来对自来水、化工、医药、酿酒等生产部门的液体性质进行检测。
随着时代的发展，对超声检测提出进一步的要求，需要基于超声的分布式检测技术。然而在已有报道的专利中，一方面难以实现分布式测量；另一方面，现有分布式超声检测液体性质时，需要将单独的超声探测仪串联从而实现分布式，这种方式需要大量的超声探测仪，成本高、装置复杂。此外，在化工、酿酒等液体性质检测领域，使用电致超声具有安全隐患，并且不耐腐蚀。
专利CN102012351B公开了一种便携式蓄电池电解液超声比重计。该比重计利用单片机控制超声信号，并对测量得到的超声信号进行处理，能够实现测量液体的性质。但是这种装置并不具有分布式测量的能力。
专利CN103713044A公开了一种分布式超声波液体浓度检测系统及方法。该专利将超声波传感器放置在被测液体中，并通过RS485总线与多通道超声波浓度检测仪连接，从而实现了分布式测量液体性质的能力。然而，这种方法采用电致超声，在化工、酿酒等液体性质检测方面具有安全隐患。并且需要并联多个独立超声波传感器，分布式数量有限。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种分布式超声检测的装置及方法，本发明能实现安全、防腐蚀的分布式超声检测方式。
为实现此目的，本发明所设计的一种分布式超声检测的装置，其特征在于：它包括光源、耦合器、传感光纤串、偏振控制器和频谱仪，所述传感光纤串由多个不同直径的光纤子串串联组成，光源输出的单波长连续激光由耦合器分成两束，第一束单波长连续激光正向进入传感光纤串的各个光纤子串时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串中形成沿着传感光纤串径向传播的不同频率的超声波，不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串的光纤纤芯，此时当传感光纤串中传输的第一束单波长连续激光通过时，第一束单波长连续激光的相位受到调制，并进入偏振控制器进行光的偏振调整；
第二束单波长连续激光通过偏振控制器进行光的偏振调整后进入反向传感光纤串，并在进入传感光纤串的各个光纤子串时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串中形成沿着传感光纤串径向传播的不同频率的超声波，上述不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串的光纤纤芯，此时当传感光纤串中传输的第二束单波长连续激光通过时，第二束单波长连续激光的相位受到调制；
偏振控制器用于使两束单波长连续激光返回到耦合器时，形成干涉强度最大的干涉光，频谱仪用于对该干涉光进行傅里叶变换，得到激发的前向布里渊散射频谱。
本发明通过传感光纤串产生分布式的前向布里渊散射激发沿光纤径向的分布式的超声波，从而与光纤外部环境发生有效的相互作用；再采用频分复用的方式，能够形成分布式超声测量，实现环境液体的声阻抗检测。同时本发明中传感器采用光纤，能够抗电磁干扰、防腐蚀、并且能够用于易燃易爆等复杂环境。
附图说明
图1是本发明实施例中分布式超声检测的装置结构示意图。
图2是本发明实施例中频谱仪所测得到的传感光纤串在空气中的频谱图。
图3是本发明实施例中在空气环境下传感光纤串频谱在92.4MHz处的测量值与拟合值。
图4是本发明实施例中175μm光纤段在无水乙醇环境下传感光纤串频谱在92.4MHz处的测量值与拟合值。
图5是本发明实施例中在空气环境下传感光纤串频谱在300.4MHz处的测量值与拟合值。
图6是本发明实施例中190μm光纤段在无水乙醇环境下传感光纤串频谱在300.4MHz处的测量值与拟合值。
图7是本发明实施例中在空气环境下传感光纤串频谱在337MHz处的测量值与拟合值。
图8是本发明实施例中100μm光纤段在无水乙醇环境下传感光纤串频谱在337MHz处的测量值与拟合值。
其中，1—光源、2—耦合器、3—传感光纤串、3.1—光纤子串、4—偏振控制器、5—光电探测器、6—频谱仪。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的分布式超声检测的装置，它包括光源1、耦合器2、传感光纤串3、偏振控制器4、光电探测器5和频谱仪6，所述传感光纤串3由多个不同直径的光纤子串3.1串联组成(通过熔接或者空间耦合连接)，光源1输出的单波长连续激光由耦合器2分成两束(两束单波长连续激光的强度比无限制)，第一束单波长连续激光正向进入传感光纤串3的各个光纤子串3.1时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串3.1中形成沿着传感光纤串3径向传播的不同频率的超声波，不同频率的超声波传输到传感光纤串3的光纤包层与外界环境的分界面时，根据光纤和外界环境的声阻抗，由于声阻抗不匹配，从而，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串3.1的光纤纤芯，各个光纤子串3.1中反射超声波产生的振动，影响了各个光纤子串3.1的纤芯密度从而影响各个光纤子串3.1的纤芯折射率，此时当传感光纤串3中传输的第一束单波长连续激光通过时，第一束单波长连续激光的相位受到调制，并进入偏振控制器4进行光的偏振调整；
