CN115406521A - 一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声探测领域，更具体地，涉及一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统。本发明的装置包括信号解调模块、超声探测模块以及阵列式温控反馈系统。探测光经过1*n光纤耦合器、光环形器阵列、超声探测模块后被反射成为探测信号。阵列式温控反馈系统通过对探测信号转化而成的直流电压信号进行分析，将反馈信号输出给超声探测模块，使系统获得最大的探测灵敏度。本发明采用光纤传感结合温控反馈的手段，可在实际应用中形成集成化，小型化的超声探测系统，可用于多种超声测量场合。本发明具备体积小、分辨率高、成本低的特点，能够对外界超声实现高灵敏度感知。
Description
技术领域
本发明属于超声探测领域，更具体地，涉及一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统。
背景技术
超声作为一种无损探测信号，在生活中有着广泛的应用，例如在医疗健康领域，B超便是超声成像的一大应用，在建筑工程方面，利用声发射传感器进行大型建筑的探伤操作也已十分普遍，还有海洋探测领域的声纳，日常生活中的倒车雷达等，都是基于超声检测这一方法。
现阶段的超声检测设备多为电子式，易受电磁干扰影响，且尺寸大难以大规模复用，而利用光纤搭建的超声探测系统不仅尺寸小、灵活性高，并且杜绝了电磁干扰的问题，受到了广泛的关注。
在光纤超声探测系统中，基于FP腔的相位调制型光纤超声传感器有着较高的灵敏度，但是由于制作工艺的限制，每个传感器的工作点难以统一，对应的在复用系统中需要多个解调激光器进行探测以实现复用效果，使得探测系统成本大幅增加。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统，旨在解决现有的光纤超声传感器的大规模低成本复用问题。
本发明的技术方案是：一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，包括信号解调模块、超声探测模块、阵列式温控反馈系统，阵列式温控反馈系统的输入端口与信号解调模块相连，输出端口分别连接于超声探测模块；超声探测模块包括多个超声探测单元；超声探测单元的第一输入端连接于信号解调模块，第二输入端分别连接于阵列式温控反馈系统，其特征在于：超声探测单元包括超声探针和温控装置；超声探针内嵌于温控装置；超声探针分别连接信号解调模块，温控装置的输入端分别连接于阵列式温控反馈系统的输出端口；信号解调模块产生的探测光进入到超声探针后，被超声探针反射回到信号解调模块中成为探测信号；超声探针包括引导光纤、第一反射膜、聚合物薄膜以及第二反射膜，构成一个基于Fabry-Perot干涉仪原理的传感结构；温控装置接收阵列式温控反馈系统的控制信号，对超声探针进行加热或者制冷。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：温控装置是紧贴在超声探针上的TEC片，其接收阵列式温控反馈系统的控制电压信号，对超声探针进行加热或者制冷。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：引导光纤为单模光纤。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：第一反射膜和第二反射膜对于探测光的反射率在80％以上；聚合物薄膜的材料杨氏模量在100MPa～100GPa范围。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：聚合物薄膜在受到温控装置作用时会发生膨胀或收缩。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：信号解调模块包括窄线宽激光器、1*n光纤耦合器、光环形器阵列，光电探测器阵列和数据采集装置；窄线宽激光器的输出端口连接于1*n光纤耦合器，1*n光纤耦合器的输出端口分别连接于光环形器阵列的第一端口，光环形器阵列的第二端口分别连接于超声探测单元的第一输入端，光环形器阵列的第三端口分别连接于光电探测器阵列的输入端口，光电探测器阵列的第一输出端口连接于数据采集装置的输入端口，光电探测器阵列的第二输出端口分别连接于阵列式温控反馈系统的输入端口。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：窄线宽激光器发出的探测光激光为C波段范围内的固定波长激光，数据采集装置的采样率大于100MHz，分辨率为12位。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：光电探测器阵列中每个光电探测器都包含两个输出端口；光电探测器的交流输出端口连接于数据采集装置的输入端口，将探测信号转换为电压信号输出至数据采集装置；光电探测器的直流输出端口连于阵列式温控反馈系统的输入端口，用于将直流信号作为反馈信号输出至阵列式温控反馈系统，对超声探测单元的工作温度进行调制。
