基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，通过使光纤共路干涉装置探测端面靠近待测样品表面并在小范围作低频周期运动，同时重复触发探测器多次采集高频超声信号，根据光电探测器所测的同步低频干涉信号判断光纤探测端面的工作状态，对高频超声信号进行极性判断，来修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理，显著提高信号的探测质量。本发明专利技术成本低，且灵敏度高，降低了干涉装置的稳定性要求的同时提高信号的信噪比，适用范围得以拓宽，并且单点探测的扫查方式具有高空间分辨率。有高空间分辨率。有高空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法


[0001]本专利技术涉及光声探测领域，特别是一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法。

技术介绍

[0002]如今，光纤技术的广泛应用使得光纤传感技术也处于飞速发展中，光纤传感技术以光纤作为信号的传输媒介，待测的物理量在光纤中传输的过程中，以光纤中连续光为载体，使光纤中的光信号发生变化，可以通过对光信号调制得到待测信息。光纤干涉仪作为一种干涉型光纤传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、频带宽、环境适应性强等众多优点。此外基于它抗电磁干扰能力极强的特性，光纤干涉仪可以与光电探测器等光电转换器件很好的结合应用，其信号不会受到外界电磁干扰的影响。光纤传感技术的众多优势，使它在传感
占据重要的地位，在航空航天、生物医学等方面得到了广泛的应用，极大地推进了传感技术的发展。但因为其较高的灵敏度，外界的其他扰动都会引起探测时信号的变化，对光纤干涉仪工作环境的稳定性要求十分严格。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，包括：通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面一定范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本专利技术通过微调装置调整光纤斐索干涉装置探测端面的工作位置，提高探测灵敏度、探测信号的信噪比；（2）使用光电探测器和雪崩探测器双路探测，分别探测干涉信号的低频部分和高频部分以便于探测信号的筛选后处理；（3）基于共路干涉原理使其较其他干涉系统具有更强的稳定性；（4）单点探测结合
多尺度空间扫查的方式，具有高空间分辨率和更灵活的适用性；（5）根据基于光纤探测端面的工作位置判断信号的后处理方法避免了对光纤干涉装置工作环境的严格要求，能在干扰环境下提高信号质量。
附图说明
[0005]图1是实现此方法的实验装置系统示意图。
[0006]图2是压电微位移控制台俯视图。
[0007]图3是具体实施方法的流程框图。
[0008]图4（a）、图4（b）分别是光纤探测端面的工作位置处于非线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号和线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号。
[0009]图5（a）、图5（b）分别是平均处理的lamb波信号和亚克力(PMMA)板的A0模态lamb波波速。
具体实施方式
[0010]本专利技术提供一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，基于图1所示的实验装置实现，装置包括空耦换能器1、功率放大器2、信号发生器3、激光器4、光纤耦合器5、驱动装置6、微调装置7、雪崩探测器8、信号放大器9、PIN光电探测器10、IV放大装置11、示波器12、计算机13、闭环控制14、双级位置控制系统15。
[0011]该方法通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其以Hz至kHz的较低频率作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面0
‑
0.7mm范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，根据其工作位置，光纤探测端面的工作位置会引起信号的反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理，显著提高信号的探测质量。
[0012]进一步的，所述微调装置采用压电陶瓷或微型减速电机。
[0013]在其中一个实施例中，所述微调装置如图2所示，包括光纤台16、置物台17、预紧铰链18、传送铰链19、压电陶瓷凹槽20、螺丝槽21和光纤槽22；其中光纤台16用于固定光纤，它与传送铰链19相连位于置物台17的前端；预紧铰链18属于置物台17的后半部分，包含螺丝槽21，利用螺丝固定压电陶瓷凹槽20中的压电陶瓷；通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链19带动光纤台16上的光纤移动。
[0014]进一步的，对于微米量级空间分辨率的高频声场探测，所述光纤探测端面采用1550nm单模光纤，连接所述光纤耦合器的第一输出端，通过光纤切割刀切割平整固定于微调装置，光纤纤芯直径小于10微米，可实现微米级的空间分辨率；对于低频声场为提高信噪
比也可牺牲一定空间分辨率，使用多模光纤器件来提高探测信噪比；所述光纤耦合器还包括第二输出端和第三输出端分别连接PIN光电探测器和雪崩探测器实现双通道探测，基于光纤共路干涉，信号光和参考光都在同一光纤臂中传输，外界环境变化所产生的扰动对两束光的影响是相同的，不会产生额外的相位差，具有更好的抗干扰能力，同时得到光纤探测端面的工作位置和高频超声信号。
[0015]进一步的，可将所述控制光纤探测端面位置的微调装置加入到级联的位置控制系统上，结合干涉信号和光栅编码器的多级位移闭环控制，在声场扫查的同时自适应定位光纤探测端面的理想工作区间，并根据检测对象和检测需求，在不同精度下进行多尺度空间扫查，兼顾大尺度下的扫查速度和小尺度下的精度要求，在待测表面不同位置实现超声波单点探测与扫查，具有高空间分辨率；适用于金属表面的超声探测。
[0016]进一步的，所述PIN探测器带宽根据干涉信号情况可选为DC
‑
100kHz或DC
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1MHz，所测的低频段干涉信号为高频声信号的后处理提供参考和依据；雪崩探测器的探测带宽为100Hz至GHz，并且探测端面有效接收半径可低至5，适用于高频声场探测，可实现微米量级的高空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，包括：通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面一定范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理。2.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，所述微调装置采用压电陶瓷或微型减速电机。3.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其以Hz至kHz的频率作往复周期运动。4.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面0
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0.7mm范围内作周期运动。5.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，所述光纤探测端面采用1550n...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚威威，顾嘉伟，曾超，李秋雨，袁玲，沈中华，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：