CN113984180A - 基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，毛细玻璃管内依次设置有紫外胶、多模光纤、单模光纤，多模光纤一端与紫外胶相连、另一端与单模光纤相连，多模光纤与单模光纤的中心线重合，单模光纤上刻写有第一光栅，紫外胶上刻写有第二光栅，第一光栅与第二光栅之间的距离为3500μm～5500μm。本发明可以实现地震物理模型超声检测，满足地震物理模型实时动态扫描中的激发和接收超声波的需求，在结构无损检测、油气田物理模型成像等技术领域，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到一种基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器。
背景技术
地震物理模型作为油藏地质构造的一种尺度模拟，一直是地震波传播研究和地震波理论预测的成功工具。而且实验室实验比现场实验更便宜、更可重复、更可控。利用一个一米立方的水箱构建地震建模系统，将地质构造的比例模型放置在水箱中。通过移动超声源和超声接收器进行模型测试。地震物理模型为理论和现场实验之间的联系提供了一种有效的方法，使我们能够在几乎理想的环境中，在没有岩石基质的情况下测量超声响应的变化。
在地震物理模型研究中，压电换能器(PZT)通常作为超声发射源和接收器，由于其强烈的谐振效应，其灵敏度高，但带宽较窄。该探测器基于压电聚合物薄膜，采用合适的匹配材料可以实现宽带响应。然而，它们的灵敏度随着尺寸和相应的电容的减小而减小。此外，由于它们的电性，它们对环境电磁干扰非常敏感。基于超声波传感器的声探测光学方法作为PZT的替代品已被许多研究者研究。光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、频率、方向等信息，提供待测物的体积、内部结构等信息。因此，光纤超声传感器引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。
对光纤F-P超声传感器而言，更大的光谱边带斜率可获得更高的超声响应灵敏度，进而得到更大的信噪比。光谱边带斜率可通过增大腔长减小自由光谱范围来提高，但与此同时，干涉腔中更大的光损耗降低了干涉谱的消光比，F-P干涉谱的自由光谱范围与消光比的矛盾关系决定着其边带斜率的大小。基于光纤布拉格光栅超声传感器因其抗电磁干扰、优异的超声传输、多功能性、紧凑的尺寸和多路复用性能而成为优秀的光学器件。2014年，Guo等人对超声波采用了相移光纤光栅。在SPMs成像中，获得了45dB的信噪比，并能识别出多层有机玻璃结构。为了进一步提高灵敏度，2021年，Gang等人提出了将倾斜布拉格光栅固定在聚丙烯管内，从而改善了很大的稳定性和方向依赖性，并在水箱中清晰地重建了有机玻璃模型的二维图像。然而对于光纤布拉格光栅，因其具有较高的杨氏模量(70GPa)而降低了其声响应幅值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、灵敏度高、结构紧凑、不受电磁干扰的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器。
解决上述技术问题所采用的的技术方案是：毛细玻璃管内依次设置有紫外胶、多模光纤、单模光纤，多模光纤一端与紫外胶相连、另一端与单模光纤相连，多模光纤与单模光纤的中心线重合，单模光纤上刻写有第一光栅，紫外胶上刻写有第二光栅，第一光栅与第二光栅之间的距离为3500～5500μm。
作为一种优选的技术方案，所述的多模光纤为渐变折射率多模光纤。
作为一种优选的技术方案，所述的第一光栅的中心波长为1550μm、栅区长度为40～200μm。
作为一种优选的技术方案，所述的第二光栅的中心波长为1550μm、栅区长度为300～500μm。
作为一种优选的技术方案，所述的多模光纤的长度为260μm。
作为一种优选的技术方案，所述的紫外胶的长度为0.3～0.8cm。
作为一种优选的技术方案，所述的毛细玻璃管的内径为210μm、外径为325μm、长度为3cm。
本发明的有益效果如下：
本发明利用飞秒激光在凝固后的紫外胶区成功写制光栅，并利用单模中的光栅提供窄谱边带,单模光纤和渐变折射率多模光纤构成光纤准直器，实现光束的准直与扩束，获得了较小自由光谱范围的同时得到了更大的消光比，极大地提高了光谱的边带斜率，在使用边缘滤波法进行超声信号解调时极大的提高了传感器的超声响应幅值；再者，采用紫外胶作为超声波响应介质，它是一种透明、无色的液体光聚合物，通过紫外灯固化，杨氏模量(2GPa)与二氧化硅(70GPa)、金属材料(几十到几百GPa)相比很小，紫外胶在超声波作用下相比其它材料具有较大的形变，从而引起紫外胶上的光栅被拉伸，使光谱边带漂移更大，因而可以获得更高的超声响应；对1MHz波段的超声信号具有良好的响应特征，在实时采集模式下，对所制作的地震物理模型的上表面和下表面的超声信号可清晰识别，适用于地震物理模型中动态扫描采集样品反射信号的要求。可用于结构无损检测、油气田物理模型成像等技术领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的干涉光谱图。