根据如上所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：数据采集装置具有和1*n光纤耦合器分光比一样的通道数。
本发明还公开了一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，采用如上所述的基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在进行超声探测前，所述阵列式温控反馈系统通过对温度的扫描，得到系统中的直流信号随温度变化的响应曲线；
S2.所述阵列式温控反馈系统通过对所述响应曲线进行信号处理，得到响应曲线斜率最大处对应的温度值，并记录此时的直流信号大小作为工作点偏压；
S3.所述阵列式温控反馈系统将所述曲线斜率最大处的温度值作为反馈信号输入给所述超声探测模块；
S4.在进行超声探测模块过程中，所述阵列式温控反馈系统会时刻监测直流信号大小，当信号出现偏离工作点偏压的情况时，再次将对应的反馈信号输入给所述超声探测模块，通过控制温控装置对超声探针进行加热或者制冷，使直流信号始终稳定在工作点偏压附近。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统，通过基于光纤的结构设计，可以实现小型化、集成化的超声探测系统，具备体积小、集成度高、本质安全以及抗电磁干扰的特点；
2、本发明提供的一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统，通过温控和FP腔传感的手段，实现了一种成本低、灵敏度高的超声探测系统；
3、本发明提供的一种基于温控反馈的阵列式超声探测系统，通过阵列化设计，大大提高了超声检测效率。
附图说明
图1是本发明提供的基于温控反馈的阵列式超声探测系统示意图；
图2是本发明提供的超声探测模块示意图。
附图标记说明：窄线宽激光器1、1*n光纤耦合器2、光环形器阵列3、超声探测单元4、超声探针41、引导光纤411、第一反射膜412，聚合物薄膜413、第二反射膜414、温控装置42、数据采集装置5、光电探测器阵列6、阵列式温控反馈系统7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，包括信号解调模块、超声探测模块、阵列式温控反馈系统7。阵列式温控反馈系统7的输入端口与信号解调模块相连，输出端口分别连接于超声探测模块；超声探测模块包括多个超声探测单元4；超声探测单元4的第一输入端连接于信号解调模块，第二输入端分别连接于阵列式温控反馈系统7。
如图1和图2所示，超声探测单元4包括超声探针41和温控装置42；超声探针41内嵌于温控装置42；超声探针41分别连接信号解调模块，温控装置42的输入端(即超声探测单元4的第二输入端)分别连接于阵列式温控反馈系统7的输出端口，温控装置42(超声探测单元4的第二输入端)接收阵列式温控反馈系统7的控制信号，对超声探针41进行加热或者制冷。信号解调模块产生的探测光进入到超声探针41后，被超声探针41反射回到信号解调模块中成为探测信号。超声探针41包括引导光纤411、第一反射膜412、聚合物薄膜413以及第二反射膜414，构成一个基于Fabry-Perot干涉仪原理的传感结构；引导光纤411为单模光纤；第一反射膜412和第二反射膜414对于探测光的反射率在80％以上；聚合物薄膜413的材料杨氏模量在100MPa～100GPa范围；聚合物薄膜413在受到超声波作用时会产生形变，从而引起探测光在第一反射膜412和第二反射膜414之间的光程变化，对内部光束干涉行为进行调制，引起探测信号的强度变化，通过对探测信号进行强度监测，即可实现对外部超声信号的探测。聚合物薄膜413的热膨胀系数小于10-3/℃，在受到温控装置作用时会发生膨胀或收缩，使得超声探针41在接收外界超声信号时具有最大的灵敏度。
本发明温控装置42接收阵列式温控反馈系统7的控制信号，对超声探针41进行加热或者制冷。本发明的聚合物薄膜413在受到温控装置的信号作用时，会产生膨胀或者收缩，使得超声探针在接收外界超声信号时具有最大的灵敏度。
