一种超声波发射与探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于超声检测技术领域，提出一种超声波发射与探测装置及方法

【技术实现步骤摘要】
一种超声波发射与探测装置及方法


[0001]本专利技术涉及超声检测
，尤其涉及一种超声波发射与探测装置及方法
。

技术介绍

[0002]超声检测设备广泛应用于医学
、
工业
、
航空航天
、
海洋等领域，其多数使用压电换能器直接发射超声及探测超声信号，经过处理后得到对应的检测信息
。
虽然基于压电换能器的检测方式具有技术成熟
、
结构简单
、
灵敏度高的优点，但是压电换能器从原理上决定了其必须使用声耦合介质，这使其在很多应用中受到限制
。
专利“在线超声波厚度测量装置”(CN207688849U)
，利用非接触水浸式超声波探头，通过法向
、
压力和水压闭环控制等技术，自动获取测量法向，可以实现实时在线厚度的测量，但是这种测量方式需要添加耦合剂，难以满足工业生产线快速测量的要求
。
[0003]为了解决基于声学的超声探测所带来的技术困难，各种基于光学的超声探测方法被相继提出，且多数为基于干涉测量技术，当样品内超声信号传播到样品表面时，导致样品表面振动，其利用光学干涉原理直接检测这种振动进行超声信号的处理
。
与基于压电换能器的探测方法相比，光学干涉法具有非接触
、
易于装置小型化等优点，光学方法不需要声耦合介质，可以保证样品不被污染，但会受到样品表面粗糙程度的干扰，导致干涉灵敏度降低
。
专利“一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法”(CN115166062A)
，利用差分干涉原理探测光电压信号，光电压信号与声压的平方成正比例关系，进而可以解调出超声信号，但这种测量方法会受到样品表面粗糙程度的干扰
。
专利“激光超声光学干涉检测装置”(CN203745385U)
，采用非线性晶体，利用其双波混合干涉效应检测光强，但这种方法同样会受到样品表面粗糙程度的干扰，这使其在很多应用中受到限制
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的主要是解决基于光学的超声探测技术受到样品表面粗糙程度干扰的问题
。
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种超声波发射与探测装置及方法
。
[0005]本专利技术的技术方案如下：一种超声波发射与探测装置，包括激发光源
1、
集成探测端
2、
探测光源
7、2
×2光纤耦合器
8、
光纤环形器
9、3
×3光纤耦合器
13、
光电探测器
、
高通滤波器和电脑
20
；集成探测端2位于激发光源1与待测样品6间，其包括依次布置的二色镜
3、
薄膜4和声透镜5；激发光源1位于集成探测端2的二色镜3侧；待测样品6位于集成探测端2的声透镜5侧；所述声透镜5的中间为中空；探测光源
7、2
×2光纤耦合器8和光纤环形器9依次排布；光纤环形器9布置三个端口，分别为光纤环形器第一端口
10、
光纤环形器第二端口
11
和光纤环形器第三端口
12
；光纤环形器第一端口
10
用于接收2×2光纤耦合器8传输的样品光，光纤环形器第二端口
11
用于输出样品光至二色镜3以及接收从薄膜4反射回二色镜3的反射光；光纤环形器第三端口
12
用于输出反射光至3×3光纤耦合器
13
一端；2×2光纤耦合器8传输参考光至3×3光纤耦合器
13
一端；3×3光纤耦合器
13
另一端的三个端口分别连接三个光电探测器，每个光电探测器分别经高通滤波器连接至电脑
20
中的数据采集卡
21
；电脑
20
连
接激发光源1，根据数据采集卡
21
输出的信息控制激发光源1的光强
。
[0006]一种超声波发射与探测方法，基于超声波发射与探测装置实现，包括超声信号激发过程
、
超声信号检测过程和超声信号解调过程；
[0007]所述超声信号激发过程具体为：激发光源1发射激光，激光依次经过二色镜3和薄膜4，穿过中空声透镜5中间照射到待测样品6上；待测样品6将吸收的光能转化成热能升温，待测样品6发生局部膨胀，产生超声波；超声波向待测样品6内部传播，当遇到界面时，产生反射，传播到样品表面，然后向空气中传播
