CN116558621A - 一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法 - Google Patents

一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法 Download PDF

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CN116558621A CN202310367337.5A CN202310367337A CN116558621A CN 116558621 A CN116558621 A CN 116558621A CN 202310367337 A CN202310367337 A CN 202310367337A CN 116558621 A CN116558621 A CN 116558621A
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涂兴华
钱晨
徐宁
马正北
范红
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Abstract

本发明公开一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法，在相移光栅栅区位置进行封装，使用聚氨酯弹性材料，并固化于金属圆柱筒中，弹性材料外径要远大于将相移光栅直径，保持相移光栅位于弹性材料的中轴线，金属圆柱筒一端封闭，另一端开口，弹性材料与金属圆柱筒紧密贴合，构成完成而严密的传感器封装，本发明利用弹性材料封装相移光栅纵向受压的形式，结合其透射峰的极高斜率和线性度，实现更加简易和高灵敏的声波测量，通过测量经过传感器调制的窄线宽激光输出光功率大小，其读取的测量数据与声压传感公式为线性关系，解决了传统光纤光栅声波传感灵敏度低的问题。

Description

一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法
技术领域
本发明涉及声波传感器领域，特别是一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法。
背景技术
光纤光栅声波的传感当中，灵敏度问题一直是制约其发展进步的重要问题之一，一般来说光栅做横向传感的应用非常多，而导致光栅产生中心波长漂移的因素主要是轴向应变，因此通过直接让光栅纵向受压产生轴向应变会大大提高光栅的传感灵敏度，通过相移光栅透射峰高斜率、高线性光谱，将反射光功率大小转化为对应的电压大小值，即可反推声波压强大小值。由此线性边缘滤波法即成为可行方案之一。
针对裸光纤光栅在声波作用下的应变灵敏度过低导致难以检测到有效的反射波长变化的问题，在同等声压作用下，采用低杨氏模量弹性材料并以纵向传感为模型，可实现传感增敏，另一方面，开展相移光栅纵向传感应变的传递，结合线性边缘滤波法的探测方法，计算相移光栅的传输矩阵，可提供声波检测的解决方案。
本发明基于相移光栅整体纵向受压的条件，结合弹性力学和形变分析，计算封装了弹性材料的相移光栅的应变大小，以及导致的波长漂移，并计算出光栅的透射光谱，由于窄线宽激光波长固定在相移光栅透射光谱的透射峰半高处，波长漂移会导致激光反射功率的线性变化，将其转化为电信号后结合测量出大小和频率即可反演出外界声波的声压及频率大小。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是裸光纤光栅在声波作用下的应变灵敏度过低导致难以检测到有效的反射波长变化；
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种相移光栅纵向声波传感器，其包括封装单元，所述封装单元包括相移光栅、套设于相移光栅上的圆柱筒、填充于圆柱筒内的弹性材料、设置于所述相移光栅的一端连接窄线宽激光光源、设置于所述相移光栅另一端的连接光电探测器以及连接光电探测器的示波器。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述光电探测器测量出光功率数据；
将所述弹性材料的纵向应变传递到相移光栅上；
所述弹性材料受到外界声波压强P产生轴向应变，传递到相移光栅发生相应应变；
