一种全光纤超声波声强测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，包括激光发射单元、光纤隔离单元、光纤耦合单元、声强探测单元、光电探测单元以及信号处理单元。其中，声强探测单元包括一段单模光纤，具有垂直于该单模光纤轴向的平滑端面；光纤耦合单元的第一端口与光纤隔离单元连接，第二端口与单模光纤连接，第三端口与光电探测单元连接。激光在单模光纤的平滑端面上发生费涅尔反射并产生返回光，其强度与单模光纤所处声场中的声强具有对应关系，利用已知超声波对装置进行标定后即可用于测量未知超声波。本发明专利技术提供的装置动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰，并且构造简单明了，易于制造及使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声波声强测量装置，尤其涉及一种全光纤超声波声强测量装置。
技术介绍
随着科技发展，超声波技术在机械、电子、航空、化工及医疗等领域的应用越来越广泛，如测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在超声波技术的应用过程中，声强是一个十分重要的参数，其测量对超声换能器的研制及超声波的应用有非常重要的作用。例如，在超声清洗设备的制造及调试过程中，需要检测超声换能器是否工作在最佳谐振点上，传统方法是观察清洗槽中清洗液的波纹大小，这种方法虽然直观，但不够准确，也无法量化。现有的超声波声强的测量方法主要有如下几类：1、力学法，该类方法的主要原理是，声波对于接收表面可产生作用力，导致接收表面产生位移，通过测量位移的大小即可反推出声波的声强；2、电学法，该类方法的原理是利用压电水听器测量声场的声压，从而测量得到声波的声强(参见专利“水处理中超声声强检测与控制方法”中公开的内容，公开号为CN102249367B)；3、压差法，该类方法的原理是利用探针感应超声波的声压作用，并将探针与一只U型管相连，根据U型管内液面高度差推算得出声强；4、光学法，该类方法利用超声驻波对入射光的衍射作用，根据衍射角度得到声波的声强(参见专利“一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用”中公开的内容，公开号为CN105352583A)。上述超声波声强的测量方法中，基于电磁学原理的声强测量方法及装置易受电磁干扰，抗冲击性能较差。基于光学原理的声强测量方法及装置具有动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰等优点，具有良好的应用前景。现有的基于光学原理的声强测量方法多基于光学干涉原理，而基于光强测量的声强测量装置及方法则未有报道。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，其特征在于，包括：激光发射单元，用于产生激光；光纤隔离单元，通过光纤与激光发射单元连接，用于传输激光发射单元产生的激光；光纤耦合单元，至少具有第一端口、第二端口及第三端口，第一端口通过光纤与光纤隔离单元连接，光纤隔离单元传输的激光经第一端口传入光纤耦合单元，并通过第二端口传输出去；声强探测单元，包括一段单模光纤，该单模光纤的一端与光纤耦合单元的第二端口连接，接收第二端口传输来的激光，另一端为探测端，具有与单模光纤轴向垂直的平滑端面，激光在单模光纤中传输，并在该平滑端面上发生费涅尔反射并产生返回光，该返回光通过第二端口传回光纤耦合单元，并经第三端口传输出去；光电探测单元，与光纤耦合单元的第三端口连接，用于接收返回光，并将光信号转变为电信号输送出去；信号处理单元，与光电探测单元连接，接收光电探测单元输送来的电信号并对该电信号进行处理。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，激光发射单元为PIN型光电二极管、光电池或光电倍增管。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，光纤隔离单元为光纤隔离器。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，光纤耦合单元为光纤耦合器。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，光纤耦合器的耦合方式为1×2或2×2。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，光电探测单元为光电检测器。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，声强探测单元还包括一个夹具，用于夹持单模光纤的探测端。进一步地，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：其中，夹具为可拆卸式夹具。专利技术作用与效果根据本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置，由于其声强探测单元具有一段单模光纤，该光纤的探测端具有与单模光纤轴向垂直的平滑端面，激光在该端面发生费涅尔反射，产生返回光且该返回光的衰减较小。返回光的光强与探测端所处的声场中超声波的声强具有对应关系，因此，通过对该返回光的光强进行测量并对测量得到的数据进行分析，即可得到待测超声波的声强。本专利技术提供的装置具有动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰等优点，并且其中各个部件之间均通过光纤连接，构造简单明了，易于制造和使用。