《光纤光栅检测超声波系统设计(完整版)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤光栅检测超声波系统设计(完整版)（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤光栅检测超声波系统设计（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）光纤光栅检测超声波系统设计 浙江大学硕士学位论文光纤光栅检测超声波系统设计姓名:汪钱纯申请学位级别:硕士专业:物理电子学指导教师:叶险峰20050201摘 要本论文介绍了基于光纤超声传感器的原理,着重对光纤光栅检测超声波系统进行设计和实现。论文在分析光纤超声传感器的种类和特点基础上,通过比较五种检测的光纤类型,最终选定了基于光纤光栅超声传感系统设计方案。通过分析光纤光栅关联解调原理和四种解调系统实现,综合考虑检测信号特点,选定了基于透射式模型的光纤光栅检测超声波系统,进而将系统分为三部分,并提出
2、了相应的设计方案。一是通过对超声波的波形,特征参量,换能器和检测原理的分析,确定了使用液浸式声透镜聚焦换能器产生聚焦超声场,给出了产生超声波系统,从实验中验证了超声波的产生及其焦点的位置,为进一步的光栅检测提供了参考。二是系统检测部分,设计了光电检测器,给出了其测试性能。三是在分析光栅检测超声波的频率响应问题的基础上,选择满足要求的光栅。最后给出并分析了整个实验中的结果。本论文对于上述各系统设计的理论依据、设计思想以及实现过程中的关键技术细节都进行了详细地分析,对于所使用的新技术进行了具体的论证,并在此基础上有所创新。通过反复的测试与调整,最终实现了光纤光栅检测聚焦超声场参数等功能。再通过数据
3、处理软件,对实际获得的数据进行处理,验证了整个传感系统方案的可行性。在论文最后总结了光纤光栅检测超声波系统中存在的问题,并提出了一些将来改进的设想。关键词 光纤光栅 聚焦超声场 半值全宽 动态信号检测洲即浙江大学硕士学位论文第一章 绪 论互 光纤传感技术的背景现代科学技术的迅猛发展,使人类社会从高度工业化向信息化转变。信息技术将成为社会运作的核心,它是由信息的采集、传输和处理技术组成,因此传感器技术、通信技术和计算机技术成为信息技术的二大支柱。特别是当今社会己进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代,光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。 世纪以来,信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展的
4、,但由于电子本身的物理极限,电子信息技术的载体量级为比特 ,即。由于光子的速度比电子的速度快得多,光子的频率比无线电如微波 的频率高很多,所以,为提高传输速度和载波密度,信息的载体必然由电子发展到光子。比如,美国把光子技术列为国家关键技术,并认为“光子学在国家安全与经济竞争力方面有着深远的意义和潜力”,“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学领域。我国国家高技术光电子专家委员会于 年提出的重大课题就是光计算 和光通信 然而,当集成电路、计算机技术飞速发展时,信息摄取装置? 传感器和传感技术却成了限制信息技术的瓶颈。因此, 年代以来,传感器和传感技术成为了国际研究的热点之一,比如 ”在 年,美国
5、海军研究所开始执行光纤传感器系统计划,美国国防部将传感器技术视为加项关键技术之一 日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为 大核心枝术之一德国视军用传感器为优先发展技术英、法等国对传感器的开发投资逐年升级, 年,英国贸易工业部成立了光纤传感器合作协会原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。传感器技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展,形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力。 广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力, 年,世界传感器市场总额达 亿美元。光通信是本世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一,它以光子为
6、信息载体,为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。因此,光通信的成功,促进了光传感的兴起与发展,为光传感奠定了技术平台。“光子学与光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五”优先资助领域的基础上安排的软课题, 年的形成的报告就指出 在下个世纪的光子产业上,光纤传感将与光纤通信平分市场,并逐步超过后者。互 光纤传感技术的原理及特点【光纤最早在光学行业中用于传光和传象,在 年代初生产出低损耗光纤后,光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质,而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量振幅、相位、偏振态、波长等 因外界因素如温度、压力、磁场、电
7、场、位移等 的作用而间接或直接地发生变化,从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量物理量、化学量和生物量,这就是光纤传感器的基本原理。如图 所示。光纤传感器可以分为传感型功能型 和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光的特征参量,从而对外界因素进行计量和数据传输的,称为传感型光纤传感器,它具有传感合一的特点,信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器是指利用其它敏感元件测得的特浙江大学硕士学位论文征量,由光纤进行数据传输,它的特点是充分利用现有的传感器,便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简