信号解调模块包括窄线宽激光器1、1*n光纤耦合器2、光环形器阵列3，光电探测器阵列6和数据采集装置5；窄线宽激光器1的输出端口连接于1*n光纤耦合器2，1*n光纤耦合器2的输出端口分别连接于光环形器阵列3的第一端口，光环形器阵列3的第二端口分别连接于超声探测单元4的第一输入端，光环形器阵列3的第三端口分别连接于光电探测器阵列6的输入端口，光电探测器阵列6的第一输出端口连接于数据采集装置5的输入端口，光电探测器阵列6的第二输出端口分别连接于阵列式温控反馈系统7的输入端口。
作为本发明的进一步方案，窄线宽激光器1发出的探测光激光波长为C波段范围内固定波长的激光，如1550nm，数据采集装置5的采样率大于10MHz，如为100MHz，分辨率为12位。
窄线宽激光器1用于产生连续窄线宽探测光，其波长固定，能够实现单纵模输出，保证了光源的单色性，满足了检测的精确性要求。1*n光纤耦合器2用于将窄线宽探测光分成n路，分别输入到光环形器阵列3中，光环形器阵列3用于将探测光分别输入到超声探测单元4；光环形器阵列3还用于将由超声探测单元4反射回来的探测信号分别输入到光电探测器阵列6中；光电探测器阵列6将接收到的探测信号转换为电压信号输出至数据采集装置5，数据采集装置5用于接受电压信号，并将电压信号进行波形显示，通过监测电压信号的强度变化来获得外部超声信息。
光电探测器阵列6中每个光电探测器都包含两个输出端口；光电探测器的交流输出端口连接于数据采集装置5的输入端口，将探测信号转换为电压信号输出至数据采集装置5，实现超声探测；光电探测器的直流输出端口连于阵列式温控反馈系统7的输入端口，用于将直流信号作为反馈信号输出至阵列式温控反馈系统7，从而对超声探测单元4的工作温度进行调制。
本发明的数据采集装置5具有和1*n光纤耦合器2分光比一样的通道数，可以同时显示多通道数据并存储，实现多路超声信号的同时探测。
在外界超声作用下，阵列式温控反馈系统7通过快速温度扫描得到对应于不同温度下的信号值，取信号最大时对应的温度值作为阵列式温控反馈系统7的控制信号，输出至超声探测模块。本发明的阵列式温控反馈系统7同时会受到信号解调模块的反馈信号调制，当反馈信号发生变化时，阵列式温控反馈系统7输出给超声探测模块的工作温度会发生变化，使得信号解调模块探测灵敏度保持最大。
本发明提供的超声探针41的制作流程如下所述：将引导光纤411端面切平并清理干净，利用真空蒸发镀膜技术在引导光纤411端面镀上第一反射膜412，其对于探测光具有80％以上的反射率，通过提拉法在镀有第一反射膜412的引导光纤411端面继续提拉一层聚合物薄膜413并固化处理，继续通过真空蒸发镀膜技术在引导光纤411端面镀上第二反射膜414，即可制得超声探针41。由Fabry-Perot干涉腔的反射率公式
其中R为第一反射膜412和第二反射膜414对探测光的反射率，δ＝4πn0h/λ表示探测光在所述第一反射膜412和第二反射膜414之间的反射一次的光程，n0、h分别为聚合物薄膜413的材料折射率和物理长度，λ为所述探测光的波长，I(i)为入射探测光的强度，第一反射膜412和第二反射膜413的高反射率值可以使得I(r)具有尖锐的腔传递函数。
当系统工作时，首先通过温度扫描，得到对应超声探针41的工作温度，阵列式温控反馈系统7将工作温度作为控制信号输出给温控装置42。外部超声由超声探针41的干涉仪结构接收。通过在数据采集装置5上进行波形显示，可以同时获得多点的外部超声信号信息。
本发明还公开了基于温控反馈的阵列式超声探测的方法，包括以下步骤：
S1.在进行超声探测前，阵列式温控反馈系统7通过20～40℃的温度扫描，得到系统中的直流信号随温度变化的响应曲线；
S2.阵列式温控反馈系统7通过对响应曲线进行信号处理，得到响应曲线斜率最大处对应的温度值，并记录此时的直流信号大小作为工作点偏压；
S3.阵列式温控反馈系统7将曲线斜率最大处的温度值作为反馈信号输入给超声探测模块；
S4.在进行超声探测过程中，阵列式温控反馈系统7会时刻监测直流信号大小，当信号出现偏离工作点偏压的情况时，再次将对应的反馈信号输入给超声探测模块；具体的，当信号偏压高于工作点偏压时，通过温控装置42对超声探针41进行加热，使得聚合物薄膜413膨胀，进而让Fabry-Perot腔的光谱向长波方向移动，实现信号偏压与工作偏压的重合，反之当信号偏压高于工作点偏压时，通过温控装置42对超声探针41进行制冷，使直流信号始终稳定在工作点偏压附近。