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基于光纤多普勒效应的超声传感方法

更新时间：2019-12-30 01:22:09 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：光纤多普勒效应超声传感 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

通过光纤频移干涉技术测量了超声在光纤中产生的多普勒频移,提出一种光纤超声传感方法.将缠绕在压电陶瓷上的光纤环接入到频移干涉萨格拉克干涉仪中,以压电陶瓷作为超声波信号源,调节声光调制器使得干涉信号偏置在零点,达到系统灵敏度最高,通过干涉信号的频率和幅值测量到了超声引起光纤环中发生的多普勒频移,进而获得了作用在光纤环上的超声波信号.实验结果表明,用该方法测量超声频率的相对误差为0.001%,频响在所测量的20~200kHz范围内具有良好的线性.该方法在管道健康监测、固体内部裂缝监测、大型机械装备结构损伤监测等方面具有应用前景.


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47  
2
期
光
子
学
报
第
卷第  
Vol．47 No．2  
February 2018  
2018  
2
年
月
ACTA PHOTONICA SINICA  
doi: 10．3788 /gzxb20184702．0206002  
基于光纤多普勒效应的超声传感方法  
， ， ， ， ，  
李岩 周次明 田涛 欧艺文 范典 王洪海  
(
，
武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室 武汉  
430070)  
: ，  
要 通过光纤频移干涉技术测量了超声在光纤中产生的多普勒频移 提出一种光纤超声传感方法  
．
摘
， ，  
将缠绕在压电陶瓷上的光纤环接入到频移干涉萨格拉克干涉仪中 以压电陶瓷作为超声波信号源 调节  
， ，  
声光调制器使得干涉信号偏置在零点 达到系统灵敏度最高 通过干涉信号的频率和幅值测量到了超声  
， ． ，  
引起光纤环中发生的多普勒频移 进而获得了作用在光纤环上的超声波信号 实验结果表明 用该方法  
0．001%，  
频响在所测量的  
20～200 kHz  
．
范围内具有良好的线性 该方法在管  
测量超声频率的相对误差为  
、 、  
道健康监测 固体内部裂缝监测 大型机械装备结构损伤监测等方面具有应用前景  
．
:
;
;
;
;
关键词 光纤传感器 超声测量 频移干涉 多普勒效应 多普勒频移  
: O436  
: A : 1004-4213( 2018) 02-0206002-6  
文章编号  
中图分类号  
文献标识码  
Ultrasonic Sensing Method Based on Optical Fiber Doppler Effect  
LI Yan，ZHOU Ci-ming，TIAN Tao，OU Yi-wen，FAN Dian，WANG Hong-hai  
( National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology，Wuhan University of Technology，  
Wuhan 430070，China)  
Abstract: Doppler frequency shift in optical fiber is measured by fiber frequency shift interferometry，and a  
method of optical fiber ultrasonic sensing is obtained． The optical fiber loop wound on the piezoelectric ceramic  
is inserted into the frequency-shift interference Sagnac interferometer，where the piezoelectric ceramic is taken  
as the ultrasonic signal source，the acousto-optic modulator is adjusted so that the interference signal is biased  
at the zero point to reach the highest sensitivity of the system． Through the frequency and amplitude of the  
interference signal，the Doppler frequency shift in the fiber loop caused by ultrasound is measured，and the  
ultrasonic signal acting on the fiber loop is obtained． The experimental results show that，the relative error of the  
sensing method is 0．001% for the ultrasonic frequency measurement，and the frequency response has a good  
linearity in the measured range of 20 kHz to 200 kHz． There are some application prospects of the proposed  
method in the aspects of pipeline health monitoring，solid internal crack monitoring and structural damage  
monitoring of large machinery and equipment．  
Key words: Fiber optic sensors; Ultrasonic measurement; Frequency shift interferometry; Doppler effect;  
Doppler shift  
OCIS Codes: 060．2370; 280．4788; 280．3340  
0
引言  
， 、  
超声波作为一种穿透力极强的波已经被广泛用到各个领域的监测和检测之中 如海底探潜 结构健康监  
［1］  
