高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法技术方案

本发明专利技术一种高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法。所述耦合器制作方法包括如下步骤，步骤1，采用平行夹具固定两根单模光纤，经15‑30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器；步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽中进行固定封装；步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器的两端用粘贴剂固定至长条状V型石英封装槽内；粘贴剂充满V型石英封装槽的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂之间的悬空部分为光耦合区。所述系统包括依次连接的激光光源、上述的耦合器、以及光电转换器、差分放大电路和示波器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及属于测量领域，尤其涉及光纤超声传感
，具体为高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法。
技术介绍
超声检测在光纤传感领域很重要，广泛应用于设备健康监测、探伤，高压设备局部放电检测。传统的超声检测系统多基于电陶瓷传感器，灵敏度高，但体积大不易埋入设备中，传输距离短，易受电磁干扰。光纤类型传感器由于其低耗损，抗电磁、辐照干扰，结构细小、重量轻，与纤维复合、金属等材料兼容性强，响应迅速等特点，在超声检测应用中具有非常重要的意义。当前，实用化的光纤超声检测系统，主要是基于光纤干涉型、光纤光栅以及依赖于换能器的光纤传感器。光纤干涉型超声传感器，例如1)Sagnac、MZ干涉型超声传感器，技术要求高，对高频超声波响应特性不太理想，安装复杂且受温度起伏影响大，2)借助石墨烯薄膜的法布里珀罗干涉型超传感器，成本极高，成功率极低。光纤光栅超传感器频率检测范围较大，灵敏度较高，但容易引起相位误差，并且对激光光源及后续解调电路有较高要求，同时需要额外辅助设备来补偿由温度变化引起的波长偏移，实际应用的成本相对比较高。例如CN102313779“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”。已公开的专利CN201210374356.2“一种声波频率探测器及多模耦合器生波频率探测系统”，将裸露的多模耦合器直接放置至铝制薄膜，容易损坏，同时借助铝制薄膜，降低了声压利用，灵敏度低，并且易受环境干扰。已公开的专利CN201310386525.9“一种基于单模光纤耦合器的声发射
传感系统”，及专利CN201510373717.5“自适应型变压器局部放电的光纤超声检测系统及检测方法”对光源波段有特定要求，影响系统的适应性。Tao Fu等人(详见Composites Part B:EngineeringVolume 66,November 2014,Pages 420–429和Optics and Lasers in Engineering,2009,47(10):1056-1062.)以及专利CN201510373717.5“自适应型变压器局部放电的光纤超声检测系统及检测方法”中公开的制作封装同类型的熔锥耦合器时，直接对单模光纤进行加热，耦合状态低，并在预拉力下进行封装固定，导致最后的传感器灵敏度低，最大响应频率小，频带窄。熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统耦合状态、预拉力以及光源特性等因素对提高熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统的灵敏度至关重要，然而现有专利文献并未见相关研究的报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高灵敏度熔锥耦合型微纳光纤超声检测系统及其耦合器制作方法，无需增加换能器进行增敏，实现高灵敏、宽频带、高稳定光纤超声传感，解调成本极低，不受温度漂移影响。本专利技术是通过以下技术方案来实现：封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，包括如下步骤，步骤1，采用平行夹具固定两根单模光纤，经15-30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器；步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽中进行固定封装；步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器的两端用粘贴剂固定至长条状V型石英封装槽内；粘贴剂充满V型石英封装槽的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂之间的悬空部分为光耦合区。优选的，所述封装熔锥型微纳光纤耦合器为强耦合状态，耦合周期大于40，光损不超过0.5dB。高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，所述的检测系统包括依次连接的激光光源、由上述方案中任意一项制作得到的封装熔锥型微纳光纤耦合器、光电转换器、差分放大电路和示波器；封装熔锥型微纳光纤耦合器的输入端连接激光光源，两输出端分别连接第一光电转换器和第二光电转换器，两个光电转换器输出端连接至差分放大电路输入端，差分放大电路输出端连接至示波器。