[发明专利]一种基于聚四氟乙烯薄膜的高信噪比光纤超声传感器

说明书

一种基于聚四氟乙烯（PTFE）薄膜的高信噪比光纤超声传感器，包括标准单模光纤，在标准单模光纤一端熔接一段渐变折射率多模光纤构成光纤准直器，光纤准直器端面与PTFE薄膜构成F‑P干涉仪的两个反射面，PTFE薄膜作为超声波的响应介质，粘贴PTFE薄膜于铝管一端，铝管内部设有机玻璃管，移动部位使用AB胶固定，本发明体积小、成本低、制作简便，具有优良的超声响应、信噪比高，将本发明应用于地震物理模型扫描成像可以清晰分辨多层模型结构并重建模型超声图像，表明其具有应用于结构健康监测、生物医疗等技术领域的潜能，由于本发明具有较高的耐温耐腐蚀性能使其亦可应用于高温超声探伤等恶劣环境下。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于聚四氟乙烯薄膜的高信噪比光纤超声传感器。

背景技术

基于薄膜的光纤法布里-珀罗超声传感器的基本传感原理是超声波作用于薄膜引起薄膜振动和薄膜厚度变化，导致F-P腔长变化进而使F-P干涉光谱的斜边漂移，通过检测光谱斜边的漂移量可得知超声波的幅值。传统的压电陶瓷换能器（PZT）具有以下缺点：其材料会在高温强腐蚀环境下损坏，极易受到环境电磁场干扰，不适宜在大型机电设备等强电磁场恶劣环境中工作；仅对特定窄频带的超声信号灵敏响应；其灵敏度会随着换能器体积的减小而变弱且受电容影响较大；接收信号随着发射源与接收器的距离增加会展宽导致信号失真；复用性差，多通道实时监测系统复杂，进一步制约了其使用。光纤超声传感器相较于PZT，对微弱高频超声波响应灵敏度高，可检测最小信号比传统检波器低1个数量级；动态范围宽，可达120-140 dB；可以进行多点复用、多通道同步检测；并且其结构灵巧、制作相对简单、成本低，抗电磁干扰、能长时间在恶劣环境中使用。因此，光纤超声传感器引起了人们的广泛关注和极大兴趣，具有重要的学术研究价值和市场应用前景。

信噪比和传感器耐高温、耐腐蚀能力是超声传感器长期稳定使用的重要指标。信噪比决定了传感器的超声响应能力大小和超声成像的信息可识别度，优良的耐高温、耐腐蚀能力可以使传感器在恶劣环境中长期稳定操作，有效扩展了其应用范围。对光纤F-P超声传感器而言，更大的光谱边带斜率可获得更高的超声响应灵敏度，进而得到更大的信噪比。光谱边带斜率可通过增大腔长减小自由光谱范围来提高，但与此同时，干涉腔中更大的光损耗降低了干涉谱的消光比，F-P干射谱的自由光谱范围与消光比的矛盾关系决定着其边带斜率的大小。再者，基于薄膜的光纤F-P超声传感器结构简单，可以更好地耦合超声波，得到了广泛的研究应用，此种结构的传感器由于采用了其它薄膜材料，因此所选薄膜材料的性能直接决定着传感器的整体性能。2009年，Morris P等人设计了一种由聚对二甲苯层两边镀金膜置于单模光纤端面构成的F-P超声水听器；2013年，Wonuk Jo制作了一种基于光子晶体薄膜的光纤声波传感器，Ma等人提出了一种基于多层石墨烯薄膜的光纤声波传感器；2014年，Xu F等人设计了一种基于银膜的光纤声压传感器；但对于这些材料的薄膜，制备工艺复杂、成本高，较低的化学稳定性和耐温性限制了其无法在恶劣环境下长期使用，并且较高的杨氏模量降低了其声响应幅度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，克服上述基于薄膜材料的光纤F-P声传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、具有较高信噪比并能够长期工作于恶劣环境的基于光纤准直器和功能化薄膜的光纤法布里-珀罗超声传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于聚四氟乙烯薄膜的高信噪比光纤超声传感器，包括标准单模光纤，在标准单模光纤一端熔接一段渐变折射率多模光纤构成光纤准直器，光纤准直器端面与PTFE薄膜构成F-P干涉仪的两个反射面，PTFE薄膜作为超声波的响应介质，粘贴PTFE薄膜于铝管一端，铝管内部设有机玻璃管。

所述的有机玻璃管端面距PTFE薄膜不少于3mm，光纤准直器穿入有机玻璃管，移动部位使用AB胶固定。

所述的渐变折射率多模光纤长度为260μm。

所述的PTFE薄膜的直径为2.2~2.5mm、厚度为30μm。