高靈敏度熔錐耦合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)及其耦合器制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種高靈敏度熔錐耦合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)及其耦合器制作方法。所述耦合器制作方法包括如下步驟，步驟1，采用平行夾具固定兩根單模光纖，經(jīng)15?30s的氫焰預(yù)熱后，再進(jìn)行熔融拉錐獲得強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器；步驟2，卸去強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器兩端的預(yù)拉力，以放松狀態(tài)懸空于V型石英封裝槽中進(jìn)行固定封裝；步驟3，將強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器的兩端用粘貼劑固定至長條狀V型石英封裝槽內(nèi)；粘貼劑充滿V型石英封裝槽的兩端部，得到封裝熔錐型微納光纖耦合器，其兩端粘貼劑之間的懸空部分為光耦合區(qū)。所述系統(tǒng)包括依次連接的激光光源、上述的耦合器、以及光電轉(zhuǎn)換器、差分放大電路和示波器。
【專利說明】
高靈敏度膝錐輔合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)及其輔合器制作 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及屬于測量領(lǐng)域，尤其設(shè)及光纖超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為高靈敏度烙 錐禪合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)及其禪合器制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲檢測在光纖傳感領(lǐng)域很重要，廣泛應(yīng)用于設(shè)備健康監(jiān)測、探傷，高壓設(shè)備局部 放電檢測。傳統(tǒng)的超聲檢測系統(tǒng)多基于電陶瓷傳感器，靈敏度高，但體積大不易埋入設(shè)備 中，傳輸距離短，易受電磁干擾。光纖類型傳感器由于其低耗損，抗電磁、福照干擾，結(jié)構(gòu)細(xì) 小、重量輕，與纖維復(fù)合、金屬等材料兼容性強(qiáng)，響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在超聲檢測應(yīng)用中具有非 常重要的意義。
[0003] 當(dāng)前，實(shí)用化的光纖超聲檢測系統(tǒng)，主要是基于光纖干設(shè)型、光纖光柵W及依賴于 換能器的光纖傳感器。
[0004] 光纖干設(shè)型超聲傳感器，例如l)Sagnac、MZ干設(shè)型超聲傳感器，技術(shù)要求高，對高 頻超聲波響應(yīng)特性不太理想，安裝復(fù)雜且受溫度起伏影響大，2)借助石墨締薄膜的法布里 巧羅干設(shè)型超傳感器，成本極高，成功率極低。
[0005] 光纖光柵超傳感器頻率檢測范圍較大，靈敏度較高，但容易引起相位誤差，并且對 激光光源及后續(xù)解調(diào)電路有較高要求，同時(shí)需要額外輔助設(shè)備來補(bǔ)償由溫度變化引起的波 長偏移，實(shí)際應(yīng)用的成本相對比較高。例如CN102313779"-種基于光纖布拉格光柵的聲發(fā) 射信號傳感系統(tǒng)"。
[0006] 已公開的專利CN201210374356.2"-種聲波頻率探測器及多模禪合器生波頻率探 測系統(tǒng)"，將裸露的多模禪合器直接放置至侶制薄膜，容易損壞，同時(shí)借助侶制薄膜，降低了 聲壓利用，靈敏度低，并且易受環(huán)境干擾。
[0007] 已公開的專利CN201310386525.9"-種基于單模光纖禪合器的聲發(fā)射傳感系統(tǒng)"， 及專利CN201510373717.5"自適應(yīng)型變壓器局部放電的光纖超聲檢測系統(tǒng)及檢測方法"對 光源波段有特定要求，影響系統(tǒng)的適應(yīng)性。
