本發(fā)明涉及超聲檢測領域，尤其是涉及一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準裝置及方法。
背景技術：
與傳統(tǒng)的壓電式換能器類似，因為本身存在特征頻率，所以光纖光柵傳感器也對不同的頻率有不同的靈敏度，當入射聲場能夠激發(fā)傳感器某一模態(tài)時，其在光纖中傳播的應力場較大，所以在該頻率下，傳感器對聲壓靈敏度較高。此外，光纖光柵傳感器本身的傳感原理也使其頻率響應不均勻。
傳統(tǒng)的壓電傳感器聲場測量技術已發(fā)展多年，然而其缺點，如破壞聲場、受電磁干擾、不耐高壓及腐蝕等問題始終未得到解決。本發(fā)明所要解決的技術問題是針對光纖光柵傳感器本身存在特征頻率，因此需要對其靈敏度進行檢測；以及克服傳統(tǒng)壓電傳感器破壞聲場、受電磁干擾、不耐高壓及腐蝕等問題。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準裝置及方法。本發(fā)明利用光聲效應，避免了不停調整光纖位置及更換不同中心頻率換能器，保證換能器的時域波形不產(chǎn)生畸變；采用紋影法測量超聲場，具有非侵入和成像速度快的特點，避免了水聽器等傳統(tǒng)測量器件對聲場的干擾。相比于現(xiàn)在常用的水聽器測量方法，紋影法在測量超聲場時具有非侵入和成像速度快的特點。紋影法成像系統(tǒng)是一種研究透明介質中聲場分布的一種有效的辦法。其光路系統(tǒng)簡單，并且易于測量媒質中微弱的相位變化，利用這個特點，可以觀測到聲場改變水的密度分布而引起的光場相位分布，進而獲得聲場信息。由于其非侵入式的特點，避免了水聽器等傳統(tǒng)測量器件對聲場的干擾。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準方法，該方法采用紋影法和光聲效應，該方法包括以下步驟：
s1、脈沖激光器向鋁板發(fā)射脈沖激光；
s2、鋁板接收脈沖激光信號，并產(chǎn)生光聲信號；
s3、水聽器接收鋁板產(chǎn)生的光聲信號，得到脈沖聲源的各頻率比重；
s4、光纖光柵傳感器同時接收鋁板產(chǎn)生的光聲信號，結合水聽器測出的各頻率比重，獲得光纖光柵水聽器的頻響曲線相對分布曲線；
s5、利用紋影法獲得設定頻率點的光纖靈敏度；
s6、結合光纖光柵水聽器的頻響曲線相對分布曲線與設定頻率點測得的光纖靈敏度，獲得校準后的光纖光柵傳感器靈敏度曲線。
s6中對于光纖光柵水聽器的頻響曲線相對分布曲線，將各頻率對應的光纖光柵水聽器聲響信號相對值均與設定頻率點測得的光纖靈敏度相乘，最終獲得校準后的光纖光柵傳感器靈敏度曲線。
步驟s5包括以下步驟：
s501、點聚焦換能器向液體樣本發(fā)射聚焦聲場；
s502、脈沖激光器向受聚焦聲場影響的液體樣品發(fā)射激光；
s503、紋影法光學模塊在像平面成像后，用攝像頭進行聲場拍攝，測得中心頻率焦點處聲壓，獲得某一頻率點測得的光纖靈敏度。
所述的攝像頭為高速攝像頭iccd。
s3中水聽器接收鋁板產(chǎn)生的光聲信號，結合水聽器自身的頻響曲線，得到脈沖聲源的各頻率所占比重。
s5中利用紋影法獲得某一頻率點的光纖靈敏度即獲得所測頻率范圍內所有頻率點的光纖靈敏度。
一種采用上述任一項所述的一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準方法的無擾動校準裝置，該裝置包括脈沖激光器、鋁板、水聽器、光纖光柵傳感器、點聚焦換能器和紋影法光學模塊，所述的脈沖激光器向鋁板發(fā)射脈沖激光信號，所述的鋁板接收脈沖激光信號并產(chǎn)生光聲信號，所述的水聽器和光柵傳感器分別接收鋁板的光聲信號，所述的點聚焦換能器向液體樣本發(fā)射聚焦聲場，同時利用紋影法光學模塊獲得中心頻率焦點處聲壓。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明中，針對光纖光柵傳感器本身存在特征頻率，公開了一種用于光纖傳感器檢測靈敏度校準的無擾動光學裝置和方法，克服了傳統(tǒng)壓電傳感器破壞聲場、受電磁干擾、不耐高壓及腐蝕等問題。
(2)本發(fā)明所采用的紋影法行波場定量測量方法，可以在某一頻率對光纖進行校準，采用紋影法測量超聲場，具有非侵入和成像速度快的特點，避免了水聽器等傳統(tǒng)測量器件對聲場的干擾。
(3)本發(fā)明所采用的光聲效應，可以將發(fā)射光信號和產(chǎn)生的聲信號區(qū)分開，避免了單一聲信號的互相干擾，避免了不停調整光纖位置及更換不同中心頻率換能器，保證換能器的時域波形不產(chǎn)生畸變；
(4)另外，由于采用光聲效應，避免了逐點校準需要不斷調整光纖位置和不同中心頻率換能器的繁瑣過程，也避免了因激勵電壓過大造成換能器信號畸變。
附圖說明
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發(fā)明保護的范圍。
