[发明专利]一种基于超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法

说明书

本发明专利提供了一种基于超声波检测电压的光纤传感装置，它包括ASE光源、光纤耦合器、传感单元、超声波转换装置、光电转换器、信号处理模块。本发明专利通过光纤进行传感，利用法珀腔原理，使ASE光源发出的光在法珀腔中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量电压，并且通过信号处理模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明对超声波换能装置进行了结构设计，提高了效率，使超声波的频带加宽，实现了监测电压的目的。同时可以在主机上输出，实现了电压的实时监测。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于超声波检测电压的光纤传感装置。

背景技术

目前，光纤传感技术逐渐完善，光纤传感的监测装置也随之越来越完善，其中在光纤传感装置中，介质材料和传感装置的结构都会光纤传感产生很大的影响。目前，采用光学方法实现超声波检测的装置和方法有很多。

张慧等人(张慧，李志，郑冠儒等；空气耦合电容式微超声波换能器设计[J]声学学报.2019年01期.第116-142页)提出了一种空气耦合电容式微超声换能器的方法，该方法是在上下电极之间同时接入直流偏置电压恒和交流激励电压，振膜在静电力作用下振动，辐射超声波。Fu等人(Fu,YD；Sun,S；Zhuo,CW；et al.PiezoelectricMicromachinedUltrasonic Transducer with Superior Acoustic Outputs for Pulse-Echo ImagingApplication[J].IEEE Electron,2020.3018310)提出了一种新型结构的基于硝酸铝薄膜的压电微机械超声换能器，通过在夹层结构中加厚底部电极，较厚的底部电极实现了导电连接，并沿压电层以外的夹芯结构的中性表面向下移动，通过加压振动，借助开关使超声波发出。胡氢等人(胡氢，王辉.夹心式复合换能器的研制[J].现代制造工程，2007(06):121-123.)提出了一种压电陶瓷机械加工用大振幅夹心式复合换能器，这种复合换能器是纵向振动模式，压电陶瓷极化方向、电场方向及机械振动方向三者在一条直线上。

虽然上述研究者采用加电压在电极之间使膜片振动辐射超声波，或者增加电极片的厚度，减小电容损失，通过膜片的振动增大超声波的方法，或者是设计的复合换能器，与传统的超声波监测装置相比在测量范围、测量精度以及装置的便携度上有了很大的改善；Fu等人提出的基于硝酸铝薄膜的压电微机械超声换能器只通过单个振动元件传输的超声压力只能达到几十帕斯卡/伏特，太小，需要很多个单元才能满足超声波装置的发射需求。胡氢等人提出的夹心式复合换能器当胶合层在大振幅的情况下，会出现在拉伸阶段遭到破坏，因此针对现有技术的灵敏度不高、效率低、易受外部环境影响等问题，提出了一种灵敏度更高、稳定性好、效率更高的超声波检测电压的光纤传感装置及实现方法。

发明内容

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：

技术方案：一种基于超声波检测电压光纤传感装置，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、超声波转换装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；

所述传感单元(3)包括单模光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、硅环(3-3)、石英膜片(3-4)、石墨烯(3-5)、金膜(3-6)，其中：

单模光纤(3-1)和石英膜片(3-4)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为26μm，石英膜片(3-4)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为石英膜片(3-4)的厚度40μm；

硅环(3-3)使用紫外切割机切割单晶硅片切割而成；