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光纤超声传感器及应用研究进展

更新时间：2019-12-25 09:24:34 大小：6M 上传用户：zhiyao6 查看TA发布的资源 标签：光纤超声传感器 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

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息.相比于传统的电类超声换能器,光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测,且其良好的抗干扰能力和复用性,可有效地提高超声波探测的可靠性和效率,在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像等领域具有巨大的应用潜力.目前,按照传感结构,光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型,并在不同方面发挥着各自的优势,均受到关注.本文主要综述了这几种传感器的传感机理、实现方法、发展现状,总结了光纤超声传感器的几个应用领域及面临的科学技术挑战,重点讨论了光纤超声传感器作为一种新技术应用于地震物理模型成像.

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物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074205

专题: 光纤传感

∗

光纤超声传感器及应用研究进展

乔学光^†邵志华包维佳荣强周^‡

(西北大学物理学院, 西安 710069)

( 2016 年 9 月 22 日收到; 2017 年 2 月 25 日收到修改稿 )

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息. 相比

于传统的电类超声换能器, 光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测, 且其良好的抗干扰能

力和复用性, 可有效地提高超声波探测的可靠性和效率, 在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型

成像等领域具有巨大的应用潜力. 目前, 按照传感结构, 光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型

和光纤光栅型, 并在不同方面发挥着各自的优势, 均受到关注. 本文主要综述了这几种传感器的传感机理、实

现方法、发展现状, 总结了光纤超声传感器的几个应用领域及面临的科学技术挑战, 重点讨论了光纤超声传感

器作为一种新技术应用于地震物理模型成像.

关键词: 光纤超声传感器, 光纤强度调制型, 光纤干涉型, 光纤光栅型

PACS: 42.81.Pa, 07.07.Df, 87.63.dh, 81.70.Cv

DOI: 10.7498/aps.66.074205

PZT, 试图解决超声波探测出现的问题, 但效果不

明显, 目前超声波探测仍然以PZT技术为主.

1 引

言

Connector

超声波是一种广泛地应用在海底探潜、成像

和结构健康监测等领域的重要的工具, 特别是对

于不透明介质, 深层的穿透能力使其成为一种优良

无损检测技术 ^[1−10]. 迄今为止, 超声波主要感测

方式的核心元件仍然为压电换能器 (piezoelectric

transducer, PZT), 将超声波信号转换为电压信号

传输至解调单元, 其探测机理如图 1 (a) 所示. PZT

表现出如下特点: 由于 PZT 是基于机械共振的方

式感知超声波, 因此其响应频带决定于自身的结

构, 表现出极窄的带宽; PZT 的方向性决定于其接

收端面的几何结构, 针对不同的声波特点, 如表面

波、体波等, 需要设计不同的探针结构; PZT 适合

于目标结构的单点探测, 复用性较差, 多点同时检

测将极大地增加系统的复杂性; 环境电磁干扰一直

是困扰 PZT 稳定工作的难题, 且超声波信号远距

离传输受制于传输电缆的性能和长度, 不利于实现

远程监测. 尽管人们已尝试利用其他电类方式替代

Encloser

Electrical

matching

network

Backlining

Electrical

lead

Piezo-element

Electrode

(a)

Matching and

wear-resisting

layer

Ultrasonic waves

Ultrasonic

waves

Incident

light

(P֒ λ)

Wavelength

shift

(λ+∆λ)

Intensity variation

(P+∆P)

(b)

图 1 (a) PZT; (b) 光纤超声传感器传感机理

Fig. 1. Sensing mechanisms: (a) PZT; (b) ﬁber-optics

ultrasonic sensor.

∗

国家自然科学基金 (批准号: 61275088, 61605159)、国家高技术研究发展计划 (批准号: 2007AA03Z413, 2009AA06Z203)、中国石

油集团公司项目 (批准号: 2014B-4012, 230114003) 和陕西省自然科学基金 (批准号: S2016YFJQ0899) 资助的课题.

†

‡

通信作者. E-mail:

074205-1

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 074205

1966 年, Kao 和 Hockham 等报道了光纤的光

上声波传感器的研究热点. 从目前已有的研究来

看, 光纤超声传感器在 30年的发展中, 国际上相关

报道很多, 且部分已作为水听器成功应用于水下探

潜 ^[43−47]. 随着许多物理机理和科学技术问题的逐

渐突破, 再加上光纤结构的多样化, 以及日新月异

的激光微加工方法和新型智能材料的出现, 为光纤

超声传感器的研制提供了创新空间, 也拓展了光纤

超声传感器的应用领域, 如结构健康监测和地震物

理模型成像等. 本文主要综述了几种光纤超声传感

器及其应用研究进展.