實施例
本發(fā)明公開了一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準裝置及方法，包含裝置和方法兩部分。一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準裝置包括脈沖激光器、鋁板、水聽器、光纖光柵傳感器、點聚焦換能器、紋影法光學系統(tǒng)，光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準方法，主要涉及紋影法和光聲效應。脈沖激光器作為光聲信號的光源，用于產(chǎn)生脈沖激光；鋁板用于接收脈沖激光信號，并產(chǎn)生光聲信號；水聽器用于接收鋁板產(chǎn)生的聲信號；光纖光柵傳感器作為校準對象，用于同時接收鋁板產(chǎn)生的聲信號；點聚焦換能器用于紋影法中產(chǎn)生聚焦聲場；紋影法光學系統(tǒng)用于檢測超聲聲場；紋影法用于在頻域上對光纖光柵傳感器進行校準；光聲效應作為產(chǎn)生光聲信號的理論基礎。
本發(fā)明結合光聲效應與紋影法檢測光纖傳感器靈敏度，解決了破壞聲場、受電磁干擾、不耐高壓及腐蝕等問題。相比于現(xiàn)在常用的水聽器測量方法，紋影法在測量超聲場時具有非侵入和成像速度快的特點。由于其非侵入式的特點，避免了水聽器等傳統(tǒng)測量器件對聲場的干擾，實現(xiàn)了簡單準確地對光線傳感器進行靈敏度校準。如圖1所示，本發(fā)明公開了一種光纖傳感器檢測靈敏度的無擾動校準裝置及方法。
系統(tǒng)工作包括以下步驟：
步驟一，脈沖激光器向鋁板發(fā)射脈沖激光；
步驟二，鋁板接收脈沖激光信號，并產(chǎn)生光聲信號；
步驟三，水聽器接收鋁板產(chǎn)生的光聲信號，得到脈沖聲源的各頻率比重；
步驟四，光纖光柵傳感器同時接收鋁板產(chǎn)生的光聲信號，結合各頻率比重，獲得光纖光柵水聽器的頻響曲線相對分布；
步驟五，點聚焦換能器向液體樣本發(fā)射聚焦聲場；
步驟六，激光器向受聲場影響的液體樣品發(fā)射激光，用于紋影法測量聲場；
步驟七，紋影法光學系統(tǒng)在像平面成像后，用高速攝像頭iccd進行聲場拍攝，測得焦點處聲壓；
步驟八，結合步驟四中光纖光柵水聽器頻響曲線相對分布與步驟七中在某一頻率點測得的光纖靈敏度，獲得頻率響應；
本發(fā)明中，所采用的脈沖激光器作為產(chǎn)生光聲信號的光源，用于產(chǎn)生脈沖激光。
本發(fā)明中，所采用的鋁板作為光聲信號轉換的媒質，用于接收脈沖激光，基于光聲原理，產(chǎn)生光聲信號，有效地區(qū)分出發(fā)射信號和激發(fā)信號，得到寬頻脈沖聲信號，滿足方程
其中p(r,t)為聲壓，h(r,t)為入射激光在樣品上激發(fā)的熱源函數(shù)，h(r,t)＝a(r)i(t)，a(r)是樣品的光吸收分布，i(t)為照射光強，β為熱膨脹系數(shù)，cp為比熱容，c是樣品中聲傳播速度。
本發(fā)明中，所采用的水聽器，測量激光照射鋁板產(chǎn)生的寬頻脈沖聲波，對其進行頻譜分析，結合水聽器自身的頻響曲線，可得到脈沖聲源的各頻率所占比重。
本發(fā)明中，光纖光柵傳感器放在鋁板另一側，與水聽器同時接收來自鋁板的脈沖聲波，通過傅里葉變換后得到頻域上各頻率的分布，結合水聽器測出的各頻率所占比重即可求得光纖光柵水聽器頻響曲線相對分布，光纖光柵水聽器頻響曲線相對分布即光纖光柵各頻率分布信號強度值與水聽器得到的脈沖聲源各頻率所占比重相除所得。
本發(fā)明中，點聚焦換能器作為背景聲場產(chǎn)生的源，向液體樣品發(fā)射聚焦聲場，有利于測量的焦點處聲壓。
本發(fā)明中，激光器向受聲場影響的樣品發(fā)射一束激光，經(jīng)過擴束后，通過第一個凸透鏡變?yōu)槠叫泄?，投射到受聲場影響的液體樣品，用于紋影法平面行波場的聲壓定量測量。
本發(fā)明中，紋影法光學系統(tǒng)將經(jīng)過液體樣品臺后的光，再通過透鏡2和透鏡3組成的系統(tǒng)到達像平面，在像平面上，采用高速攝像頭iccd進行聲場的拍攝，得到中心頻率下焦點處聲壓，并獲得電壓-聲壓比值；所求聲壓滿足方程：
其中
本發(fā)明中，求得的光纖光柵水聽器頻響曲線相對分布與步驟七中紋影法在某一頻率點測得的光纖靈敏度，獲得所測頻率范圍內所有點的頻率響應。
本發(fā)明中，針對光纖光柵傳感器本身存在特征頻率，公開了一種用于光纖傳感器檢測靈敏度校準的無擾動光學裝置和方法。克服了傳統(tǒng)壓電傳感器破壞聲場、受電磁干擾、不耐高壓及腐蝕等問題。利用光聲效應，避免了不停調整光纖位置及更換不同中心頻率換能器，保證換能器的時域波形不產(chǎn)生畸變；采用紋影法測量超聲場，具有非侵入和成像速度快的特點，避免了水聽器等傳統(tǒng)測量器件對聲場的干擾。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。