[000引 Tao 化等人（詳見Composites Part B = EngineeringVolume 66,November 2014, Pages 420-429和Optics and Lasers in Engineering,2009,47(10) :1056-1062.) W及專 利CN201510373717.5"自適應(yīng)型變壓器局部放電的光纖超聲檢測系統(tǒng)及檢測方法"中公開 的制作封裝同類型的烙錐禪合器時(shí)，直接對單模光纖進(jìn)行加熱，禪合狀態(tài)低，并在預(yù)拉力下 進(jìn)行封裝固定，導(dǎo)致最后的傳感器靈敏度低，最大響應(yīng)頻率小，頻帶窄。烙錐禪合型微納光 纖超聲檢測系統(tǒng)禪合狀態(tài)、預(yù)拉力W及光源特性等因素對提高烙錐禪合型微納光纖超聲檢 測系統(tǒng)的靈敏度至關(guān)重要，然而現(xiàn)有專利文獻(xiàn)并未見相關(guān)研究的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種高靈敏度烙錐禪合型微納光纖超聲 檢測系統(tǒng)及其禪合器制作方法，無需增加換能器進(jìn)行增敏，實(shí)現(xiàn)高靈敏、寬頻帶、高穩(wěn)定光 纖超聲傳感，解調(diào)成本極低，不受溫度漂移影響。
[0010] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0011] 封裝烙錐型微納光纖禪合器制作方法，包括如下步驟，
[0012] 步驟1，采用平行夾具固定兩根單模光纖，經(jīng)15-30S的氨焰預(yù)熱后，再進(jìn)行烙融拉 錐獲得強(qiáng)禪合狀態(tài)的微納光纖禪合器；
[0013] 步驟2,卸去強(qiáng)禪合狀態(tài)的微納光纖禪合器兩端的預(yù)拉力，W放松狀態(tài)懸空于V型 石英封裝槽中進(jìn)行固定封裝；
[0014] 步驟3,將強(qiáng)禪合狀態(tài)的微納光纖禪合器的兩端用粘貼劑固定至長條狀V型石英封 裝槽內(nèi)；粘貼劑充滿V型石英封裝槽的兩端部，得到封裝烙錐型微納光纖禪合器，其兩端粘 貼劑之間的懸空部分為光禪合區(qū)。
[0015] 優(yōu)選的，所述封裝烙錐型微納光纖禪合器為強(qiáng)禪合狀態(tài)，禪合周期大于40,光損不 超過0.5地。
[0016] 高靈敏度禪合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，所述的檢測系統(tǒng)包括依次連接的激光光 源、由上述方案中任意一項(xiàng)制作得到的封裝烙錐型微納光纖禪合器、光電轉(zhuǎn)換器、差分放大 電路和示波器；
[0017] 封裝烙錐型微納光纖禪合器的輸入端連接激光光源，兩輸出端分別連接第一光電 轉(zhuǎn)換器和第二光電轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器輸出端連接至差分放大電路輸入端，差分放大 電路輸出端連接至示波器。
[0018] 優(yōu)選的，所述的激光光源為窄帶光源，其線寬小于2MHz。
[0019] 優(yōu)選的，所述的激光光源最小輸入光電流大于16mA，光功率大于0.5mW。
[0020] 優(yōu)選的，還包括封裝烙錐型微納光纖禪合器與待測物體間的禪合劑，并且粘貼劑 與禪合劑均為紫外線環(huán)氧固化膠。
[0021] 優(yōu)選的，所述光電探測器的探測波長范圍包含光源波長，響應(yīng)帶寬大于lOMHz。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益的技術(shù)效果：
[0023] 本發(fā)明所述烙錐型微納光纖禪合器的優(yōu)化制作封裝中，首先通過氨焰預(yù)熱，使烙 錐型微納光纖禪合器形成強(qiáng)禪合狀態(tài)，可W提高系統(tǒng)檢測靈敏度。由光禪合機(jī)理可知，在強(qiáng) 禪合狀態(tài)下，烙錐型微納光纖禪合器的兩輸出端光功率交替越頻繁，改變光功率的禪合輸 出越容易。光功率輸出變化表征傳感系統(tǒng)的靈敏度，因此強(qiáng)禪合狀態(tài)下的烙錐型微納光纖 禪合器對外界超聲波更敏感。
[0024] 在封裝固定時(shí)，卸去微納光纖禪合器兩端的預(yù)拉力，使其在放松狀態(tài)下進(jìn)行封裝， 可W提高系統(tǒng)的靈敏度，擴(kuò)大測量范圍。由傳感機(jī)理:超聲波應(yīng)力場會(huì)引起禪合器形變，進(jìn) 而導(dǎo)致禪合光功率輸出變化，施加在禪合器上的預(yù)拉力越小越容易形變。形變越容易，禪合 輸出光功率越容易改變，同時(shí)由于光功率輸出的變化可W直接表征傳感器的靈敏度，因此， 越容易發(fā)生形變的禪合器其靈敏度越高。
