[发明专利]基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器

说明书

一种基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器，毛细玻璃管内依次设置有紫外胶、多模光纤、单模光纤，多模光纤一端与紫外胶相连、另一端与单模光纤相连，多模光纤与单模光纤的中心线重合，单模光纤上刻写有第一光栅，紫外胶上刻写有第二光栅，第一光栅与第二光栅之间的距离为3500μm～5500μm。本发明可以实现地震物理模型超声检测，满足地震物理模型实时动态扫描中的激发和接收超声波的需求，在结构无损检测、油气田物理模型成像等技术领域，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到一种基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器。

背景技术

地震物理模型作为油藏地质构造的一种尺度模拟，一直是地震波传播研究和地震波理论预测的成功工具。而且实验室实验比现场实验更便宜、更可重复、更可控。利用一个一米立方的水箱构建地震建模系统，将地质构造的比例模型放置在水箱中。通过移动超声源和超声接收器进行模型测试。地震物理模型为理论和现场实验之间的联系提供了一种有效的方法，使我们能够在几乎理想的环境中，在没有岩石基质的情况下测量超声响应的变化。

在地震物理模型研究中，压电换能器(PZT)通常作为超声发射源和接收器，由于其强烈的谐振效应，其灵敏度高，但带宽较窄。该探测器基于压电聚合物薄膜，采用合适的匹配材料可以实现宽带响应。然而，它们的灵敏度随着尺寸和相应的电容的减小而减小。此外，由于它们的电性，它们对环境电磁干扰非常敏感。基于超声波传感器的声探测光学方法作为PZT的替代品已被许多研究者研究。光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、频率、方向等信息，提供待测物的体积、内部结构等信息。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。

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干涉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。基于光纤布拉格光栅超声传感器因其抗电磁干扰、优异的超声传输、多功能性、紧凑的尺寸和多路复用性能而成为优秀的光学器件。2014年，Guo等人对超声波采用了相移光纤光栅。在SPMs成像中，获得了45dB的信噪比，并能识别出多层有机玻璃结构。为了进一步提高灵敏度，2021年，Gang等人提出了将倾斜布拉格光栅固定在聚丙烯管内，从而改善了很大的稳定性和方向依赖性，并在水箱中清晰地重建了有机玻璃模型的二维图像。然而对于光纤布拉格光栅，因其具有较高的杨氏模量(70GPa)而降低了其声响应幅值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、灵敏度高、结构紧凑、不受电磁干扰的基于紫外胶区刻写光栅的超声传感器。

解决上述技术问题所采用的的技术方案是：毛细玻璃管内依次设置有紫外胶、多模光纤、单模光纤，多模光纤一端与紫外胶相连、另一端与单模光纤相连，多模光纤与单模光纤的中心线重合，单模光纤上刻写有第一光栅，紫外胶上刻写有第二光栅，第一光栅与第二光栅之间的距离为3500～5500μm。

作为一种优选的技术方案，所述的多模光纤为渐变折射率多模光纤。

作为一种优选的技术方案，所述的第一光栅的中心波长为1550μm、栅区长度为40～200μm。

作为一种优选的技术方案，所述的第二光栅的中心波长为1550μm、栅区长度为300～500μm。

作为一种优选的技术方案，所述的多模光纤的长度为260μm。

作为一种优选的技术方案，所述的紫外胶的长度为0.3～0.8cm。

作为一种优选的技术方案，所述的毛细玻璃管的内径为210μm、外径为325μm、长度为3cm。

本发明的有益效果如下：