建立相移光栅矩阵模型。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述窄线宽激光光源发出远小于相移光栅透射峰带宽的窄线宽光源，经过传感器调制后，由光电探测器测量出光功率数据。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述圆柱筒屏蔽来自其他方向上的声波，只留下开口处的纵向声波，对于纵向声波传感，弹性材料作为受压区域，将自身的纵向应变传递到相移光栅上。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述弹性材料半径为R，远大于光栅，与相移光栅等效为一个整体，受纵向声波动态压强为P。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述弹性材料收到外界声波压强P而发生轴向应变，传递到相移光栅发生相应应变，而其他方向由于未受到声波压强而未发生应变，产生的轴向应变为：
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述相移光栅受到轴向拉应力时，会发生轴向应变，从而导致反射波长发生漂移，建立相移光栅矩阵模型，相移光栅在轴向压强作用条件下，传输过程为：
中间还需乘以一个相移矩阵构成完整传输矩阵。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：在声波频率及声压大小范围内测量，示波器读取数据V为：
V＝KP
其中V为示波器所测量得到的数据，P为施加在传感器上的声压大小，K为特定常数，与弹性材料、相移光栅斜率等有关。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：所述相移光栅的透射谱，根据传输矩阵的思想，将光栅等效为n个均匀光栅，均匀光栅的传输矩阵为：
其中为光栅的直流失谐量，/>为光栅的交流耦合系数，γ2＝σ2-|κ2|，l为均匀光栅长度，neff为光栅的有效折射率；
在相移光栅的传输矩阵中，相移矩阵为：
其中为相移量；
这样就可以得到整个相移光栅的传输矩阵，表示为：
代入初始条件可以得出相移光栅的透射光强H为：
根据声波作用在上面的产生的应变大小，计算得出相移光栅受压产生的透射峰谱图。
作为本发明所述一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法的一种优选方案，其中：根据传输矩阵法，通过计算出每个均匀光栅产生的应变可以求得整个相移光栅的透射谱变化，每段均匀光栅产生的应变导致的光栅周期变化ΔΛ和有效折射率变化Δneff为：
其中Λ为光栅周期，E1为弹性材料的杨氏模量；v为纤芯的泊松比；p11与p12为光栅的光弹系数，其值分别为p12＝0.27，p11＝0.121。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用相移光栅透射峰极高的斜率和线性度特性进行纵向声波传感测量，通过特殊的封装方式，保护了相移光栅强度的同时，将外界压强通过弹性材料传递至光栅进行传感测量；
(2)本发明采用了线性边缘滤波法的声波探测方式，相移光栅的波长漂移产生的光强变化十分明显，灵敏度有很大提升；
(3)本发明通过测量经过传感调制的激光强度信息的方式，使得测量的数据和声压的传感公式为线性关系，解决了传统光纤光栅传感光谱变化灵敏度问题；
(4)本发明的弹性材料可以采用不同杨氏模量的材料，将传递至相移光栅的声压调制更大或更小，以适应不同的应用环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是根据实施例的本发明相移光栅封装结构示意图
图2是根据实施例的本发明传感器与光源和光电探测器及示波器组成的传感系统示意图。
图3是声波纵向作用于弹性材料时声压分布曲线。
图4是传感器受到正向声压压缩时弹性材料示意图。
图5是传感器未受到声压时示意图。
图6是传感器受到反向声压膨胀时弹性材料示意图。
图7是不同弹性材料封装下传感器受到声压作用时的应变灵敏度，其中复数代表声压方向。
图8为均匀光栅(FBG)封装下的传感器在声波作用下激光反射率曲线，其中复数代表声压方向。
图9为相移光栅封装下的传感器在声波作用下激光反射率曲线，其中复数代表声压方向。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1、图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种相移光栅纵向声波传感器及封装方法，其特征在于包括，封装单元100，封装单元100包括相移光栅101、套设于相移光栅101上的圆柱筒102、填充于圆柱筒102内的弹性材料103、设置于相移光栅101的一端连接窄线宽激光光源104、设置于相移光栅101另一端的连接光电探测器105以及连接光电探测器的示波器106。