优选的，所述的激光光源为窄带光源，其线宽小于2MHz。优选的，所述的激光光源最小输入光电流大于16mA，光功率大于0.5mW。优选的，还包括封装熔锥型微纳光纤耦合器与待测物体间的耦合剂，并且粘贴剂与耦合剂均为紫外线环氧固化胶。优选的，所述光电探测器的探测波长范围包含光源波长，响应带宽大于10MHz。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述熔锥型微纳光纤耦合器的优化制作封装中，首先通过氢焰预热，使熔锥型微纳光纤耦合器形成强耦合状态，可以提高系统检测灵敏度。由光耦合机理可知，在强耦合状态下，熔锥型微纳光纤耦合器的两输出端光功率交替越频繁，改变光功率的耦合输出越容易。光功率输出变化表征传感系统的灵敏度，因此强耦合状态下的熔锥型微纳光纤耦合器对外界超声波更敏感。在封装固定时，卸去微纳光纤耦合器两端的预拉力，使其在放松状态下进行封装，可以提高系统的灵敏度，扩大测量范围。由传感机理：超声波应力场会引起耦合器形变，进而导致耦合光功率输出变化，施加在耦合器上的预拉力越小越容易形变。形变越容易，耦合输出光功率越容易改变，同时由于光功率输出的变化可以直接表征传感器的灵敏度，因此，越容易发生形变
的耦合器其灵敏度越高。通过对微纳光纤耦合器制作封装工艺进行改进，制作简单，方便可靠，成功率高，不需要增加额外制作成本，也无需增加换能器进行增敏，即可大幅度提高传感器的灵敏度，扩大测量范围。本专利技术所述的系统，在封装熔锥型微纳光纤耦合器的基础上，利用简单且成本低的解调电路，只需对信号进行差分放大处理。采用差分放大解调方式，可消除光源及温度的干扰。同时，此检测系统在更换不同静态分光比的传感器前提下，依旧保持高的灵敏度和宽测量的范围。进一步的，只要求系统采用窄带激光光源，光源最小输入光电流大于16mA，光功率大于0.5mW，即可提高检测系统的灵敏度，达到理想的测量效果；对激光光源波段没有限制，很大程度上提高了系统的应用性。使用窄带光源会使光波长微小的变化表征为光强输出很大的变化，可以提高传感器的灵敏度。进一步的，选用以无预拉力形式封装的强耦合状态下的熔锥型微纳光纤耦合器，封装粘贴剂与耦合剂均为紫外线环氧固化胶，同时测试系统选用光电流大于16mA，光功率大于0.5mW的窄带激光光源，可以最大程度提高检测系统的灵敏度及测量范围。附图说明图1为本专利技术实例中所述超声检测系统结构示意图。图2为本专利技术实例中所述熔融拉锥工作结构图。图3a为本专利技术实例中所述未经封装的熔锥型微纳光纤耦合器。图3b为图3a中A-A`方向的截面图。图4为本专利技术实例中所述经过封装的熔锥型微纳光纤耦合器。图5为本专利技术实例中所述超声检测系统在不同带宽光源下测试结果图。图6a为本专利技术实例中所述超声检测系统在超窄带激光光源光电流为15
mA时对500kHz正弦输入信号的响应图。图6b为本专利技术实例中所述超声检测系统在超窄带激光光源光电流为16mA时对500kHz正弦输入信号的响应图。图7为本专利技术实例中所述微纳光纤熔锥耦合器在施加预拉力和未施加预拉力的测试结果图。图8a为本专利技术实例中水和UV胶作为耦合剂在同一贴粘贴材料下的检测结果图。图8b为本专利技术实例中凡士林和硅橡胶作为耦合剂在同一贴粘贴材料下的检测结果图。图9为本专利技术实例中所述铅芯断裂声源的时频域响应图。图10本专利技术实例中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，采用平行夹具(2)固定两根单模光纤(1)，经15‑30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)；步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽(7)中进行固定封装；步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)的两端用粘贴剂(8)固定至长条状V型石英封装槽(7)内；粘贴剂(8)充满V型石英封装槽(7)的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂(8)之间的悬空部分为光耦合区(5)。

【技术特征摘要】
1.封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，采用平行夹具(2)固定两根单模光纤(1)，经15-30s的氢焰预热后，再进行熔融拉锥获得强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)；步骤2，卸去强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)两端的预拉力，以放松状态悬空于V型石英封装槽(7)中进行固定封装；步骤3，将强耦合状态的微纳光纤耦合器(4)的两端用粘贴剂(8)固定至长条状V型石英封装槽(7)内；粘贴剂(8)充满V型石英封装槽(7)的两端部，得到封装熔锥型微纳光纤耦合器，其两端粘贴剂(8)之间的悬空部分为光耦合区(5)。2.根据权利要求1所述封装熔锥型微纳光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述封装熔锥型微纳光纤耦合器为强耦合状态，耦合周期大于40，光损不超过0.5dB。3.高灵敏度耦合型微纳光纤超声传感系统，其特征在于，所述的检测系统包括依次连接的激光光源、由权利要求1-2中任意一项制作得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘懿莹，李凤梅，王霖洁，赵振宇，虞珂，付文成，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61