[发明专利]基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器

说明书

一种基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器，在光纤陶瓷插芯的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯的中心孔的右端设置有微型悬臂梁3，在光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，单模光纤的右端面是与单模光纤2轴线垂直的平面，单模光纤的右端面是与微型悬臂梁之间保持有距离，微型悬臂梁与单模光纤端面构成光纤法布里珀罗干涉仪，与传统的法布里珀罗干涉仪相比，具有结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好等优点，能满足地震物理模型高分辨成像的要求，可用于>100kHz超声波的高灵敏感测。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤超声传感器。

背景技术

地震物理模型是按储藏地质结构比例缩小的模拟结构，作为一种工具可用于地震波传输及理论预测，相比较于地震现场，在实验室搭建地震模型成本低，且具有很好的重复性、稳定性及可控性。超声波传感器，是获取地震物理模型内部信息的核心器件。多年来普遍用于超声检测的装置主要为压电陶瓷换能器(PZT)，既可以作为超声发射源也可以作为探测器。但是这种电类的器件有如下几点不足：仅对特定窄频带的超声信号灵敏响应；灵敏度受限于换能器接收面积，且易受电容影响；极易受到实验室其它电子设备的干扰；探测信号随着发射源与接收器的距离增加展宽，导致信号失真；复用性差，多通道实时监测系统复杂；无方向识别性，不能获取超声波方向信息。

光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数，感知超声波的强度、频率、方向等信息，分析获取超声波中携带的信息。光纤超声传感器可以有效地弥补传统压电陶瓷换能器的不足，备受广泛关注。光纤超声传感器类型按传感机理可分为：光纤光栅型、相位调制型、强度调制型等。由于超声波频率高(>20KHz)，通常采用线性滤波法、匹配滤波法，并结合光电转换和电信号放大、滤波处理技术来实现超声探测。基于此类解调方式，高灵敏度的超声感测要求光纤传感器光谱表现出较窄的带宽和极好的稳定性。光纤Fabry-Perot(FP)干涉仪作为相位调制型传感器的一种，可以通过相位信息感知超声波幅频特性，对超声响应极为灵敏，可实现微弱信号感测。例如，2009年，英国伦敦大学P.Morris等人利用聚对二甲苯-C有机材料制作出了光纤FP干涉仪，并实现了宽频带(MHz)超声波高灵敏测量。2012年，美国布拉斯加-林肯大学的F.W.Guo等人开展了基于银膜的光纤FP干涉仪的研究，实现了静态声压及1.4MHz动态脉冲超声检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好的基于微型悬臂梁的高灵敏度光纤超声传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在光纤陶瓷插芯的中心位置加工有孔径为125～150μm的中心孔，光纤陶瓷插芯的中心孔的右端设置有微型悬臂梁，在光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，单模光纤的右端面是与单模光纤轴线垂直的平面，单模光纤的右端面是与微型悬臂梁之间保持有距离，微型悬臂梁与单模光纤端面构成法布里-珀罗干涉仪，腔体为开腔结构。

本发明的微型悬臂梁的几何尺寸是长为70～100μm、宽为30～70μm、厚度为0.1～1.0μm的矩形膜片。

本发明的微型悬臂梁采用金箔或铝箔或聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯膜。

本发明的单模光纤的右端面与微型悬臂梁之间的距离为100～300μm。

由于本发明采用了在光纤陶瓷插芯的中心孔内端部设置有微型悬臂梁，光纤陶瓷插芯的中心孔内设置有单模光纤，形成光纤法布里珀罗干涉仪，与传统的法布里珀罗干涉仪相比，具有结构简单、灵敏度高、响应频带宽、稳定性好等优点，能满足地震物理模型高分辨成像的要求，可用于>100kHz超声波的高灵敏感测。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的右视图。