根据光电探测器105测量出光功率数据；
将弹性材料103的纵向应变传递到相移光栅101上；
弹性材料103受到外界声波压强P产生轴向应变，传递到相移光栅101发生相应应变；
建立相移光栅101矩阵模型。
窄线宽激光光源104发出远小于相移光栅101透射峰带宽的窄线宽光源，经过传感器调制后，由光电探测器105测量出光功率数据。
圆柱筒102屏蔽来自其他方向上的声波，只留下开口处的纵向声波，对于纵向声波传感，弹性材料103作为受压区域，将自身的纵向应变传递到相移光栅101上。
弹性材料103半径为R，远大于光栅，与相移光栅101等效为一个整体，受纵向声波动态压强为P。
弹性材料103收到外界声波压强P而发生轴向应变，传递到相移光栅101发生相应应变，而其他方向由于未受到声波压强而未发生应变，产生的轴向应变为：
相移光栅101受到轴向拉应力时，会发生轴向应变，从而导致反射波长发生漂移，建立相移光栅101矩阵模型，相移光栅101在轴向压强作用条件下，传输过程为：
中间还需乘以一个相移矩阵构成完整传输矩阵。
在声波频率及声压大小范围内测量，示波器106读取数据V为：
V＝KP
其中V为示波器106所测量得到的数据，P为施加在传感器上的声压大小，K为特定常数，与弹性材料103、相移光栅101斜率等有关。
相移光栅101的透射谱，根据传输矩阵的思想，将光栅等效为n个均匀光栅，均匀光栅的传输矩阵为：
其中为光栅的直流失谐量，/>为光栅的交流耦合系数，γ2＝σ2-|κ2|，l为均匀光栅长度，neff为光栅的有效折射率；
在相移光栅101的传输矩阵中，相移矩阵为：
其中为相移量；
这样就可以得到整个相移光栅101的传输矩阵，表示为：
代入初始条件可以得出相移光栅101的透射光强H为：
根据声波作用在上面的产生的应变大小，计算得出相移光栅受压产生的透射峰谱图。
根据传输矩阵法，通过计算出每个均匀光栅产生的应变可以求得整个相移光栅的透射谱变化，每段均匀光栅产生的应变导致的光栅周期变化ΔΛ和有效折射率变化Δneff为：
其中Λ为光栅周期，E1为弹性材料103的杨氏模量；v为纤芯的泊松比；p11与p12为光栅的光弹系数，其值分别为p12＝0.27，p11＝0.121。
实施例2
参照图3～图6，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，在相移光栅101栅区位置进行封装，使用聚氨酯弹性材料103，并固化于金属圆柱筒102中，弹性材料103外径要远大于将相移光栅101直径，保持相移光栅101位于弹性材料103的中轴线，金属圆柱筒102一端封闭，另一端开口，弹性材料103与金属圆柱筒102紧密贴合，构成完成而严密的传感器封装。
优选地，传感器封装中，相移光栅101的一端与窄线宽激光光源104连接，另一端与光电探测器相连105，继而与示波器106相连。
优选地，窄线宽激光光源104发出远小于相移光栅101透射峰带宽的的窄带光源，经过传感器调制后，由光电探测器105测量出光功率数据。
优选地，金属圆柱筒102屏蔽来自其他方向上的声波，只留下开口处的纵向声波，对于纵向声波传感，弹性材料103作为受压区域，将自身的纵向应变传递到相移光栅101上。
优选地，内部弹性材料103，对于相移光栅101起到保护和增敏作用。
优选地，封装的弹性材料半径为R，远大于光栅，与相移光栅101等效为一个整体，受纵向动态声波为P。
优选地，弹性材料103收到外界声波压强P而发生轴向应变，传递到相移光栅101发生相应应变，而其他方向由于未受到声波压强而未发生应变，产生的轴向应变为：
优选地，相移光栅101受到轴向拉应力时，会发生轴向应变，从而导致反射波长发生漂移，建立相移光栅101矩阵模型，相移光栅101在轴向压强作用条件下，传输过程为：
中间还需乘以一个相移矩阵构成完整传输矩阵。
优选地，在特定声波频率和声压大小范围内测量，示波器的读数为：
V＝KP
其中V为示波器所测量得到的数据，P为施加在传感器上的声压大小，K为特定常数。其线性系数K会随着弹性材料的杨氏模量大小、弹性材料体积等变化而变化，所以应当针对每一个封装成品作线性斜率的预测量。
实施例3
参照图3～图6，为本发明第三个实施例，该实施例基于上一个实施例，一种相移光栅101纵向声波传感器及封装方法，在相移光栅101栅区位置进行封装，使用弹性材料103，并固化于金属圆柱筒102中，弹性材料103外径要远大于将相移光栅101直径，保持相移光栅101位于弹性材料103的中轴线，金属圆柱筒102一端封闭，另一端开口，弹性材料103与金属圆柱筒102紧密贴合，构成完成而严密的传感器封装，利用弹性材料103封装相移光栅101纵向受压的形式，结合其透射峰的极高斜率和线性度，实现更加简易和高灵敏的声波测量。