。
[0008]所述超声信号检测过程具体为：声透镜5将待测样品6表面产生的超声波聚焦于薄膜4，引起薄膜4振动；探测光源7发出探测光进入2×2光纤耦合器8，所述探测光分成样品光和参考光；样品光经光纤环形器第一端口
10
进入光纤环形器9，从光纤环形器第二端口
11
输出，经二色镜3后，照射到薄膜4表面，探测薄膜4振动，样品光根据振动的强弱经薄膜4产生不同相位变化的反射光；从薄膜4反射回二色镜3的反射光进入光纤环形器第二端口
11
并经光纤环形器第三端口
12
连同参考光进入3×3光纤耦合器
13
；参考光和反射光分别经3×3光纤耦合器
13
分成三路，分别输出三路信号，三路信号分别进入光电探测器
A14、
光电探测器
B15、
光电探测器
C16
，三路信号分别于光电探测器内发生干涉并转换成电信号；电信号分别经高通滤波器
A17、
高通滤波器
B18、
高通滤波器
C19
滤除干扰后进入电脑
20
中，数据采集卡
21
采集滤除干扰后的电信号，最终由电脑
20
解调出超声信号
。
[0009]所述超声信号解调过程具体为：
[0010]经过高通滤波器后数据采集卡
21
采集的三路电信号如下：
[0011][0012]和表示三路电信号之间的相位差，为发生干涉的反射光和参考光的相位差，
D
i
＝
1,2,3
为直流分量，
A
i
＝
1,2,3
为干涉耦合项的幅度
。
[0013]由
(1)
式可得发生干涉的反射光和参考光的相位差，
[0014][0015]参数
p
i
＝
1,2,3
，
q
i
＝
1,2,3
具体为具体为具体为
[0016]由于以上各个参数只和
D
i
＝
1,2,3
及
A
i
＝
1,2,3
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超声波发射与探测装置，其特征在于，所述超声波发射与探测装置包括激发光源
(1)、
集成探测端
(2)、
探测光源
(7)、2
×2光纤耦合器
(8)、
光纤环形器
(9)、3
×3光纤耦合器
(13)、
光电探测器
、
高通滤波器和电脑
(20)
；集成探测端
(2)
位于激发光源
(1)
与待测样品
(6)
间，其包括依次布置的二色镜
(3)、
薄膜
(4)
和中空声透镜
(5)
；激发光源
(1)
位于集成探测端
(2)
的二色镜
(3)
侧；待测样品
(6)
位于集成探测端
(2)
的声透镜
(5)
侧；所述声透镜
(5)
的中间为中空；探测光源
(7)、2
×2光纤耦合器
(8)
和光纤环形器
(9)
依次排布；光纤环形器
(9)
布置三个端口，分别为光纤环形器第一端口
(10)、
光纤环形器第二端口
(11)
和光纤环形器第三端口
(12)
；光纤环形器第一端口
(10)
用于接收2×2光纤耦合器
(8)
传输的样品光，光纤环形器第二端口
(11)
用于输出样品光至二色镜
(3)
以及接收从薄膜
(4)
反射回二色镜
(3)
的反射光；光纤环形器第三端口
(12)
用于输出反射光至3×3光纤耦合器
(13)
一端；2×2光纤耦合器
(8)
传输参考光至光纤耦合器
(13)
一端；3×3光纤耦合器
(13)
另一端的三个端口分别连接三个光电探测器，每个光电探测器分别经高通滤波器连接至电脑
(20)
中的数据采集卡
(21)
；电脑
(20)
连接激发光源
(1)
，根据数据采集卡
(21)
输出的信息控制激发光源
(1)
的光强
。2.
一种超声波发射与探测方法，其特征在于，基于权利要求1所述的超声波发射与探测装置实现，包括超声信号激发过程
、
超声信号检测过程和超声信号解调过程；所述超声信号激发过程具体为：激发光源
(1)
发射激光，激光依次经过二色镜
(3)
和薄膜
(4)
，穿过中空声透镜
(5)
中间照射到待测样品
(6)
上；待测样品
(6)
将吸收的光能转化成热能升温，待测样品
(6)
发生局部膨胀，产...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍磊，王毅，宋泽国，马振鹤，赵玉倩，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：