[0025] 通過對微納光纖禪合器制作封裝工藝進(jìn)行改進(jìn)，制作簡單，方便可靠，成功率高， 不需要增加額外制作成本，也無需增加換能器進(jìn)行增敏，即可大幅度提高傳感器的靈敏度， 擴(kuò)大測量范圍。
[0026] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)，在封裝烙錐型微納光纖禪合器的基礎(chǔ)上，利用簡單且成本低 的解調(diào)電路，只需對信號進(jìn)行差分放大處理。采用差分放大解調(diào)方式，可消除光源及溫度的 干擾。同時(shí)，此檢測系統(tǒng)在更換不同靜態(tài)分光比的傳感器前提下，依舊保持高的靈敏度和寬 測量的范圍。
[0027] 進(jìn)一步的，只要求系統(tǒng)采用窄帶激光光源，光源最小輸入光電流大于16mA，光功率 大于0.5mW，即可提高檢測系統(tǒng)的靈敏度，達(dá)到理想的測量效果;對激光光源波段沒有限制， 很大程度上提高了系統(tǒng)的應(yīng)用性。使用窄帶光源會(huì)使光波長微小的變化表征為光強(qiáng)輸出很 大的變化，可W提高傳感器的靈敏度。
[0028] 進(jìn)一步的，選用W無預(yù)拉力形式封裝的強(qiáng)禪合狀態(tài)下的烙錐型微納光纖禪合器， 封裝粘貼劑與禪合劑均為紫外線環(huán)氧固化膠，同時(shí)測試系統(tǒng)選用光電流大于16mA，光功率 大于0.5mW的窄帶激光光源，可W最大程度提高檢測系統(tǒng)的靈敏度及測量范圍。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明實(shí)例中所述超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)例中所述烙融拉錐工作結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖3a為本發(fā)明實(shí)例中所述未經(jīng)封裝的烙錐型微納光纖禪合器。
[0032] 圖3b為圖3a中A-A'方向的截面圖。
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)例中所述經(jīng)過封裝的烙錐型微納光纖禪合器。
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)例中所述超聲檢測系統(tǒng)在不同帶寬光源下測試結(jié)果圖。
[0035] 圖6a為本發(fā)明實(shí)例中所述超聲檢測系統(tǒng)在超窄帶激光光源光電流為15mA時(shí)對 500曲Z正弦輸入信號的響應(yīng)圖。
[0036] 圖6b為本發(fā)明實(shí)例中所述超聲檢測系統(tǒng)在超窄帶激光光源光電流為16mA時(shí)對 500曲Z正弦輸入信號的響應(yīng)圖。
[0037] 圖7為本發(fā)明實(shí)例中所述微納光纖烙錐禪合器在施加預(yù)拉力和未施加預(yù)拉力的測 試結(jié)果圖。
[0038] 圖8a為本發(fā)明實(shí)例中水和UV膠作為禪合劑在同一貼粘貼材料下的檢測結(jié)果圖。
[0039] 圖8b為本發(fā)明實(shí)例中凡±林和娃橡膠作為禪合劑在同一貼粘貼材料下的檢測結(jié) 果圖。
[0040] 圖9為本發(fā)明實(shí)例中所述鉛忍斷裂聲源的時(shí)頻域響應(yīng)圖。
[0041 ]圖10本發(fā)明實(shí)例中所述超聲檢測系統(tǒng)的幅頻測試圖。
[0042] 圖中：單模光纖1，平行夾具2,氨焰3,微納光纖禪合器4,光禪合區(qū)5,禪合區(qū)的橫截 面6，V型石英封裝槽7，粘貼劑8，禪合劑9。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0044] 本發(fā)明高靈敏度烙錐禪合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)，可W大幅度提高靈敏度，擴(kuò) 大檢測頻率范圍，同時(shí)本系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，成功率高。如圖1所示，窄帶光源 接入微納光纖禪合器4 一端，微納光纖禪合器4兩輸出端均接入光電探測器，將光信號轉(zhuǎn)化 為電信號，并依次接入差分放大電路和電學(xué)示波器。
[0045] 當(dāng)外界產(chǎn)生超聲波時(shí)，超聲波影響微納光纖禪合器4的禪合系數(shù)及禪合區(qū)長度，使 其輸出的光信號隨聲波改變。變化的光信號經(jīng)光電探測器及差分放大后W電信號顯示到示 波器上，示波器上的時(shí)域信號圖即微納光纖禪合器對超聲波的響應(yīng)圖。
