固定在倾斜管中，用于方向依赖超声波检测的 迈克尔逊干涉仪外文翻译资料

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固定在倾斜管中，用于方向依赖超声波检测的

迈克尔逊干涉仪

刚婷婷，胡曼丽，乔学光，李嘉诚，邵志华，佟荣欣，荣强州

西北大学物理学院，西安市北林区太白路229号，中国710069

关键词：光纤迈克尔逊干涉仪、超声波检测

摘要：提出了一种实现超声波检测的光纤干涉仪。该传感器由紧凑的迈克尔逊干涉仪（MI）组成，其固定在倾斜管端面（45°）中。薄金膜用于两臂的反射涂层，其中一个干涉臂被刻蚀为传感臂。频谱边带滤波技术用于询问连续和脉冲超声信号（频率为300 KHz）。此外，由于传感器的不对称结构，它提供强大的方向依赖超声波灵敏度，使得传感器可以被认为是矢量检测器。 实验结果表明，传感器对超声波信号的敏感度高，因此可以成为地震物理模型超声波成像的候选者。

1. 介绍

与传统的压电传感器（PZT）相比，光纤超声波传感器具有良好的抗电磁干扰能力、体积小、安装方便、检测精度高、动态范围宽、响应快、超声波准确辨识等优点。凭借上述优点，光纤超声波传感器对潜艇、医疗、医疗成像[1]和物理模型成像[2]的应用引起了极大的兴趣。迄今为止，大多数报道的光纤超声波传感器基于常规干涉仪，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI），法布里-珀罗干涉仪和Sagnac干涉仪，以及光纤光栅技术[3,4]。在这些方案中，已经提出了基于Pound-Drever-Hall（PDH）技术的pi;相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）感测系统，并且实验证明了超声波检测[5]。所提出的系统具有高灵敏度和高稳定性的性质，因此，该光栅纤维器件可以被认为是超声波检测的良好传感器。另外，作为另一种类型的光纤传感器，传统的光纤干涉仪也能够以高灵敏度检测超声波[6]。例如，郭先生提出并展示了一种基于薄银膜的外在法布里-波罗传感器，并将其应用于超声波检测[7]。虽然该装置表现出高灵敏度和高响应频率范围，但由于银膜容易在空气中氧化，其不稳定性限制了应用。已经提出了一种马赫-曾德干涉仪来检测超声波，其中干涉臂是锥形的，以提高检测灵敏度。干涉仪显示出良好的性能，然而传感器的传输结构仍然受到广泛应用。用于定向超声波检测的光纤马赫-曾德干涉仪也由Berer等 [8]和Bauer-Marschalliner等人提出 [9]。它们利用纤维的机械柔性形成环形光纤检测器。这些环主要对来自环轴的信号敏感[8,9]。虽然光纤马赫曾德尔干涉仪（MZI）和光纤Sagnac干涉仪可以检测超声波，MZI的传输配置和Sagnac干涉仪的某些性能，如对温度的高灵敏度、极化依赖性和不稳定性限制了其与MI相比的成像应用。此外，与MZI相比，MI的诱导相移是双倍的，这也限制了MZI的应用。

由于具有高稳定性、微尺寸和简单制造的优点，因此，作为另一种众所周知的干扰技术的光纤迈克尔逊干涉仪（FMI）[10-12]已广泛用于测量多种物理参数 通过恢复干涉波长信息，例如振动[13,14]，折射率[15-17]和磁场[18]。超声波光学检测的基本原理依赖于压力变化，在传播介质的光场中，它们所累积的相位发生变化[19]。因此，FMI可用于检测超声波。 尺寸，反射配置使得MI可以作为具有高精度的地震物理模型的超声波成像探测器。

在本文中，我们提出了一种MI传感器，与以前的研究相比，具有更高的灵敏度的超声波检测，预测了由于坚固的倾斜包装而导致的极大的稳定性和方向依赖性。干涉臂被蚀刻以改善超声波 - 诱导应变敏感性。采用频谱边带滤波技术对检测信号进行解调实验，反射超声波信号在水箱中使用所提出的干涉仪检测物理模型，使其成为超声波成像的良好候选者的地震物理模型。