相移光栅101、金属圆柱筒102、弹性填充材料103，由所述的各物品组合封装而成传感器，即为封装后的组合体。
传感器中相移光栅101的一端与窄线宽激光光源104相连，另一端与光电探测器相连，继而与示波器相连，通过接入窄线宽光源，经过传感器调制后，由接入的光电探测器探测出透射的光功率大小，继而转化为外界声压大小，继而由示波器读取出电压值，从而得到待测参量大小。
在传感器封装结构中，选用相移光栅101，其光栅栅区长度为L，光纤直径为d＝0.125mm，使用低杨氏模量的弹性材料103对其进行封装，降低光栅杨氏模量的同时也起到了保护光栅的作用，弹性材料103外径为D，应远大于光纤内径d。
在弹性材料103外面是金属圆柱筒102，金属圆柱筒102一端开口用以感受外界声压变化，另一侧封闭，圆柱筒102的内径与弹性材料103的外径D相等，弹性材料103紧密贴合金属圆筒内壁，没有缝隙，金属圆柱筒102可以屏蔽横向声压，让传感器只受到来自纵向的声压。
经过弹性材料103封装的相移光栅101，由于弹性材料103占比非常大，且外径远大于光纤，故可近似等效为杨氏模量较低的相移光栅101传感器，因为声波P＝Pacos(wt)是一种伸缩交替变化的机械正弦波，其中Pa为声压幅值，w为声波的圆频率，t为时间，所以当弹性体侧面在受到来自纵向的动态声波P的作用时，也会发生相应膨胀与压缩交替变化的特性；
对于相依光栅的透射谱，根据传输矩阵的思想，将光栅等效为n个均匀光栅，均匀光栅的传输矩阵为：
其中为光栅的直流失谐量，/>为光栅的交流耦合系数，γ2＝σ2-|κ2|，l为均匀光栅长度，neff为光栅的有效折射率。
在相移光栅101的传输矩阵中，相移矩阵为：
其中为相移量。
这样就可以得到整个相移光栅101的传输矩阵，表示为：
代入初始条件可以得出相移光栅101的透射光强H为：
根据声波作用在上面的产生的应变大小，就可以计算得出相移光栅101受压产生的透射峰谱图。
在经过弹性体封装后，声波P纵向作用于传感器时，声压大小沿着相移光栅101纵向分布呈现正弦分布，根据传输矩阵法，通过计算出每个均匀光栅产生的应变可以求得整个相移光栅101的透射谱变化，每段均匀光栅产生的应变导致的光栅周期变化ΔΛ和有效折射率变化Δneff为：
其中Λ为光栅周期，E1为弹性材料103的杨氏模量；v为纤芯的泊松比；p11与p12为光栅的光弹系数，其值分别为p12＝0.27，p11＝0.121
根据传输矩阵法计算出弹性体封装后的相移光栅101的透射谱。
根据不同弹性体材料杨氏模量的不同，封装后的应变灵敏度提升各有不同，所以可以根据具体情况封装不同的弹性材料103。
图8和图9分别为封装后的FBG传感器和相移光栅101传感器的激光反射率曲线，这里光栅长度L均为2cm，FBG折射率调制深度Δn＝5×10-5，相移光栅101的折射率调制深度为Δn＝1×10-4。为保证激光线宽远小于反射谱线宽，设置窄线宽激光的线宽为1MHz以保障探测分辨率，初始波长设置在光栅反射谱半高处。为三种光栅涂敷聚氨酯(杨氏模量E＝190MPa，v＝0.4)涂覆层作增敏处理。
将窄线宽激光输出波长设置在相移光栅101透射峰的半高处，当传感器受到声波P作用时，弹性体会发生伸缩交替的正弦变化，将传感器的输出光强接入光电探测器继而用示波器显示，可以探测到具体的电压数值V，电压数值V与声压数值P呈线性关系,电压频率与声波频率呈对应关系，由此可以读取出声波的具体信息。
如图3所示为防止声压沿着相移光栅101纵向分布不均而导致的透射谱失真，声波波长应远大于弹性体的长度L，使得整个弹性体纵向上受到声波作用力均衡。
在限定的声波频率范围内的测量，示波器所测得的电压幅值Va与声压幅值Pa呈线性关系，其线性系数K会随着弹性材料103的杨氏模量大小、弹性材料103体积以及相移光栅101透射峰的斜率线性度等不同而不同，所以应当针对每一个封装成品作线性斜率的预测量。
相移光栅与FBG在多项指标上的对比表：
本发明公开一种相移光栅101纵向声波传感器及封装方法，在相移光栅101栅区位置进行封装，使用聚氨酯弹性材料103，并固化于金属圆柱筒102中，弹性材料103外径要远大于将相移光栅101直径，保持相移光栅101位于弹性材料103的中轴线，金属圆柱筒102一端封闭，另一端开口，弹性材料103与金属圆柱筒102紧密贴合，构成完成而严密的传感器封装。本发明利用弹性材料103封装相移光栅101纵向受压的形式，结合其透射峰的极高斜率和线性度，实现更加简易和高灵敏的声波测量。通过测量经过传感器调制的窄线宽激光输出光功率大小，其读取的测量数据与声压传感公式为线性关系，解决了传统光纤光栅声波传感灵敏度低的问题。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离发明发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种相移光栅纵向声波传感器，其特征在于：包括，
