[發明專利]點接觸式光纖超聲波傳感器

有效

• 申請號: 201310026628.4
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103487129A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 王陸唐;方捻;黃肇明
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明屬于測量領域，尤其涉及一種對固體表層傳播的高頻超聲波振動檢測的點接觸光纖超聲波傳感器。?

技術背景

在工業領域，長期以來主要依靠傳統的、基于壓電效應的壓電陶瓷超聲波傳感器對金屬等固體物體內或其表層傳播的超聲波信號進行測量。但壓電陶瓷超聲波傳感器對固體表面接觸部分的平整度要求很高，對于一些不規則表面，如弧形表面則不能直接使用。另一方面，為了得到高的檢測靈敏度，需要保持傳感器表面與固體表面的良好接觸。使用時常常需要在兩接觸面之間涂敷聲波耦合介質，如硅脂等耦合液，以減小聲場界面耦合損失。這導致操作手續繁瑣。?

另一方面，在高電壓設備場合，如高壓電力傳輸變壓器，往往不容許外部金屬導體部件導入其中，以防止高壓電產生爬電現象。壓電陶瓷類型的超聲波傳感器屬于電傳感器，探頭與測量裝置需通過電氣線路相連接，因此在高電壓設備場合，嚴格限制了壓電陶瓷類型的超聲波傳感器的使用。?

在電力行業，在如高壓電力傳輸變壓器，氣體絕緣開關柜（GIS）等高電壓設備內，由于局部放電的產生，往往容易導致設備的毀壞或火災的發生。因此對這些高壓設備內部的局部放電的實時監測是一項維護設備安全，防止災難發生的重要工作。對于電力設備內部的局部放電進行測量的主要方法之一，是對由局部放電所產生出的微弱高頻超聲壓力波信號進行測量。由局部放電所產生的微弱高頻超聲波信號其頻率分布大致在20?kHz到300?kHz之間，因此要求傳感器應同時具備有良好的高頻響應特性以及對微弱振動的反應靈敏度。?

隨著光纖制造、測量技術的不斷完善，人們對光纖傳感方面的研究變得更加深入和廣泛。目前以光纖、光纖光柵為基礎的光纖傳感器的研究，正成為光纖傳感器研究領域的一大熱點。同傳統的電傳感器相比，光纖傳感器所具有明顯的技術優勢在于：?

1.????????作為傳感元件，光纖的主要成分為二氧化硅（SiO₂），為不導電材料，因此不會產生高壓電爬電現象；

2.????????光纖傳感器采用的是全光測量，能夠實現遠距離的測量，并易于級聯實現準分布式傳感網絡；

3.????????具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各類材料之中進行實時、安全監測。

由于這些技術優勢，使得光纖傳感器的應用范圍非常之廣，在電力工業，橋梁、建筑、海洋石油勘探、油井及航空、大壩等工程等方面，實現對結構，材料的健康狀態無源、實時監測。?

利用光干涉技術、光纖光柵技術等構成的光纖超聲波傳感器是最新發展起來的。在眾多類型的光纖傳感器之中，該類型的傳感器具有結構簡單，尺寸小，對外界擾動非常敏感等優點。但目前所研究開發出來的光纖超聲波傳感器，由于光纖細長結構的限制，對高頻超聲波的響應特性并不太理想。目前大多數超聲波傳感器的最高響應頻率僅僅停留在幾十kHz到百kHz之間，難于覆蓋由局部放電所產生的高頻超聲波的頻譜范圍。另一方面，目前大多數類型光纖超聲波傳感器還屬于面接觸型，因此對所接觸固體表面的平整度還有一定的要求。常常由于表面耦合狀態不理想，以及時常變化導致傳感器靈敏度大大降低，并且給測量過程帶來許多不確定的因素。?

利用基于光纖光柵技術的光纖F-P傳感器，采用預拉力結構使光纖F-P諧振腔體繃直，以改善光纖F-P諧振腔體對高頻振動的響應特性，并通過面垂直、點接觸方式將超聲波在固體表層面內傳播時所產生的微小振動直接傳遞給光纖F-P諧振腔，以減小振動能量的傳遞損失，實現寬頻帶、高靈敏、全光纖超聲波傳感器，是針對目前傳統的壓電陶瓷類型的超聲波傳感器以及其他類型光纖超聲波傳感器存在的各類問題的解決方案之一。?

發明內容

本發明的目的是針對已有技術存在的缺陷，提供一種基于光纖光柵技術的點接觸式光纖超聲波傳感器，減小振動能量的傳遞損失，實現寬頻帶、高靈敏、全光纖超聲波傳感。?

為達到上述目的，本發明的構思是：?

在一根單模光纖上寫入一個低反射率的光柵，相隔一定長度后再寫入相同波長、相同反射率的光柵，在光纖內部形成一對光柵波長反射鏡，由此構成一個雙光柵光纖F-P諧振腔。同樣，在光纖F-P諧振腔的光纖外層涂敷高分子的聚酰亞胺樹脂薄膜，以加強光纖F-P諧振腔的拉伸強度和硬度，改善其對高頻振動的響應特性。

在光纖頭部，接近光纖F-P諧振腔處，將光纖插入到一個作為傳感觸頭的陶瓷插芯內并膠合在一起，以此構成一個光纖超聲波敏感元件。?