[发明专利]点接触式光纤超声波传感器

说明书

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种对固体表层传播的高频超声波振动检测的点接触光纤超声波传感器。 

技术背景

在工业领域，长期以来主要依靠传统的、基于压电效应的压电陶瓷超声波传感器对金属等固体物体内或其表层传播的超声波信号进行测量。但压电陶瓷超声波传感器对固体表面接触部分的平整度要求很高，对于一些不规则表面，如弧形表面则不能直接使用。另一方面，为了得到高的检测灵敏度，需要保持传感器表面与固体表面的良好接触。使用时常常需要在两接触面之间涂敷声波耦合介质，如硅脂等耦合液，以减小声场界面耦合损失。这导致操作手续繁琐。 

另一方面，在高电压设备场合，如高压电力传输变压器，往往不容许外部金属导体部件导入其中，以防止高压电产生爬电现象。压电陶瓷类型的超声波传感器属于电传感器，探头与测量装置需通过电气线路相连接，因此在高电压设备场合，严格限制了压电陶瓷类型的超声波传感器的使用。 

在电力行业，在如高压电力传输变压器，气体绝缘开关柜（GIS）等高电压设备内，由于局部放电的产生，往往容易导致设备的毁坏或火灾的发生。因此对这些高压设备内部的局部放电的实时监测是一项维护设备安全，防止灾难发生的重要工作。对于电力设备内部的局部放电进行测量的主要方法之一，是对由局部放电所产生出的微弱高频超声压力波信号进行测量。由局部放电所产生的微弱高频超声波信号其频率分布大致在20 kHz到300 kHz之间，因此要求传感器应同时具备有良好的高频响应特性以及对微弱振动的反应灵敏度。 

随着光纤制造、测量技术的不断完善，人们对光纤传感方面的研究变得更加深入和广泛。目前以光纤、光纤光栅为基础的光纤传感器的研究，正成为光纤传感器研究领域的一大热点。同传统的电传感器相比，光纤传感器所具有明显的技术优势在于： 

1.        作为传感元件，光纤的主要成分为二氧化硅（SiO₂），为不导电材料，因此不会产生高压电爬电现象；

2.        光纤传感器采用的是全光测量，能够实现远距离的测量，并易于级联实现准分布式传感网络；

3.        具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各类材料之中进行实时、安全监测。

由于这些技术优势，使得光纤传感器的应用范围非常之广，在电力工业，桥梁、建筑、海洋石油勘探、油井及航空、大坝等工程等方面，实现对结构，材料的健康状态无源、实时监测。 

利用光干涉技术、光纤光栅技术等构成的光纤超声波传感器是最新发展起来的。在众多类型的光纤传感器之中，该类型的传感器具有结构简单，尺寸小，对外界扰动非常敏感等优点。但目前所研究开发出来的光纤超声波传感器，由于光纤细长结构的限制，对高频超声波的响应特性并不太理想。目前大多数超声波传感器的最高响应频率仅仅停留在几十kHz到百kHz之间，难于覆盖由局部放电所产生的高频超声波的频谱范围。另一方面，目前大多数类型光纤超声波传感器还属于面接触型，因此对所接触固体表面的平整度还有一定的要求。常常由于表面耦合状态不理想，以及时常变化导致传感器灵敏度大大降低，并且给测量过程带来许多不确定的因素。 

利用基于光纤光栅技术的光纤F-P传感器，采用预拉力结构使光纤F-P谐振腔体绷直，以改善光纤F-P谐振腔体对高频振动的响应特性，并通过面垂直、点接触方式将超声波在固体表层面内传播时所产生的微小振动直接传递给光纤F-P谐振腔，以减小振动能量的传递损失，实现宽频带、高灵敏、全光纤超声波传感器，是针对目前传统的压电陶瓷类型的超声波传感器以及其他类型光纤超声波传感器存在的各类问题的解决方案之一。 

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于光纤光栅技术的点接触式光纤超声波传感器，减小振动能量的传递损失，实现宽频带、高灵敏、全光纤超声波传感。 

为达到上述目的，本发明的构思是： 

在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，相隔一定长度后再写入相同波长、相同反射率的光栅，在光纤内部形成一对光栅波长反射镜，由此构成一个双光栅光纤F-P谐振腔。同样，在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子的聚酰亚胺树脂薄膜，以加强光纤F-P谐振腔的拉伸强度和硬度，改善其对高频振动的响应特性。

在光纤头部，接近光纤F-P谐振腔处，将光纤插入到一个作为传感触头的陶瓷插芯内并胶合在一起，以此构成一个光纤超声波敏感元件。