8、单,因为光纤是连续的,可以少一些光祸合器件。随着对光纤传感器基本原理越来越深入的研究,高灵敏度的传感型光纤传感器必将得到更广泛的应用。本文所涉及的光纤传感器若没有特别说明的话,都是指传感型光纤传感器。入射光波 出射光波入射光波的特征参量振幅、相位、偏振态、波长等户一 ,、温、外界因数、电月度、压力、 ,场、位移等 一一产图 光纤传感原理示意图与传统的传感器相比,光纤传感器具有独特的优点令抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使它可以方便有效地用于各种大型机电,石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。
9、灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器,其中有的已由理论证明,有的已经实验验证,如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器,测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠的优点,因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应用。测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。令对被测介质影响小,有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。便于复用,便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。成本低。有些种类的光纤传
10、感器的成本将大大低于现有同类传感器。夸 光纤光栅传感技术的特点和原理肠 光纤光姗的基本光学性能光纤光栅是利用光纤材料的光敏性即外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用而引起后者折射率的永久性变化,用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。利用祸合模理论对周期性光栅进行分析,推导出光纤光栅的反射率 和透射率 的表达式如下浙江大学硕士学位论文 当朔朔当朔一 ?为模传播式中, 为光栅长度, 为祸合系数,人为光栅周期,一 常数, 为等效折射率,兄为自由空间工作波长, 为一整数,一朔】朔 一 当波长匹配时,即朔 时, 取最大值。对于单模光纤,勺比
11、一一兄由波长匹配条件朔 可推出 光栅方程几再由反射带宽的定义 二值,并进一步给出 反射半合,可求出两个值全宽、一、 传感原理当外界参量如温度,应变等 发生变化时,将对光纤光栅的折射率 和光栅常数人发生影响,此时 光栅方程式 可写成礼十即 反射或透射波长变化。如图 所示。检测出这一参量的变化,便可知影响其变化的外界参量信息。浙江大学硕士学位论文设光纤光栅仅受轴向应力作用,忽略温度及其它参量的影响。利用相对介电抗渗张量 与介电常量的已知关系一,一得因外力轴向应力而引起得 波长 的相对变化入二 一一” “叹了产 人了 、。 , 、一甲不一 一一下丁一。二厂,十一 几刀 乙 口一 叹之式中光纤光栅应变
12、灵敏度系数 、 飞山 了 一 、 、 以沪产一 、 。 一一下厂 一一一二一一 一一 毛 钊,凡。为材料的弹光系数,是 比,纵向应变表达式 对于石英光纤,可取几人 对于温度变化,根据热光效应,得光纤光栅得温度灵敏度系数, , 、 一了一一“下、? 八一下,少一十 夕 呢之夕 式中“是光纤材料的热膨胀系数, 是热光系数即折射率随温度变化率, 是光纤的归一化频率,由于“ ,所以一兄对于多种光纤, 值为 一限匕忠触网阳口门七创日户口钩时助 一 户月图卜光纤光栅受应变作用反射和透射波长变化浙江大学硕士学位论文列 超声波检侧方法多 光纤超声传感器的特点超声波是指频率高于 的在连续介质中传播的弹性波。在
13、世纪 到 年代,由于超声全息,回波频谱分析,超声探头和大规模集成电路,计算机技术的迅猛发展,使得数字化,自动化,智能化超声检测和超声成像技术变成了热点。超声在国防和国民经济中发挥着非常重要的作用,一是利用它的能量来改变材料的某些状态。为此,需要产生相当大或比较大能量的超声,简称为功率超声。应用领域广泛,如超声清洗,塑料焊接,医学治疗二是利用它来采集信息,特别是材料内部信息。其是一种重要的无损检测技术,广泛地应用在现代工业领域和高技术产业之中。现在有一项成熟的技术检测超声,即使用超声检测仪器,它分为工业、理化分析、医用三大类型。另外一项新型技术采用光纤传感器来检测超声,两者相比较温度限制可在高温
14、度下测量大面积体积小,重量轻,可绕曲不容易内嵌于复合材料可内嵌于复合材料中受电磁场干扰不受电磁场干扰便宜昂贵技术成熟新型技术高灵敏度灵敏度低列 光纤超声传感器种类及比较表 五种超声传感器比较超声传感器 传感原理制作 频率响应 价钱单模光纤简单,系统需稳定 便宜光纤折射率和长度 与方向有关,高频变化,相位变化 不理想保偏光纤 同上复杂 昂贵比单模光纤检测水中以下的超声波有更高的灵敏度同上复杂,系统需稳定 到昂贵在相位正交偏置点使得两光路的光程 昂贵可测量超声位移的比 一差大于光源的相干 简单,光路匹配,绝对值,检测频率长度,由超声引起不需静态光路补 与相位偏置相关光传输时延 偿简单,便于复用光栅长度受到检测 便宜波长位移,解调波长位移超声波波长的限制浙江大学硕士学位论文由表一 可以看出,用 光纤光栅检测超声波有一些独特的优点,通过对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布拉格波长的检测,如图 所示,实现被测结构的应变和温量值的测量。可广泛应用于对工程结构中的应力、应变、温度参数以及对结构徐变、裂逢、整体性等结构参数的实时在线监测,可实现对工程结构内多目标信息的监控和提取。它的出现和应用已引起人们的高度重视,并被应用于一些试验工程的监测。互 论文的结构以及主要工作本论文主要就光纤光栅检测超声波系统的原理和实现进行研究和具体设计,论文的主要结构如下第一章概述光纤传感器及光