封装单元(100)，所述封装单元(100)包括相移光栅(101)、套设于相移光栅(101)上的圆柱筒(102)、填充于圆柱筒(102)内的弹性材料(103)、设置于所述相移光栅(101)的一端连接窄线宽激光光源(104)、设置于所述相移光栅(101)另一端的连接光电探测器(105)以及连接光电探测器的示波器(106)。
2.一种相移光栅纵向声波传感器的封装方法，包括权利要求1所述的相移光栅纵向声波传感器，其特征在于：
根据所述光电探测器(105)测量出光功率数据；
将所述弹性材料(103)的纵向应变传递到相移光栅(101)上；
所述弹性材料(103)受到外界声波压强P产生轴向应变，传递到相移光栅(101)发生相应应变；
建立相移光栅(101)矩阵模型。
3.如权利要求2所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述窄线宽激光光源(104)发出远小于相移光栅(101)透射峰带宽的窄线宽光源，经过传感器调制后，由光电探测器(105)测量出光功率数据。
4.如权利要求3所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述圆柱筒(102)屏蔽来自其他方向上的声波，只留下开口处的纵向声波，对于纵向声波传感，弹性材料(103)作为受压区域，将自身的纵向应变传递到相移光栅(101)上。
5.如权利要求4所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述弹性材料(103)半径为R，远大于光栅，与相移光栅(101)等效为一个整体，受纵向声波动态压强为P。
6.如权利要求5所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述弹性材料(103)收到外界声波压强P而发生轴向应变，传递到相移光栅(101)发生相应应变，而其他方向由于未受到声波压强而未发生应变，产生的轴向应变ε为：
其中，P为声压，E1为弹性材料的杨氏模量，v1为弹性材料的泊松比。
7.如权利要求6所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述相移光栅(101)受到轴向拉应力时，会发生轴向应变，从而导致反射波长发生漂移，建立相移光栅(101)矩阵模型，相移光栅(101)在轴向压强作用条件下，传输过程为：
中间还需乘以一个相移矩阵构成完整传输矩阵。其中，R0，S0为相移光栅一端的正向波与反向波，R1，S1为相移光栅另一端的正向波与反向波，T为所有传输矩阵相乘后的最终传输矩阵。
8.如权利要求1所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：在声波频率及声压大小范围内测量，示波器(106)读取数据V为：
V＝KP
其中V为示波器(106)所测量得到的数据，P为施加在传感器上的声压大小，K为特定常数，与弹性材料(103)、相移光栅(101)斜率等有关。
9.如权利要求8所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：所述相移光栅(101)的透射谱，根据传输矩阵的思想，将光栅等效为n个均匀光栅，均匀光栅的传输矩阵为：
其中为光栅的直流失谐量，/>为光栅的交流耦合系数，γ2＝σ2-|κ2|，l为均匀光栅长度，neff为光栅的有效折射率，Λ为相移光栅的光栅周期，λ为相移光栅的中心反射波长，Ac为相移光栅的调制度；
在相移光栅(101)的传输矩阵中，相移矩阵为：
其中为相移量；
这样就可以得到整个相移光栅(101)的传输矩阵，表示为：
代入初始条件可以得出相移光栅(101)的透射光强H为：
根据声波作用在上面的产生的应变大小，计算得出相移光栅受压产生的透射峰谱图。
10.如权利要求9所述的相移光栅纵向声波传感器的封装方法，其特征在于：根据传输矩阵法，通过计算出每个均匀光栅产生的应变可以求得整个相移光栅的透射谱变化，每段均匀光栅产生的应变导致的光栅周期变化ΔΛ和有效折射率变化Δne ff为：
其中Λ为光栅周期，E1为弹性材料(103)的杨氏模量；v为纤芯的泊松比；p11与p12为光栅的光弹系数，其值分别为p12＝0.27，p11＝0.121。
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