第二束单波长连续激光通过偏振控制器4进行光的偏振调整后进入反向传感光纤串3，并在进入传感光纤串3的各个光纤子串3.1时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串3.1中形成沿着传感光纤串3径向传播的不同频率的超声波，上述不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，根据光纤和外界环境的声阻抗，由于声阻抗不匹配，从而，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串3.1的光纤纤芯，各个光纤子串3.1中反射超声波产生的振动，影响了各个光纤子串3.1的纤芯密度从而影响各个光纤子串3.1的纤芯折射率，此时当传感光纤串3中传输的第二束单波长连续激光通过时，第二束单波长连续激光的相位受到调制；通过这两束光的相向传输，能够形成Sagnac干涉，从而能够减少其它噪声对测量的干扰，同时干涉能够提取出声波频率成分，有助于后续频谱仪检测信号，降低设备要求；
偏振控制器4用于通过对两束单波长连续激光偏振调整，使两束单波长连续激光返回到耦合器2时，形成干涉强度最大的干涉光，光电探测器5用于将干涉光转换为对应的电信号，频谱仪6用于对该干涉光对应的电信号进行傅里叶变换。通过傅里叶变化，可以快速解调干涉信号中声波频率得到激发的前向布里渊散射频谱。
上述技术方案中，耦合器2的四个端口均有带陶瓷插芯的光纤尾纤，耦合器2的四个端口均通过对应的法兰盘和光纤尾纤分别连接光源1、传感光纤串3、偏振控制器4和光电探测器5，传感光纤串3与偏振控制器4之间也是通过光纤尾纤和法兰串联。
上述耦合器2、传感光纤串3和偏振控制器4构成Sagnac环，采用Sagnac环，能够避免外界噪声干扰对测量精度的影响。本实施例中单波长连续激光的波长从可见光到红外光范围，优选1310～1560nm。
上述技术方案中，所述光源1由激光器提供，所述激光器为二极管激光器或光纤激光器，所采用激光器能够很好的耦合进光纤中，并且体积小，易于整套实验装置集成。
上述技术方案中，所述频谱仪6根据前向布里渊散射频谱上特定本征峰的线宽，并经过洛伦兹曲线拟合后，计算得到各个光纤子串3.1对应的环境液体的声阻抗。不同直径的光纤，前向布里渊散射频率峰不同。每种光纤的频率峰都包含多个。由于不同直径光纤的频率峰，部分频率可能相近，在频谱仪上可能重叠，因此需要选出没有重叠峰。这些不受其余直径光纤影响的峰可以用于代表这段光纤，即为特定本征峰。
这些本征峰中心频率只与光纤结构、直径或者材质有关。通过选择合适的光纤结构或者材质与直径，每段传感光纤具有其独有的本征峰，从而形成频分复用。通过频分复用能够定位传感光纤段的位置，形成分布式测量。
上述技术方案中，所述不同直径的光纤子串3.1的直径的范围0.1μm～1000μm。所述不同直径的光纤子串3.1的长度范围为1cm～100km。不同直径的光纤具有不同的前向布里渊散射峰，能够扩大光纤复用容量；根据使用需要可以采用不同长度的光纤，具有灵活设计传感器的潜力。
上述技术方案中，所述传感光纤串3为熔融石英光纤、红外光纤或硫系光纤。传感光纤串3的结构可以是多模光纤、少模光纤、多芯光纤、多芯少模光纤、异芯光纤、掺锗光纤、掺钇光纤、光子晶体光纤、多芯光纤、锥形光纤等。根据需要可以采用不同种类的光纤，这些不同种类的光纤具有不同的光学特性，能够用于具有特殊需要的环境下，例如，测温度测应变或者光信号处理。
上述技术方案中，所述不同直径的光纤子串3.1的个数为1～10000。所述光纤串的个数灵活可调，能够根据需要设置，具有降低成本、灵活铺设传感器的优点。
前向布里渊散射激发的声波包含TR声波模式和R声波模式，其中，R声波模式的本征峰中心频率通过公式Ωm＝(Vd·ym)/a计算，Ωm表示R声波模式的本征频率，Vd表示前向布里渊散射激发的超声在光纤中的纵向声波的声速，a表示对应光纤的半径，其中ym由下式计算：
(1-α2)J0，(ym)-a2J2(ym)＝0
式中，m表示方程的第m个解，α＝Vs/Vd，Vs表示前向布里渊散射激发的超声在光纤中的横向声波的声速，J0表示零阶贝塞尔函数，J1表示一阶贝塞尔函数。
TR声波模式本征峰通过公式Ωm1＝(Vs×ym1)/a计算，Ωm1表示TR声波模式本征频率，Vs表示前向布里渊散射激发的超声在光纤中的横向声波的声速，a表示对应光纤的半径，其中ym1由下式计算：
Figure BDA0002416618070000061
式中，m1是方程的第m1个解，α＝Vs/Vd，J2表示二阶贝塞尔函数，J3表示三阶贝塞尔函数。
上述技术方案中，所述某个光纤子串3.1对应的环境液体的声阻抗的计算公式为：
Figure BDA0002416618070000071