[0046] 如圖1所示，其中的激光光源為窄帶光源，使用窄帶光源會(huì)使光波長微小的變化表 征為光強(qiáng)輸出很大的變化，可W提高傳感器的靈敏度。同時(shí)，要求最小輸入光電流大于 16mA，光功率0.5mW。圖5給出了在不同帶寬光源下測試結(jié)果圖，從圖5可得窄帶光源可W提 高檢測靈敏度，擴(kuò)大測量范圍。圖6a是窄帶激光光源光電流為15mA時(shí)對500曲Z正弦輸入信 號的響應(yīng)圖，圖6b是窄帶激光光源光電流為16mA時(shí)對500曲Z正弦輸入信號的響應(yīng)圖。對比 圖6a與圖6b可W知，光電流較小時(shí)，傳感系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)效果很差，不能檢測到輸入 信號；當(dāng)光電流大于16mA時(shí)，本傳感系統(tǒng)響應(yīng)得到一個(gè)500k化正弦信號。說明只有當(dāng)光電流 大于16mA時(shí)，烙錐禪合型微納光纖超聲檢測系統(tǒng)具有高靈敏度，寬檢測范圍。表1給出了不 同檢測頻率下的最小輸入光功率值，由表1可得，不同檢測頻率要求的最小輸入光功率不 同，并且檢測頻率越高要求的最小輸入光功率越大。
[0047] 表1不同檢測頻率下的最小輸入光功率值 「00481
[0049] 本優(yōu)選實(shí)例中，微納光纖禪合器4的禪合周期大于40,光損不超過0.5地。
[0050] 優(yōu)化制作的封裝烙錐型微納光纖禪合器時(shí)，采用的烙融拉錐工作結(jié)構(gòu)如圖2所示， 將兩根單模光纖1分別剝?nèi)ヒ欢ㄩL度的涂覆層，直接放置在平行夾具2上固定，烙融拉錐前， 氨焰3進(jìn)行烙融預(yù)熱15~30s，之后拉錐機(jī)自動(dòng)完成烙錐型微納光纖禪合器4的制作。該制作 過程中所提及的平行夾具和15~30s的氨焰預(yù)熱時(shí)間均是為了確保禪合器烙融區(qū)域形成強(qiáng) 禪合狀態(tài)，提高傳感器靈敏度。運(yùn)是由于光功率的禪合主要發(fā)生在禪合區(qū)中橫截面為雙啞 鈴型的烙融區(qū)域，如圖3a中所示的光禪合區(qū)5W及如圖3b中所示的禪合區(qū)的橫截面6,并且 禪合程度越強(qiáng)，光功率交換越頻繁，改變光功率的禪合輸出越容易。因此禪合程度越強(qiáng)，禪 合器對外界超聲波越敏感。
[0051] 如圖4所示，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)例中，超聲檢測系統(tǒng)中的封裝烙錐型微納光纖禪合器， 在封裝固定時(shí)，關(guān)掉拉錐系統(tǒng)中真空累，W減小作用在微納光纖禪合器上的初始預(yù)拉力，使 微納光纖禪合器W放松狀態(tài)懸空于V型石英封裝槽7中，可顯著提高其檢測超聲波的靈敏 度，擴(kuò)大檢測頻帶。運(yùn)是由于超聲波應(yīng)力場會(huì)引起禪合器形變，進(jìn)而導(dǎo)致禪合光功率輸出變 化，施加在微納光纖烙錐禪合器4上的初始預(yù)拉力越小越容易形變。形變越容易越明顯，禪 合輸出光功率越容易改變，同時(shí)由于光功率輸出的變化可W直接表征傳感器的靈敏度，因 此，越容易發(fā)生形變的禪合器其靈敏度越高。圖7給出了施加預(yù)拉力和未施加預(yù)拉力的測試 結(jié)果圖。從圖7可知，無初始預(yù)拉力的傳感器靈敏度更高，測量范圍更寬。另外，如圖4所示， 將微納光纖禪合器4兩端部用粘貼劑8固定，同時(shí)粘貼劑要充滿V型石英封裝槽7的兩端底 部，可W使更多能量的超聲波通過禪合劑9及粘貼劑8作用到禪合器上，提高檢測靈敏度。
[0052] 封裝烙錐型微納光纖禪合器與檢測物體間的禪合劑9與粘貼劑8使用的材料應(yīng)相 同，運(yùn)樣可W減小超聲波的反射，最大程度吸收外界的超聲波，提高檢測靈敏度，擴(kuò)大測量 范圍。在使用紫外線環(huán)氧樹脂膠(UV膠)作為粘貼劑將禪合器固定，選擇水、UV膠、凡±林和 娃橡膠分別作為禪合劑9進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。圖8a是水和UV膠作為禪合劑9的響 應(yīng)結(jié)果圖，圖8b是凡±林和娃橡膠作為禪合劑9的響應(yīng)結(jié)果圖。圖8a和圖8b橫縱坐標(biāo)尺度相 同，從圖8可得：當(dāng)禪合劑9與粘貼劑材料相同時(shí)，可提高傳感器的靈敏度W及擴(kuò)大其測量范 圍。
