一種超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于超聲波振動檢測領域，具體涉及一種超聲振動的相移光纖光柵傳感探 測系統及其應用。
【背景技術】
[0002] 超聲波檢測也叫超聲探傷，是無損檢測的一種。無損檢測是在不損壞工件或原材 料工作狀態的前提下，對被檢驗部件的表面和內部質量進行檢查的一種檢測手段。超聲地 震物理模型實驗也是通過超聲波模擬地震波傳播的進行超聲探測的，通過超聲波在地質模 型中的傳播觀測對地震波在各種復雜地質體中的傳播進行室內模擬觀測，并根據觀測結果 進行地震學研究。
[0003]目前常用的超聲波檢測方法一般采用壓電式超聲波探頭進行超聲波發射和接收。 送種探頭通常由壓電晶片或其他材料（如復合材料）組成，其結構比較簡單，安裝方便，收 發可互換。圖1給出的是壓電接觸式探頭的內部結構圖，包括超聲福射面101，聲匹配層 102,壓電陶瓷103,金屬盒體104,底座105,屏蔽材料106,引線端子107。
[0004] 當對固體材料進行測量時，發射探頭和接收探頭緊貼被測物體表面。發射頭將電 信號（一般為窄脈沖）轉換為超聲波信號；而接收頭則將超聲波信號轉換為電信號。
[0005] 壓電式超聲波探頭在對固體地質模型（尤其對復雜表面模型）進行檢測時，由于 工藝方面的原因器件，檢測部分接觸面較大，當對曲表面模型進行檢測時，探頭和模型表 面禪合效果差，有時甚至無法禪合；由于現有超聲波探頭只能進行窄帶發射和接收，因此 測量不能反映野外施工寬頻接收的實際情況。
[0006] 隨著光纖傳感技術的發展，為了利用其抗干擾能力強、傳輸距離遠、靈敏度高等優 點，光學式振動測量方面的研究越來越多，光纖光柵傳感器出現W后，振動傳感測試領域發 生了很大的變革，光纖光柵傳感器由于體積小、抗干擾能力強、集傳感和傳輸為一體等優 點，已經成為目前振動測試領域的研究熱點。
[0007]目前國內外研究者已經成功研制出了很多光纖振動傳感器，克服了傳統振動傳感 器的諸多缺陷，受到了業內人±的廣泛重視。但光纖光柵傳感進行振動探測主要集中在低 頻信號檢測，對于超聲波探測目前尚未見其應用成果。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種超聲振動的相移光 纖光柵傳感探測系統及其應用，利用一種相移光纖光柵傳感器來實現超聲振動探測，克服 常用的超聲波傳感器探測體積大、帶寬窄等缺點，提高超聲檢測精度、能力，拓寬應用范圍。
[0009] 本發明是通過W下技術方案實現的：
[0010] 一種超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統，包括；窄線寬可調諧激光器、環形 器、相移光纖光柵傳感器和光電探測器；
[0011] 所述窄線寬可調諧激光器與所述環形器的第一端口連接，所述相移光纖光柵傳感 器的一端與所述環形器的第二端口連接；
[0012] 所述光電探測器的第一端口與所述相移光纖光柵傳感器的另一端連接，第二端口 與所述環形器的第Η端口連接；
[0013] 所述相移光纖光柵傳感器直接貼在待測物體上。
[0014] 所述超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統包括A/D轉換及數據采集卡和計算 機；
[0015] 所述光電探測器與所述A/D轉換及數據采集卡連接，所述A/D轉換及數據采集卡 與計算機連接。
[0016] 由窄線寬可調諧激光器發出的激光從環形器的第一端口輸入，從第二端口輸出；
[0017] 從環形器第二端口輸出的光直接進入相移光纖光柵傳感器，相移光纖光柵傳感器 產生的反射光再進入環形器的第二端口，從環形器的第Η端口輸出，再進入光電探測器的 第二端口；
[0018] 相移光纖光柵傳感器的透射光直接進入光電探測器的第一端口；
[0019] A/D轉換及數據采集卡對光電探測器的輸出電壓進行采集，將采集到的信號輸入 到計算機進行處理及振動信號的顯示。
[0020] 所述窄線寬可調諧激光器采用TLS激光器。
[0021] 所述相移光纖光柵傳感器中的相移光纖光柵在反射譜帶阻中線寬為5-15pm，反射 譜斜率為70-80皿1。
[0022] 一種利用所述超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統對物體中傳播的超聲波進 行連續探測方法，包括：
[0023]S1，將相移光纖光柵傳感器固定在待測物體上，連接好所述超聲振動的相移光纖 光柵傳感探測系統中的各個儀器；
[0024]S2,調整窄線寬可調諧激光器的光波波長至相移光纖光柵的設計波長，在振動信 號達到穩定狀態時，固定窄線寬可調諧激光器的輸出波長；
[0025]S3，A/D轉換及數據采集卡對光電探測器的輸出電壓進行采集，將采集到的信號輸 入到計算機進行處理及振動信號的顯示。
[0026] 一種利用所述超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統進行觸發式實時探測的方 法，包括：
[0027]L1，將相移光纖光柵傳感器固定在待測物體上，連接好所述超聲振動的相移光纖 光柵傳感探測系統中的各個儀器；
