[发明专利]一种悬臂式微光纤光栅超声传感器

说明书

本发明公开了一种悬臂式微光纤光栅超声传感器，属于传感领域，本发明为具有悬臂结构、变直径的微光纤光栅超声传感器，传感器由小直径的悬臂段、直径由小变大的过渡段、普通直径的尾纤组成，将光纤尾纤固定在待测件上，使光纤腰部和过渡段形成悬臂结构。传感器在特定频率能发生共振，改变光纤腰部和过渡段的长度、直径等参数能改变光纤共振频率。此外，传感器对信号振幅有放大功能，振幅的放大倍数可通过改变过渡段直径变化率等参数来控制。

技术领域

本发明属于传感领域，具体是指一种悬臂式微光纤光栅超声传感器。

背景技术

光纤光栅具有重量轻，耐腐蚀，抗电磁干扰，可多路复用的优点，但仍存在超声灵敏度较低的问题，难以探测振幅小或距离远的超声导波信号。当光纤光栅形成悬臂结构时，对特定频率的超声波会产生共振，但信号的振幅较小，需要对信号进一步放大。微光纤光栅不仅尺寸小，并且在远隔贴附法下具有超声增幅功能。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种悬臂式微光纤光栅超声传感器。该传感器结合了悬臂光纤光栅和微光纤光栅的优点，在共振频率下的超声振幅大幅增加，并且共振频率和信号的放大倍数都能由设计改变。

本发明悬臂式微光纤光栅不仅可以在特定频率下共振，并且超声增幅能力相比悬臂光纤光栅和微光纤光栅进一步提高。该传感器可以针对实际所需的频率设计对应的共振频率，并且根据信号强弱调节传感器增幅，有较高的可设计性和灵敏度，能实现光纤光栅的多功能应用。

本发明是这样实现的：

一种悬臂式微光纤光栅超声传感器，其特征在于，所述的传感器包括光纤腰部(1)、光纤过渡段(2)、光纤尾纤(3)；所述的光纤腰部(1)直径大于10μm，小于125μm；光纤光栅的栅区位于光纤腰部(1)部分，光纤腰部(1)没有涂覆层；所述的光纤过渡段(2)，直径由小变大，光纤过渡段(2)小直径处连接光纤腰部(1)，光纤过渡段(2)大直径处连接光纤尾纤(3)，光纤过渡段(2)没有涂覆层；所述的光纤尾纤(3)直径为125μm，光纤尾纤(3)可保留涂覆层，使传感器具有更好的韧性，保留涂覆层后直径大于125μm；

用粘合剂(4)仅将光纤尾纤(3)固定在待测件上，确保光纤腰部(1)、光纤过渡段(2)悬空以形成悬臂结构；超声波从待测件传播到粘合剂处，再传播到悬臂端并通过栅区，随后在光纤腰部(1)的自由端反射；入射波和反射波频率相同，方向相反，两者形成驻波，在特定频率处共振。

进一步，该悬臂式微光纤光栅超声传感器需要连接解调系统将超声引起的动态应变转换为高频电信号输出，并记录实时波形。所述的传感器进行主动超声实验时，将超声波发生器(12)固定在待测件的一端，连接信号发生器(7)输入超声信号并通过功率放大器(6)放大10倍，将普通光纤光栅(13)、微光纤光栅(14)固定在待测件的另一端，连接解调系统并锁定反射光谱的3dB点，解调系统由激光器(11)输入单一波长的激光，由环形器(10)传输至光栅处，在光纤光栅处反射后经光电探测器(9)转换为电信号后在示波器(8)输出，当超声波引起布拉格波长偏移时，光纤光栅能实时测量超声信号，并且具有高灵敏度。

进一步，其共振频率在传统悬臂光纤光栅的共振频率附近发生失谐；传统悬臂光纤光栅的共振频率为：

其中，f是频率，n是频率的阶数，l是悬臂长度，v是超声波的波速；当传感器为微光纤光栅时，f的各阶频率不会呈倍数增长。

进一步，所述的光纤腰部(1)长度l_w和光纤过渡段(2)长度l_t的比值l_w/l_t影响共振频率，一阶共振频率随着l_w/l_t增大而减小；当l_w/l_t小于7.5时，两者为指数关系；当l_w/l_t大于7.5时，两者为一次函数关系。