[0053] 本發(fā)明的解調(diào)系統(tǒng)僅采用一個(gè)差分放大電路即可消除光源及溫度的干擾，減小噪 音，進(jìn)一步提高靈敏度。同時(shí)，此檢測系統(tǒng)在更換不同靜態(tài)分光比的傳感器前提下，依舊保 持高的靈敏度和寬測量的范圍。解調(diào)電路簡單，成本低。
[0054] 如圖9所示，超聲傳感系統(tǒng)對模擬超聲源的時(shí)頻域響應(yīng)圖，其模擬超聲源采用國際 通用的鉛筆忍(2H，0.7)斷裂法模擬化SU-Nielsen Source)。由圖可知此傳感器對超聲信號 有良好的響應(yīng)。
[0055] 如圖10所示，超聲傳感系統(tǒng)的幅頻測試圖，其測試采用正弦掃頻信號，掃頻范圍為 20曲Z~800曲z(步長為1曲Z)，傳感器輸出一個(gè)相應(yīng)的正弦信號，其均方根值作為傳感器響 應(yīng)幅值，得到20kHz~800曲Z傳感器的幅頻響應(yīng)特性曲線。從圖10可得本測試系統(tǒng)在20kHz ~400曲Z有良好的響應(yīng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 封裝熔錐型微納光纖耦合器制作方法，其特征在于，包括如下步驟， 步驟1，采用平行夾具（2)固定兩根單模光纖（1)，經(jīng)15-30S的氫焰預(yù)熱后，再進(jìn)行熔融 拉錐獲得強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器(4); 步驟2，卸去強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器(4)兩端的預(yù)拉力，以放松狀態(tài)懸空于V型石 英封裝槽(7)中進(jìn)行固定封裝； 步驟3,將強(qiáng)耦合狀態(tài)的微納光纖耦合器(4)的兩端用粘貼劑(8)固定至長條狀V型石英 封裝槽(7)內(nèi)；粘貼劑(8)充滿V型石英封裝槽(7)的兩端部，得到封裝熔錐型微納光纖耦合 器，其兩端粘貼劑(8)之間的懸空部分為光耦合區(qū)（5)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述封裝熔錐型微納光纖耦合器制作方法，其特征在于，所述封裝熔 錐型微納光纖耦合器為強(qiáng)耦合狀態(tài)，耦合周期大于40，光損不超過0.5dB。3. 高靈敏度耦合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測系統(tǒng)包括依次連 接的激光光源、由權(quán)利要求1-2中任意一項(xiàng)制作得到的封裝熔錐型微納光纖耦合器、光電轉(zhuǎn) 換器、差分放大電路和示波器； 封裝熔錐型微納光纖耦合器的輸入端連接激光光源，兩輸出端分別連接第一光電轉(zhuǎn)換 器和第二光電轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器輸出端連接至差分放大電路輸入端，差分放大電路 輸出端連接至示波器。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度耦合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的 激光光源為窄帶光源，其線寬小于2MHz。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度耦合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的 激光光源最小輸入光電流大于16mA，光功率大于0.5mW。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度耦合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，其特征在于，還包括 封裝熔錐型微納光纖耦合器與待測物體間的耦合劑(9)，并且粘貼劑(8)與耦合劑(9)均為 紫外線環(huán)氧固化膠。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高靈敏度耦合型微納光纖超聲傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光 電探測器的探測波長范圍包含光源波長，響應(yīng)帶寬大于10MHz。
【文檔編號】G01H9/00GK106019478SQ201610317845
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】劉懿瑩, 李鳳梅, 王霖潔, 趙振宇, 虞珂, 付文成
【申請人】西安交通大學(xué)