[0028]L2,超聲波激發源采用具有觸發同步信號輸出的高壓脈沖發生器，將同步信號接 入所述A/D轉換及數據采集卡的其中一路通道中，利用該信號進行觸發采集；
[0029]L3,調整窄線寬可調諧激光器的光波波長至相移光纖光柵的設計波長，利用采集 卡觸發采集得到實時的超聲振動信號，在振動信號達到穩定狀態時，固定窄線寬可調諧激 光器的輸出波長；
[0030]L4,超聲振動的相移光纖光柵傳感探測系統每次觸發采集，記錄下測到的超聲波 信號，進而得到激發源到接收點超聲波傳播的隨時間變化的波動圖。
[0031] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：該發明克服超聲波傳感器探測體積大、帶 寬窄等缺點。用在超聲地震物理模擬實驗上，得到較好的效果。它也可用在無損探傷領域， 具有不受電磁干擾、靈敏度高、振動探測頻帶寬等優點。
【附圖說明】
[0032] 圖1是現有壓電接觸式探頭的內部結構圖。
[0033] 圖2是本發明基于相移光纖光柵傳感的超聲振動探測系統框圖。
[0034] 圖3是相移光柵反射光譜。
[0035] 圖4是超聲探測系統與PZT對比測試示意圖。
[0036] 圖5 (a)是PZT激勵源產生的寬帶超聲波信號的頻譜。
[0037] 圖5(b)是PZT激勵源產生的寬帶超聲波信號的時域。
[0038] 圖6 (a)是PZT傳感器檢測到的超聲信號頻譜。
[0039] 圖6化）是相移光柵傳感器檢測到的超聲信號頻譜。
[0040] 圖7為兩種傳感器超聲檢測信號的時域圖，虛線為相移光柵傳感器，實線為PZT傳 感器。
[0041] 圖8-1是相移光柵計算模型。
[0042] 圖8-2是相移光柵反射譜。
[0043] 圖8-3是相移光柵傳感解調原理。
【具體實施方式】
[0044] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
[0045] 基于光纖光柵傳感的技術優勢，提出一種基于相移光纖光柵傳感的超聲振動探測 系統，系統包括；窄線寬可調諧激光器201、相移光纖光柵傳感器203、環形器202、光電探測 器（又稱為光電平衡探測器）204、A/D轉換及數據采集卡205、計算機206 (用于處理及振 動信號（即超聲波信號）顯示。系統配置框圖如圖2所示。
[0046] 本發明系統的工作原理如下：
[0047] 由TLS窄線寬激光器201 (例如可采用型號為SanteeT化-710的TLS窄線寬激光 器。（還可W采用其它性能類似的激光器，如Agilent81640A等））發出的激光從光纖環形器 202的第一端口 1輸入，從第二端口 2輸出（環形器的工作原理是；如果光從第一端口 1輸 入，則從第二端口 2輸出；如果光從第二端口 2輸入，則從第Η端口 3輸出。本實驗采用光纖 環形器的目的是盡量減少光能量損耗，保證光能量的有效利用）。從光環形器第二端口 2輸 出的光直接進入相移光纖光柵（PS-FBG)傳感器203,相移光纖光柵傳感器203(即PS-FBG 傳感器）直接貼在需要檢測振動的物體上，此相移光纖光柵為超聲波傳感頭，既可W產生 反射光，又可W產生透射光，相移光纖光柵幾乎沒有損耗，相移光纖光柵產生的反射光和透 射光強度之和正好等于輸入激光的強度，因此，相移光纖光柵的反射光強度和透射光強度 正好互補。然后，相移光纖光柵產生的反射光再進入光纖環形器的第二端口 2,從光纖環形 器的第Η端口 3輸出，再進入光電探測器204的第二端口Ρ2 (光電探測器是放置在AD采集 卡附近，光柵傳感器過來的光信號和環形器返回的光信號連接到上面即可）。相移光纖光柵 傳感器203的透射光直接進入光電探測器204 (例如可采用型號為化Wfocus2117-FC的光 電探測器（還可W采用其它類似的光電轉換器））第二端口P1，光電探測器204的輸出電壓 是其兩個輸入端口的電壓之差。然后利用A/D轉換及數據采集卡205對光電探測器的輸出 電壓進行采集，對采集到的信號輸入到計算機處理及振動信號顯示206進行處理及振動信 號的顯示。
[0048] 送里超聲波激勵源可W由任意的超聲發射源產生，超聲波引起的應力波傳遞到光 纖光柵，導致光纖光柵折射率隨時間變化，因此，引起光纖光柵的反射光和透射光的變化， 經過設計系統功能作用（解調相移光纖光柵的反射光和透射光的強度隨時間的變化），就 可W對物體中傳播的超聲波進行實時地測量，具體如下；超聲波在物體中傳播通過相移光 纖光柵，導致反射的中必波長的變化。也就是說光纖光柵反射光中必波長的變化反映了外 界被測信號的變化情況。
[0049] 圖3為設計的相移光纖光柵光譜。在設計相移光纖光柵時，設計相移光柵在反射 譜帶阻中線寬為0. 〇16nm，反射譜斜率為70nm1，送樣能夠對超聲波振動信號可獲得極高的 靈敏度。一般線寬在lOpm左右，斜率70-80皿1最合適，在送個值附近就可W滿足測試需 要。
[0050] 在超聲作用下，其反射中必波長（布拉格波長）會發生近似線性漂移，當窄線寬激 光器的波長調諧至相移光纖光柵反射光譜的反射斜邊（激光器的波長對應一個光譜，光譜 的斜邊與相移光纖光柵反射譜斜邊一致時會有一個波的調諧效應，外界的擾動會影響反射 波長，使光譜飄逸，光柵傳感器可感知送種變化），光源的強度將受到超聲信號的調制，此時 通過檢測反射光強度的變化，即超聲信號引起相移光纖光柵反射的中必波長的變化信號， 就可直接得到超聲信號。
[0051