二．传感器制造

我们所建议的干涉仪基于典型的微电脑，由不同长度的两个臂组成，长度分别为1cm和3cm。事实上，两个干涉臂之间的长度差可以通过数学计算精确地确定。通过增加长度差，自由谱由于相位差增大，范围减小，导致光谱斜率窄。虽然传感器的灵敏度提高，但长度差大也导致干涉光谱的边缘对比度降低，稳定性差，温度敏感度差。意外的缺点限制了传感器的动态范围，超声波检测重复能力和应用领域（需要稳定的温度场）。超声波检测可能有合适的长度差异。通过试错法，我们检测到超声波信号在实验中使用的长度差（仅取一例）的较大的信噪比。单模光纤（SMF）的面反射率仅为4％，SMF之间的干涉强度不能达到光电传感器（PD）的动态范围。为了提高反射率，两臂的端面涂有使用磁控溅射技术的金膜。对传感器超声场的响应主要表现为相位差变化归因于两个贡献的总和：在应变波（假设没有剪切应变）下的光纤感测区域的长度的调制，以及通过弹性光学效应的折射率的变化，其小且可以众所周知，通过减小感测区域的直径，相同的应变引起的长度变化增加。然而，蚀刻区域直径越小，感测区域将越不坚固。在这项工作中，为了将蚀刻纤维区域装配在倾斜管上并保持传感器坚固，纤维蚀刻50分钟，并且实现25.6mm直径的感测区域（使用显微镜测量），如图1（a）所示。 此外，使用渐变折射率聚合物光纤还可以增加传感器对超声的敏感性，因为它们的本征杨氏模量小[20]。使用半径为5毫米直径的聚丙烯管将后端传感器的端面倾斜地保持在45度。感应臂的两侧通过环氧树脂粘合剂胶合在倾斜的端面上，并且腐蚀区域以预应力悬挂，这也可以提高传感器的应变响应灵敏度。一定厚度的环氧树脂粘合剂与钨粉混合涂覆在聚丙烯管上以稳定猪尾纤维并吸收剩余的超声波场。 包装结构的示意图和放大照片如图1所示。 分别如图1（b）和（c）所示。 图1（b）中，分别示出了参考臂和感测臂的红色和蓝色线子代码。将参考臂放置在管中，这可以避免参考臂中的超声波作用。将传感器臂移动到两点，如图 1（c）所示,可以使传感光纤与超声波相结合，有效地避免噪声。

（a）

（b）

（c）

（d）

图1.（a）为纤维腐蚀区域的照片，（b）为包装示意图结构，包括感应臂（蓝线），参考臂（红线）和金膜（黄线），（c）为包装结构照片，（d）为实验测量干涉仪的干涉光谱（用于解释参考颜色在这个图例中，读者被引用到本文的网页版本。）

随着传感器的使用，利用宽带光源和光谱分析来证明传感器探头的反射光谱。光束耦合到光纤中作为3dB耦合器的臂，然后被两端的端面反射。 由于两个臂之间的长度差异（诱发相位差），实现了明确的干涉光谱，如图1（d）所示。

MI基于双波干扰机制。根据干扰理论，两个干扰下降之间的自由频谱范围（FSR）可以表示为：

（1）

其中n是纤维的折射率，Delta;L是织物之间的长度差，lambda;是工作波长。 方程式 （1）表明，FSR与波长平方成正比，与纤维的长度差和折射率成反比，因此可以精确控制两臂之间的长度差，以设计具有预期FSR的传感器[21 ]。 在实验中，两个干涉峰之间的波长分离接近，因此传感器具有高灵敏度的特性。当应变应用于MI的感测臂时，长度差和折射率将发生变化，然后导致干扰频谱的变化[22]。因此，MI可用于检测超声，这将在感测臂上引起应变。

三．实验结果

基于MI的光纤超声波检测系统示意图如图2.(a)所示。主要包括超声波发生和超声波检测。具有窄的线宽0.1pm，功率20mw的光由a具有160nm调谐范围（1480nm-1640nm）的波长可调激光器（TSL-710）被发射到MI并保持在干涉光谱的一个线性侧的最大斜率上。它的反射光被传输到PD中并转换成的电信号。当超声波耦合到感测臂时，它将使纤维沿纤维轴线变形，导致干涉波长偏移。使用光谱带斜率技术将光谱偏移传递到功率变化通过包括PD和示波器的询问元件检测和分析超声波。对于超声波的产生，使用峰值电压为20V的功能发生器驱动的压电换能器（PZT）作为源，生成频率为300KHz的超声波侧面过滤技术用于询问超声波。在实验中，PZT和MI浸入水箱中，分离5cm。此外，检测到尺寸为50* 50 *7厘米和23 *20* 5厘米的物理模型分别放在水箱中，如图2（b）。 PZT和MI相对于物理模型的轴向距离（高度）为3cm。为了避免在两个物理模型之间反射信号的反映，将四个铜柱（深度1cm）夹在两个物理模型之间。

图2.（a）光纤超声波检测系统示意图，（b）物理模型。

图3（a）展示出了MI（红线）的脉冲超声响应。如图3（a）所示，可以识别5个脉冲超声信号。第一个是直接波，最后四个脉冲超声信号来自两个的四个表面反射物理模型。然而，图3（a）中仍然有一些噪音。其原因将在下一节中进行说明。为了进一步分析时间响应的特征，如图3（a）所示，被傅里叶变换为空间频率，如图 3（b）所示。可以看出，传感器的主频响应约为300KHz，与PZT的频率共振点一致。此外，还可以有效地检测连续正弦超声波，如图3（c）所示。可以发现传感器能够对连续的正弦超声波信号做出准确的响应。因此，传感器以高灵敏度检测连续脉冲超声波信号。为了证明所提出的传感器的时间依赖性，检测结果在不同的时间如图4.（a）-（c）所示。可以发现不同时间的检测信号（例如秒）的振幅分别为0.095V，0.096V和0.097V。因此，所提出的传感器具有很好的稳定性。