图3是用于测试本发明的测试系统示意图。
图4是在1MHz脉冲超声作用时地震物理模型超声反射波时域图。
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中，本实施例的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器由毛细玻璃管1、紫外胶5、多模光纤4、单模光纤3连接构成，毛细玻璃管1的长度为3cm、内径为210μm、外径为325μm，毛细玻璃管1内从右到左依次设置有紫外胶5、多模光纤4、单模光纤3，紫外胶5的长度为0.5cm，多模光纤4一端与紫外胶5固定相连、另一端与单模光纤3相熔接，多模光纤4为渐变折射率多模光纤4，多模光纤4的长度为260μm，多模光纤4与单模光纤3的中心线重合，多模光纤4与单模光纤3构成光纤准直器，单模光纤3上刻写有第一光栅2，第一光栅2的中心波长为1550μm、栅区长度为150μm，紫外胶5上刻写有第二光栅6，第二光栅6的中心波长为1550μm、栅区长度为400μm，第一光栅2与第二光栅6之间的距离为5330μm。
本实施例的基于紫外胶5区刻写光栅的超声传感器的制作方法为：在单模光纤3的一端熔接一段长为260μm的渐变折射率多模光纤42构成光纤准直器，将熔接有多模光纤4的一端穿入长度为3cm、内径为210μm、外径325μm的毛细玻璃管1内，利用毛细玻璃管1的毛细效应吸取一段紫外胶5，移动熔接有多模光纤4的一端使其固定在紫外胶5上合适的位置，并避免气泡的产生，使用502胶将单模光纤3与毛细玻璃管1固定，再用紫外灯照射紫外胶5区使其固化，最后利用飞秒激光分别在单模光纤3刻写第一光栅2和固化后的紫外胶5区刻写第二光栅6，同时使用光纤光栅解调仪实时观察干涉谱，如图2所示。
实施例2
在本实施例中，毛细玻璃管1内从右到左依次设置有紫外胶5、多模光纤4、单模光纤3，紫外胶5的长度为0.3cm，多模光纤4一端与紫外胶5固定相连、另一端与单模光纤3相熔接，多模光纤4为渐变折射率多模光纤4，多模光纤4的长度为260μm，多模光纤4与单模光纤3的中心线重合，多模光纤4与单模光纤3构成光纤准直器，单模光纤3上刻写有第一光栅2，第一光栅2的中心波长为1550μm、栅区长度为40μm，紫外胶5上刻写有第二光栅6，第二光栅6的中心波长为1550μm、栅区长度为300μm，第一光栅2与第二光栅6之间的距离为3500μm。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，毛细玻璃管1内从右到左依次设置有紫外胶5、多模光纤4、单模光纤3，紫外胶5的长度为0.8cm，多模光纤4一端与紫外胶5固定相连、另一端与单模光纤3相熔接，多模光纤4为渐变折射率多模光纤4，多模光纤4的长度为260μm，多模光纤4与单模光纤3的中心线重合，多模光纤4与单模光纤3构成光纤准直器，单模光纤3上刻写有第一光栅2，第一光栅2的中心波长为1550μm、栅区长度为200μm，紫外胶5上刻写有第二光栅6，第二光栅6的中心波长为1550μm、栅区长度为500μm，第一光栅2与第二光栅6之间的距离为5500μm。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，发明人采用实施例1制备的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器进行实验室研究实验，实验情况如下：
1、建立测试系统
将可调谐激光器(TSL-710)通过隔离器与光纤环形器相连，光纤环形器通过光纤与光电探测器(New focus,2117-FC)相连,光电探测器通过连接线与示波器(DS2302A)相连，脉冲波发生器(Olympus,5077R)通过BNC同轴电缆线与1MHz的压电陶瓷换(PZT)能器相连，在水箱中注入水，水箱底部放置一块厚度为12cm的地震物理模型，构成用于测试本发明的测试系统，如图3。
2、测试方法
测量时将本发明通过光纤与环形器相连，基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器浸入水中，基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器的下端面距离地震物理模型上表面2～3cm。接通可调谐激光器和脉冲发生器的电源，通过脉冲发生器驱动PZT发出1MHz的超声波，超声波传输至地震物理模型后，一部分声波信号直接经过地震物理模型上表面反射，另一部分传输至下表面后再反射，超声波耦合至光纤并沿着光纤传播时，会对传感区产生弯曲或拉伸应变，导致光纤几何长度，折射率等参量发生改变，进而调制光信息。窄带可调谐激光器的输出光经光纤环形器后传输至本发明，被调制的光信号再经本发明传输至光纤环形器，接着使用光电探测器将光信号转换为电信号后通过示波器显示出超声波形。实验结果见图4，地震物理模型上下表面的反射波信息可以清晰地分辨。