式中，δνm为某个光纤子串3.1在待测液体环境中时的本征峰线宽，δνs为某个光纤子串3.1在空气中时的本征峰线宽，Z0为待测液体环境的声阻抗，Zf为某个光纤子串3.1的光纤包层材质的声阻抗，Δνm为某个光纤子串3.1在待测液体环境中时的本征峰与前后峰间距的平均值。采用全光纤测量模式，可以应用在易燃易爆炸易腐蚀等高危、高温环境中，这是电传感器所不具备的特点。同时，这种方法无需对光纤表面结构进行修饰，能够极大提高传感器强度、降低传感器设计难度，减少了测量装置成本。
上述技术方案中，耦合器2可以是50％：50％分光比的2×2耦合器，也可以是任意比例分光比的2×2耦合器，或者两个1×2耦合器连接形成。
一种分布式超声检测的方法，它包括如下步骤：
步骤1：光源1输出的单波长连续激光由耦合器2分成两束；
步骤2：第一束单波长连续激光正向进入传感光纤串3的各个光纤子串3.1时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串3.1中形成沿着传感光纤串3径向传播的不同频率的超声波，不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串3.1的光纤纤芯，此时当传感光纤串3中传输的第一束单波长连续激光通过时，第一束单波长连续激光的相位受到调制，并进入偏振控制器4进行光的偏振调整；
第二束单波长连续激光通过偏振控制器4进行光的偏振调整后进入反向传感光纤串3，并在进入传感光纤串3的各个光纤子串3.1时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串3.1中形成沿着传感光纤串3径向传播的不同频率的超声波，上述不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串3.1的光纤纤芯，此时当传感光纤串3中传输的第二束单波长连续激光通过时，第二束单波长连续激光的相位受到调制；
步骤3：偏振控制器4用于使两束单波长连续激光返回到耦合器2时，形成干涉强度最大的干涉光，频谱仪6用于对该干涉光进行傅里叶变换，得到激发的前向布里渊散射频谱；
步骤4：所述频谱仪6根据前向布里渊散射频谱上本征峰的线宽，并经过洛伦兹曲线拟合后，计算得到各个光纤子串3.1对应的环境液体的声阻抗。
由于不同直径、不同结构、不同长度的或者不同材质的光纤所激发的前向布里渊散射频谱不同，因此可以通过检测不同直径、不同结构、不同长度的或者不同材质的光纤所独有的频谱，便能判断传感光纤所处位置的待测量变化，从而实现分布式声阻抗测量。本发明具有测量精度高、成本低等优点，能够用于分布式超声检测领域。
本发明实施例中，传感光纤串3包括长度为2m的100μm、175μm和190μm三段熔融石英光纤。
耦合器2优选是50％：50％分光比的2×2耦合器。
在本实施例中，对于直径100μm的光纤段，可以选择337MHz的本征峰；对于直径175m的光纤段，可以选择92.4MHz的本征峰；对于直径190μm的光纤段，可以选择300.4MHz的本征峰。传感光纤串在空气环境中时，其前向布里渊散射频谱如图2所示。
将175μm传感光纤段放在空气中，其在92.4MHz处的频谱如图3所示，其线宽为0.103MHz。将175μm传感光纤段放在酒精中，其在92.4MHz处的频谱如图4所示，其线宽为1.62MHz。对于175μm光纤，其峰间距为34.3MHz。所以测得的酒精的声阻抗为1.003×106kg·m-2·s-1，与实际值0.93×106kg·m-2·s-1非常接近。
将190μm传感光纤段放在空气中，其在300.4MHz处的频谱如图5所示，其线宽为0.38MHz。将190μm传感光纤段放在酒精中，其在300.4MHz处的频谱如图6所示，其线宽为1.818MHz。对于190μm光纤，其峰间距为31.58MHz。所以测得的酒精的声阻抗为0.976×106kg·m-2·s-1，与实际值0.93×106kg·m-2·s-1非常接近。
将100μm传感光纤段放在空气中，其在337MHz处的频谱如图7所示，其线宽为0.469MHz。将100μm传感光纤段放在酒精中，其在337MHz处的频谱如图8所示，其线宽为3.084MHz。对于100μm光纤，其峰间距为60MHz。所以测得的酒精的声阻抗为0.899×106kg·m-2·s-1，与实际值0.93×106kg·m-2·s-1非常接近。
通过测量各个本征峰谱形的线宽，从而实现分布式超声检测。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种分布式超声检测的装置，其特征在于：它包括光源(1)、耦合器(2)、传感光纤串(3)、偏振控制器(4)和频谱仪(6)，所述传感光纤串(3)由多个不同直径的光纤子串(3.1)串联组成，光源(1)输出的单波长连续激光由耦合器(2)分成两束，第一束单波长连续激光正向进入传感光纤串(3)的各个光纤子串(3.1)时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串(3.1)中形成沿着传感光纤串(3)径向传播的不同频率的超声波，不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串(3.1)的光纤纤芯，此时当传感光纤串(3)中传输的第一束单波长连续激光通过时，第一束单波长连续激光的相位受到调制，并进入偏振控制器(4)进行光的偏振调整；