3.（a）

3.（b）

3.（c）

图3. （a）传感器对1周期300kHz超声波脉冲（红线）的响应及其由两个物理模型反射的同步信号（蓝线），（b）空间频率，（c）传感器对由两个物理模型反射的连续正弦信号的响应（为了解释该图中的颜色参考，读者参考本文的网络版本。）

图4.（a）-（c）传感器对不同时间两种物理模型反射的a1循环300kHz超声脉冲的响应

图5. 传感器灵敏度与不同方位

为了研究传感器[23]的取向依赖性，其角度响应范围为0°至360°，步长为20°。传感器的倾斜端面直接面向PZT的传感器的位置设定在0°的原点。为了确保实验结果的准确性，在与地震物理模型垂直的整个旋转过程中，超声波的入射角是相同的。我们将超声波信号的幅度绘制为旋转角的函数，如图5所示。对于超声波检测，沿着纤维引起的应变感应区域超声在任何方向都会迫使传感纤维的折射率和长度，从而导致波长偏移。然而，这是因为这里感测区域位于倾斜表面的一侧，这支配着不对称的超声场耦合和损耗，因此提供了强极化（取向）依赖性响应。对于所提出的传感器，已经实现了灵敏度响应的强旋转角度（取向）依赖性，主要是由于封装结构的不对称性。实现的最大灵敏度主要是由于超声波可以直接在0°耦合到传感器。对于其他角度，超声波以聚乙烯管连接到一定程度，然后被涂层环氧树脂吸收。然而，因为两个因素的存在，图5仍然存在一些误差。转动传感器的过程是机械的。此外，传感器和PZT通过手动操作进行固定，这意味着传感器不是严格直接面对PZT。

四.讨论

光纤传感器的超声灵敏度由传感器长度（L）到超声波长（W）的比例显著决定，当该比值大于1时，光纤传感器对超声波具有高灵敏度。因此，理论上，光纤感应区域的尺寸需要最小化。在这项工作中，所提出的传感器具有100mm的长度感测区域，理论上可以在频率小于3.5MHz时对超声波高度敏感。

在实验中，随着超声信号传播到水-物理模型界面，一部分波被反射回到由PD接收的感测臂，并转换成电子信号;另一部分波被折射然后发送到下一个接口。事实上，超声信号的具体传感器时间响应如图3.（a）所示。 不同介质中的超声波速度不同（水中1480米/秒，物理模型中为2700米/秒）。根据位移时间公式，理论上，超声波反射波的行进时间分别为95 ，132 ，145.5 ，197.35 ，计算结果与展示在图3.（a）中的实验结果吻合较好。 然而，在时间响应图中发现了一些噪声信号。

图6.超声场分布的方向性

根据声学的基本知识，超声压力分布类似于PZT发射的花瓣形状。换句话说，从传感器发射的超声波不能严格沿轴向传播，声场的方向性由 集中放射超声波束沿轴方向，可表示为：

（2）

其中k是波数，a是PZT的半径。方程式（2）表明，方向性明显（小方向角）随着频率的增加而变化。超声发射的方向性如图6所示。可以看出，超声信号沿轴向方向最强。从传感器以轴向方向偏离的角度发射的超声波可以从样品中的结构反向散射，从而引起观察到的背景噪声。产生噪声的其他原因如下：背景噪音

主要归因于物理模型中的模式转换。此外，其他物体表面（包括水箱底部和四个铜柱体）的反射也引起附加噪声。同时，地震物理模型的材料绝对不均匀，当超声信号通过地震物理模型时，导致模型中的折射和声速变化不大。此外，PZT发射的超声波不是单一频率;另一个频率信号可能与预期信号重叠，造成噪音。然而，噪声太弱，不能影响有用的超声波信号。可以采用进一步的滤波技术来限制噪声。

五．结论

我们设计和实验了基于MI的光纤超声波传感器。采用两种方法来提高传感器的性能，其主要包括蚀刻感应纤维并在纤维的端面上涂覆金膜。 传感器已经被证明用于频率为300KHz的连续和脉冲超声。此外，由于不对称结构，传感器呈现强烈的方向依赖性。

致谢：

这项工作得到了国家自然科学基金（Grantno.61377087），国家重点技术支持计划（No.2013BAH49F03）和西北大学研究生创新教育培训项目（YZZ15087和YJG14001）。

参考文献：

[1]Gruuml;n H，Berer T，Burgholzer P，Nust

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