在检测地震物理模型上下表面反射的超声回波信号时，图4中采样时间14μs,133μs，155μs和175μs处出现明显的信号峰值，根据超声波在水中传播时间1400m/s和地震物理模型中传播速度1308m/s，2348和2998m/s，基于渡越时间法，可知14μs处信号峰值对应地震物理模型上表面反射的超声回波信号，175μs处信号对应地震物理模型下表面的超声回波信号。实验结果表明，本发明可以实现地震物理模型超声检测，满足地震物理模型实时动态扫描中的激发和接收超声波的需求，在结构无损检测、油气田物理模型成像等技术领域，具有广泛的应用前景。
Claims (7)
1.一种基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：毛细玻璃管(1)内依次设置有紫外胶(5)、多模光纤(4)、单模光纤(3)，多模光纤(4)一端与紫外胶(5)相连、另一端与单模光纤(3)相连，多模光纤(4)与单模光纤(3)的中心线重合，单模光纤(3)上刻写有第一光栅(2)，紫外胶(5)上刻写有第二光栅(6)，第一光栅(2)与第二光栅(6)之间的距离为3500～5500μm。
2.根据权利要求1所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的多模光纤(4)为渐变折射率多模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的第一光栅(2)的中心波长为1550μm、栅区长度为40～200μm。
4.根据权利要求1所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的第二光栅(6)的中心波长为1550μm、栅区长度为300～500μm。
5.根据权利要求1或2所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的多模光纤(4)的长度为260μm。
6.根据权利要求1所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的紫外胶(5)的长度为0.3～0.8cm。
7.根据权利要求1所述的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，其特征在于：所述的毛细玻璃管(1)的内径为210μm、外径为325μm、长度为3cm。
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| JJ GUO, ET AL: "The synthesis, molecular structure and photophysical properties of 2, 9, 16, 23-tetrakis (7-coumarinoxy-4-methyl)-phthalocyanine sensitizer", 《JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE》, vol. 1060, pages 17 - 23, XP028826688, DOI: 10.1016/j.molstruc.2013.12.028 * |
| RUI ZHOU, ET AL: "Three-Dimensional Vector Accelerometer Using a Multicore Fiber Inscribed With Three FBGs", 《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》, vol. 39, no. 10, pages 3244 - 3250, XP011853215, DOI: 10.1109/JLT.2021.3058240 * |
| 乔学光;邵志华;包维佳;荣强周;: "光纤超声传感器及应用研究进展", 物理学报, no. 07, pages 1 - 20 * |
| 邵志华: "新型高性能光纤超声波传感器研究", 《中国博士学位论文全文数据库》, no. 1, pages 47 - 65 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113984180B (zh) | 2024-04-12 |
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