通讯特性, 并研究了光在光纤中传输的调制方法,

这为光纤传感器的出现拉开了序幕. 光纤传感器是

基于纤维光学、光电子学、智能材料及微结构加工

融合的新型传感检测技术, 与传统常规传感检测技

术相比, 具有检测精度高、本质安全、不受环境电

磁场干扰; 传感器动态范围大, 适用于宽频带微弱

信号检测; 传感系统复用性高, 可实现网络化, 提高

信息检测效率; 传感器件耐高温、耐腐蚀, 适合于特

殊恶劣环境长期使用. 因此, 研究新型光纤传感器

在诸多领域具有十分重要的科学技术意义和应用

价值. 光纤超声传感器作为光纤传感器的一种, 其

传感机理主要是通过高速检测光纤内传输光的强

度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信

息 (幅频特性、发射源位置等, 如图 1 (b) 所示), 与

传统的常规压电型超声换能器相比较 ^[11−20], 光纤

超声传感器充分发挥了光纤传感器的优势, 特别是

在宽频带响应及信号长距离传输保真等方面尤为

突出. 目前, 就光纤超声传感器本身而言, 如何提

高传感器的灵敏度(高信噪比(signal to noise ratio,

SNR) 输出)、扩大传感器的频率响应范围 (单一传

感单元宽频带超声波信息获取)、微型化传感器结

构和提高传感器可靠性一直是光纤超声传感器研

究的主要方向. 此外, 由于超声波频率大于20 kHz,

常规的低频传感解调技术无法满足探测需求, 针对

不同的超声波频段, 可采用相位解调 ^[21−25]、边带

滤波解调 ^[26−30]、光频率解调 ^[31−34]等方式获取超

声波信号. 为了进一步提高信号的 SNR, 解调单元

通常会配合光电转换、电信号放大、滤波处理等技

术 ^[35−42]. 相较于 PZT, 光纤超声传感器已表现出

独特的优势, 表 1 对比总结了两种器件的性能.

2 光纤超声传感器类型

2.1 强度调制型光纤超声传感器

1977 年, Nelson 等 ^[48]首次报道了光纤传感器

用于动态应变探测, 在此工作中, 光纤弯曲放置于

U 形装置内 (如图 2 (a) 所示), 并将一端固定, 弯曲

中间点附近黏贴于薄膜上, 薄膜将环境声波震动

传递至光纤, 引起光纤弯曲改变, 进而调制光纤中

的光强度, 通过解调单元获得强度变化的幅频特

性, 实现频率为 1163 Hz 的声波探测. 此传感器感

知声波的灵敏度和频率决定于光纤的初始弯曲和

薄膜的特性, 因此通过后期改进, 该传感器的性能

可以得到进一步提升. 但是, 低的灵敏度及初始弯

曲损耗也是该传感器的主要不足. 1979 年, Sheem

和 Cole ^[49]提出了一种改进方案, 利用经腐蚀处理

的双光纤缠绕制作出耦合器, 由于光纤腐蚀至纤

芯, 两个光纤中传输光场出现强共振耦合区, 两束

光的相互耦合率决定于光纤重叠区的环境折射率

和光纤间隔, 基于此特性, 可灵敏探测声波引起的

环境折射率变化及光纤间隔变化, 进而通过解调

光强耦合率探测声波信号. 在实验测试中, 该传感

器可感测 2 kHz 的声波信号. 此后也有类似报道

进一步证实了该传感机理的可行性 ^[50,51], 不同的

是利用多模光纤替代单模光纤, 增强光场共振重

叠, 提高了声波感测灵敏度. 此外, 光纤拉锥的方

式也能有效地帮助光纤纤芯中传输的光耦合出包

层 ^[52,53], 如图 2 (b) 所示, 由于光纤锥区保持原有

的波导结构, 因此可有效地降低损耗. 两个光纤贴

附后同时拉锥, 光纤中的光相互耦合, 形成光纤耦

合器, 通过控制拉锥条件, 可以调节光耦合率. 同

时光纤锥区对环境振动和折射率极为灵敏, 类似于

上述的耦合器, 该光纤器件也可用于声波/超声波

(10 kHz—1 MHz) 探测, 相关研究已在文献 [54] 中

报道.

表 1 PZT 与光纤超声传感器性能对比

Table 1. Comparison between PZT and ﬁber-optic ul-

trasonic sensor.

PZT

响应频段窄

Fiber

响应频带宽

体积大 (直径与长度毫米级别)

易受电磁干扰

体积小、重量轻、可绕曲

不受电磁干扰

不耐高温

(居里温度, T < 60 ^◦C)

信号传输稳定性差

耐高温 (> 600 ^◦C)

可在光纤内稳定传输

(>20 km)

良好复用性, 多通道同时检测

超声波矢量传感, 具有方向性

(∼ 10 m)

复用性差

无方向识别性

综上所述, 开展光纤超声传感器的研究具有重

要的科学研究意义、广阔的应用领域, 是当前国际

074205-2

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