、 ． ，  
测 地震物理模型成像等 最常用的超声波传感器核心元件是压电换能器 其主要原理是利用机械共振的  
， ． ，  
方式接受超声波信号 并转化为电信号传输至解调装置 它的工作方式决定了其带宽极窄 且对于不同的波  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( Nos．61377091，61505152) ，  
预研领域基金项目  
( No．6140243010116QT69001) ， ( No．  
湖北省科技厅支撑计划  
2015BAA214)  
资助  
－
( 1992 ) ， ， ， ．Email: 419375900@ qq．com  
男 硕士研究生 主要研究方向为光纤传感技术  
:
第一作者 李岩  
－
( 1973 ) ， ， ， ， ．Email: zcm@ whut．edu．cn  
男 博导 博士 主要研究方向为光纤传感  
( ) :  
导师 通讯作者 周次明  
: 2017-08-09;  
: 2017-11-17  
录用日期  
收稿日期  
http: www．photon．ac．cn  
∥
0206002-1  
光
子
学
报
［2］  
，
形需要设计出不同的探针结构 复用性差  
，
．
并且环境的电磁干扰对压电换能器的稳定工作有极大的影响  
、 、 、 、  
近年来发展起来的光纤超声传感器具有灵活性 高强度 耐热性 抗电磁干扰 耐用性和耐腐蚀性能等独特的  
［3］  
，
．
优势  
因此研究光纤超声传感器具有重要的意义和实用价值  
、 、 ．  
光纤超声传感器主要通过检测光的强度 相位 波长等基本参数达到测量超声波的目的 根据传感结构  
，
［3］  
、 、  
光纤超声传感器可以分为强度调制型光纤超声传感器 光纤光栅超声传感器 干涉型光纤超声传感器  
．
强
，
度调制型光纤超声传感器的主要原理是待测信号作用在传感器上 通过解调系统获取传感器上光纤中的光  
． ， ，  
强变化实现传感 此类传感器具有宽频带的响应和较好的灵敏度 但是测得信号的信噪比不高 容易受光源  
［4-5］  
．
，
光纤光栅超声传感器核心元件是光纤布喇格光栅 通过检测中心波长的漂移解  
和传感系统的结构影响  
， ， ， 、  
调出待测信号 具有优良的复用性 可以在一根光纤上串联多个光纤光栅 在系统稳定性 大规模网络化方面  
［6-7］  
．
，
但是它只对光纤轴向应变具有很好的灵敏度 对光纤径向产生的应变则无法检测出来  
，
具有明显的优势  
． ，  
限制了这种传感器在一定场合下的运用 干涉型光纤超声传感器是由两束或者多束光之间进行干涉 利用光  
．
波相位易受光纤应变影响这一特点来测量超声波信号的幅频特性 干涉型超声传感器的优点在于它拥有极  
， ，  
高的灵敏度和较强的稳定性 但是缺点也是由于太过敏感导致易受外界条件影响 需要在解调过程中对信号  
［8-9］  
、 、  
进行放大 滤波 除噪等处理  
．
1842  
，
年就已经被发现 经过  
150 ，  
年的发展时间 基于多普勒效应制作的光纤传感器十  
多普勒效应早在  
［10］  
．1964 Goldstein  
年
，
．1983  
分普遍  
等研制出世界上第一台激光多普勒测速仪 用来测量湍流的流速  
年南安普  
Larry．Fabiny  
等研制的光纤  
［11］  
．1997  
顿大学的光振研究所研制出用于测量物体振动的激光多普勒测振仪  
年
［12］  
，
速度干涉仪 通过测量运动物体上反射光的多普勒效应实现了  
1 ～ 1000m/s  
．
近年来  
速度测量范围  
［13］  
Ohsawa，K．Kageyama  
．
等研制出一种光纤多普勒效应的传感器用于探测复合材料的裂缝的产生  
本文提出  
解调方  
0．001%，  
，
了一种基于光纤多普勒效应的超声传感器 并采用频移干涉  
( Frequency-Shifted Interferometry，FSI)  
［14-15］  
． ，  
测量了超声在光纤中产生的多普勒频移 结果表明 本文方法测量超声频率的相对误差为  
法
频
20～200 kHz  
．
范围内具有良好的线性  
响在所测量的  
1
频移干涉原理和光纤多普勒效应  
1
Sagnac  
．
图
为频移干涉光路中  
环的示意图 图  
，L  
表
2
，L  
C
中
表示耦合器 到传感器之间光纤的长度  
1
1
，L  
示传感器上光纤的长度  
表示传感器到声光调制  
3
( Acousto-Optic Modulator，AOM)  
器
之 间 光 纤 的 长  
，L  
AOM C ．  
到耦合器 之间光纤的长度 光经  
1
度
表示  
4
f ，  
称为多普勒频  
D
过超声信号作用后产生的频移为  
．AOM  
f ，  
单模光纤有效折射率为  
0
移
产生的频移为  
n， c，  
光速为 光源的频率为  
v ，  
0
1
Sagnac  
若干涉光的光强为  
图
环示意图  
［10］  
Fig．1 Sagnac ring diagram  
I ，  
ac  
则
2 n  
π
=
+
－
+ － － －  
L ) f ( L L L L ) ］  
1
I (  
ac  
)
I cos  
0
［f ( L  
D
L
( 1)  
φ
4
3
1
0
4
2
3
{
}
c
=
，I ， ．  
式中 为余弦函数的振幅 正比于光强 在没有多普勒频移时 即  
0
， f  
0
，
的时候 调节  
AOM  
f
频移 使干涉信  
0
D
，
号恰好偏置于余弦函数零点 即  
2 n  
π
π
－
－
－
=
L ) m ±  
π
3
f ( L  
0
L
L
( 2)  
4
1
2
c
2
， ，  
则此时在零点附近 相位变化最为敏感 若加入多普勒频移  
f ， ． /2 ，  
引起的变化最大 当 φ 远小于 π 时 光强的  
D
，
变化与多普勒频移呈线性关系 此时光强变化为  
2 n  
π
=
+
－
I (  
ac  
)
I
f ( L  
D
L
L )  
1
( 3)  
φ
0
4
3
c
I ( ) ，  
即可得出振动的频率和振幅信息  
．
通过测量干涉信号  
φ
ac  
n ， L，  
假设光波在折射率为 的光纤中传播 光纤的长度为 光波的频率为  
f ，  
0
．
光在真空中的波长为 λ 当振  
0
0206002-2  

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