第二束单波长连续激光通过偏振控制器(4)进行光的偏振调整后进入反向传感光纤串(3)，并在进入传感光纤串(3)的各个光纤子串(3.1)时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串(3.1)中形成沿着传感光纤串(3)径向传播的不同频率的超声波，上述不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串(3.1)的光纤纤芯，此时当传感光纤串(3)中传输的第二束单波长连续激光通过时，第二束单波长连续激光的相位受到调制；
偏振控制器(4)用于使两束单波长连续激光返回到耦合器(2)时，形成干涉强度最大的干涉光，频谱仪(6)用于对该干涉光进行傅里叶变换，得到激发的前向布里渊散射频谱。
2.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：它还包括光电探测器(5)，光电探测器(5)用于将干涉光转换为对应的电信号。
3.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述光源(1)由激光器提供，所述激光器为二极管激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述频谱仪(6)根据前向布里渊散射频谱上本征峰的线宽，并经过洛伦兹曲线拟合后，计算得到各个光纤子串(3.1)对应的环境液体的声阻抗。
5.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述不同直径的光纤子串(3.1)的直径的范围0.1μm～1000μm。
6.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述不同直径的光纤子串(3.1)的长度范围为1cm～100km。
7.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述传感光纤串(3)为熔融石英光纤、红外光纤或硫系光纤。
8.根据权利要求1所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述不同直径的光纤子串(3.1)的个数为1～10000。
9.根据权利要求4所述的分布式超声检测的装置，其特征在于：所述某个光纤子串(3.1)对应的环境液体的声阻抗的计算公式为：
Figure FDA0002416618060000021
式中，δνm为某个光纤子串(3.1)在待测液体环境中时的本征峰线宽，δνs为某个光纤子串(3.1)在空气中时的本征峰线宽，Z0为待测液体环境的声阻抗，Zf为某个光纤子串(3.1)的光纤包层材质的声阻抗，Δνm为某个光纤子串(3.1)在待测液体环境中时的本征峰与前后峰间距的平均值。
10.一种分布式超声检测的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：光源(1)输出的单波长连续激光由耦合器(2)分成两束；
步骤2：第一束单波长连续激光正向进入传感光纤串(3)的各个光纤子串(3.1)时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串(3.1)中形成沿着传感光纤串(3)径向传播的不同频率的超声波，不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串(3.1)的光纤纤芯，此时当传感光纤串(3)中传输的第一束单波长连续激光通过时，第一束单波长连续激光的相位受到调制，并进入偏振控制器(4)进行光的偏振调整；
第二束单波长连续激光通过偏振控制器(4)进行光的偏振调整后进入反向传感光纤串(3)，并在进入传感光纤串(3)的各个光纤子串(3.1)时激发不同频率的前向布里渊散射，不同频率的前向布里渊散射在各个光纤子串(3.1)中形成沿着传感光纤串(3)径向传播的不同频率的超声波，上述不同频率的超声波传输到光纤包层与外界环境的分界面时，分别产生对应的反射超声波反射回对应的光纤子串(3.1)的光纤纤芯，此时当传感光纤串(3)中传输的第二束单波长连续激光通过时，第二束单波长连续激光的相位受到调制；
步骤3：偏振控制器(4)用于使两束单波长连续激光返回到耦合器(2)时，形成干涉强度最大的干涉光，频谱仪(6)用于对该干涉光进行傅里叶变换，得到激发的前向布里渊散射频谱；
步骤4：所述频谱仪(6)根据前向布里渊散射频谱上本征峰的线宽，并经过洛伦兹曲线拟合后，计算得到各个光纤子串(3.1)对应的环境液体的声阻抗。
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