附图说明图1是本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置的结构示意图。具体实施方式以下结合附图及实施例来说明本专利技术的具体实施方式。实施例图1为本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置的结构示意图。如图1所示，本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置(以下简称测量装置)10包括激光发射单元1、光纤隔离单元2、光纤耦合单元3、声强探测单元4、光电探测单元5以及信号处理单元6，其中，声强探测单元4包括一段单模光纤，该单模光纤的一端为探测端，具有通过切割形成的与该单模光纤轴向垂直的光滑端面，另一端为连接端。如图1所示，激光发射单元1与光纤隔离单元2连接，光纤耦合单元3具有三个端口，分别为第一端口31，第二端口32，第三端口33。其中，第一端口31与光纤隔离单元2通过光纤连接，第三端口33与光电探测单元5通过光纤连接，第二端口32与声强探测单元4中的单模光纤的连接端直接连接。在本实施例中，激光发射单元1为PIN型激光器，光纤隔离单元2为光纤隔离器，光电探测单元5为光电检测器；光纤耦合单元3为光纤耦合器，耦合方式为1×2。此外，该单模光纤的探测端被可拆卸夹具(图中未示出)夹持，使该单模光纤可以被从该可拆卸夹具中卸下，或连同该可拆卸夹具被从全光纤超声波声强测量装置10上卸下。以下结合附图及实施例，说明本专利技术提供的全光纤超声波声强测量装置的测量过程及原理。首先将声强探测单元4的单模光纤伸入超声波的声场中，使该单模光纤的探测端完全处于声场的介质中。打开激光发射单元1，该激光发射单元1产生并输出激光，该激光传入光纤隔离单元2，再从光纤耦合单元3的第一端口31传入该光纤耦合单元3，随后从第二端口32传至声强探测单元4中的单模光纤，并在该单模光纤的探测端端面发生费涅尔反射，产生反射光，该反射光即为返回光。该返回光随后沿单模光纤传回至光纤耦合单元3，并从第三端口33传至光电探测单元5。此时，光电探测单元5检测到一定的光强信号，并将其转化为电信号输出至信号处理单元6；该电信号与探测端返回光的光强信号相对应。激光在探测端端面的反射率如下式(1)所示：R=(n1-n0n1+n0)2---(1)]]>其中，n1是光纤芯的折射率，n0是声场中的介质(如水或空气)的折射率。当声场中有一定强度的超声波时，介质受超声波振荡的影响产生密度变化，其折射率因而发生改变。将超声波记为i·cos2πft，其中，i是超声波强度，f是超声波频率，t是时间；由于介质的折射率变化呈现与超声波的频率相对应的周期性，因此介质的折射率的变化量可以记为Δn·cos2πft，其中Δn为折射率的最大变化量。因此，介质的折射率为n0+Δn·cos2πft。将到达单模光纤的探测端端面的激光光强记为P0，光电探测单元5所输出的电信号强度记为u，则u的计算式如下述式(2)所示：u=ρkP0(n1+n0+Δn·cos2πft)2(n1-n0-Δn&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，其特征在于，包括：激光发射单元，用于产生激光；光纤隔离单元，通过光纤与所述激光发射单元连接，用于传输所述激光发射单元产生的激光；光纤耦合单元，至少具有第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口通过光纤与所述光纤隔离单元连接，所述光纤隔离单元传输的激光经所述第一端口传入所述光纤耦合单元，并通过所述第二端口传输出去；声强探测单元，包括一段单模光纤，该单模光纤的一端与所述光纤耦合单元的第二端口连接，接收所述第二端口传输来的激光，另一端为探测端，具有与所述单模光纤轴向垂直的平滑端面，所述激光在所述单模光纤中传输，并在该平滑端面上发生费涅尔反射并产生返回光，该返回光通过所述第二端口传回所述光纤耦合单元，并经所述第三端口传输出去；光电探测单元，与所述光纤耦合单元的第三端口连接，用于接收所述返回光，并将光信号转变为电信号输送出去；信号处理单元，与所述光电探测单元连接，接收所述光电探测单元输送来的电信号并对该电信号进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，其特征在于，包括：激光发射单元，用于产生激光；光纤隔离单元，通过光纤与所述激光发射单元连接，用于传输所述激光发射单元产生的激光；光纤耦合单元，至少具有第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口通过光纤与所述光纤隔离单元连接，所述光纤隔离单元传输的激光经所述第一端口传入所述光纤耦合单元，并通过所述第二端口传输出去；声强探测单元，包括一段单模光纤，该单模光纤的一端与所述光纤耦合单元的第二端口连接，接收所述第二端口传输来的激光，另一端为探测端，具有与所述单模光纤轴向垂直的平滑端面，所述激光在所述单模光纤中传输，并在该平滑端面上发生费涅尔反射并产生返回光，该返回光通过所述第二端口传回所述光纤耦合单元，并经所述第三端口传输出去；光电探测单元，与所述光纤耦合单元的第三端口连接，用于接收所述返回光，并将光信号转变为电信号输送出去；信号处理单元，与所述光电探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕孟轩，戴博，张大伟，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31