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，包括信号解调模块、超声探测模块、阵列式温控反馈系统(7)，阵列式温控反馈系统(7)的输入端口与信号解调模块相连，输出端口分别连接于超声探测模块；超声探测模块包括多个超声探测单元(4)；超声探测单元(4)的第一输入端连接于信号解调模块，第二输入端分别连接于阵列式温控反馈系统(7)，其特征在于：超声探测单元(4)包括超声探针(41)和温控装置(42)；超声探针(41)内嵌于温控装置(42)；超声探针(41)分别连接信号解调模块，温控装置(42)的输入端分别连接于阵列式温控反馈系统(7)的输出端口；信号解调模块产生的探测光进入到超声探针(41)后，被超声探针(41)反射回到信号解调模块中成为探测信号；超声探针(41)包括引导光纤(411)、第一反射膜(412)、聚合物薄膜(413)以及第二反射膜(414)，构成一个基于Fabry-Perot干涉仪原理的传感结构；温控装置(42)接收阵列式温控反馈系统(7)的控制信号，对超声探针(41)进行加热或者制冷。
2.根据权利要求1所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在进行超声探测前，所述阵列式温控反馈系统(7)通过对温度的扫描，得到系统中的直流信号随温度变化的响应曲线；
S2.所述阵列式温控反馈系统(7)通过对所述响应曲线进行信号处理，得到响应曲线斜率最大处对应的温度值，并记录此时的直流信号大小作为工作点偏压；
S3.所述阵列式温控反馈系统(7)将所述曲线斜率最大处的温度值作为反馈信号输入给所述超声探测模块；
S4.在进行超声探测模块过程中，所述阵列式温控反馈系统(7)会时刻监测直流信号大小，当信号出现偏离工作点偏压的情况时，再次将对应的反馈信号输入给所述超声探测模块，通过控制温控装置(42)对超声探针(41)进行加热或者制冷，使直流信号始终稳定在工作点偏压附近。
3.根据权利要求1所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：温控装置(42)接收阵列式温控反馈系统(7)的控制信号，对超声探针(41)进行加热或者制冷。
4.根据权利要求1所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：引导光纤(411)为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：第一反射膜(412)和第二反射膜(414)对于探测光的反射率在80％以上；聚合物薄膜(413)的材料杨氏模量在100MPa～100GPa范围。
6.根据权利要求1所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：聚合物薄膜(413)在受到温控装置(42)作用时会发生膨胀或收缩，聚合物薄膜(413)的热膨胀系数小于10-3/℃。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：信号解调模块包括窄线宽激光器(1)、1*n光纤耦合器(2)、光环形器阵列(3)，光电探测器阵列(6)和数据采集装置(5)；窄线宽激光器(1)的输出端口连接于1*n光纤耦合器(2)，1*n光纤耦合器(2)的输出端口分别连接于光环形器阵列(3)的第一端口，光环形器阵列(3)的第二端口分别连接于超声探测单元(4)的第一输入端，光环形器阵列(3)的第三端口分别连接于光电探测器阵列(6)的输入端口，光电探测器阵列(6)的第一输出端口连接于数据采集装置(5)的输入端口，光电探测器阵列(6)的第二输出端口分别连接于阵列式温控反馈系统(7)的输入端口。
8.根据权利要求7所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：窄线宽激光器(1)发出的探测光为C波段范围内固定波长的激光，数据采集装置(5)的采样率大于10MHz，分辨率为12位。
9.根据权利要求7所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：光电探测器阵列(6)中每个光电探测器都包含两个输出端口；光电探测器的交流输出端口连接于数据采集装置(5)的输入端口，将探测信号转换为电压信号输出至数据采集装置(5)；光电探测器的直流输出端口连于阵列式温控反馈系统(7)的输入端口，用于将直流信号作为反馈信号输出至阵列式温控反馈系统(7)，对超声探测单元(4)的工作温度进行调制。
10.根据权利要求7所述的一种基于温控反馈的阵列式超声探测装置，其特征在于：数据采集装置(5)具有和1*n光纤耦合器(2)分光比一样的通道数。
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