[發明專利]一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器及其制作方法

在審

• 申請號: 202310604663.3
• 申請日: 2023-05-26
• 公開（公告）號: CN116465476A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 呂日清;郭鵬;汪偉;李守琦;陳旭;臧益明;劉錦洋
• 申請（專利權）人: 東北大學;中廣核工程有限公司
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G02B6/255;G02B6/25
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

本發明提供一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器及其制作方法，涉及光纖傳感技術領域。本發明提出的一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器，所述傳感器為薄壁微球空氣腔傳感結構。所述薄壁微球空氣腔傳感結構包括單模光纖、空芯光纖、空氣腔以及金膜。得益于薄壁微球空氣腔傳感結構的全光纖結構，使其具有耐高溫、結構穩固的特性，能夠適用于高溫等惡劣環境，克服了大多數膜片式光纖干涉型超聲傳感器膜片材料的易受溫度影響、結構脆弱等缺點，同時所提出的傳感器具有良好的超聲檢測靈敏度和較寬的頻率響應范圍。

技術領域

本發明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器及其制作方法。

背景技術

目前超聲檢測主要以壓電陶瓷片制作的壓電換能器(PZT)為主，但壓電換能器存在復用性差、檢測頻率帶寬窄和易受電磁干擾等問題，而光纖傳感器憑借著檢測靈敏度高、結構緊湊、抗電磁干擾、本質安全、復用性好等優勢，在超聲檢測領域中得到了廣泛的關注。

膜片式的光纖干涉型傳感結構是實現超聲檢測的常用結構之一。2017年，Zhang等人提出了一種基于法布里珀羅干涉儀的微型光纖超聲傳感器，干涉儀的兩個反射面由單模光纖和空芯光纖之間的熔接端面和空芯光纖另一端的環氧樹脂膜片組成，但該超聲傳感器能檢測到的超聲頻率范圍有限，并且傳感器響應的信噪比(SNR)只有31.22dB。在光纖結構上涂覆光致產聲材料形成換能器是用于超聲產生和檢測的一種方法。2020年Guo等人提出了一種基于光聲效應和法布里珀羅干涉原理的光纖超聲換能器，該傳感器通過將金納米復合材料涂覆在單模光纖端面上制作而成，既可以當作超聲波發生器也可以當作超聲接收器，可以生成5.6MHz的超聲信號并且具有2.81mV/MPa的超聲靈敏度。同年Chen等人提出了一種用于超聲產生和檢測的光纖彎曲粘合波導裝置，該波導在錯位結構的兩個光纖端面之間制造，由于不同厚度的彎曲結構和多模干涉效應，可以產生和檢測范圍幾百Hz到306MHz的寬帶超聲。

光纖超聲傳感器從檢測機理上可以分為光纖強度調制型、光纖干涉型和光纖光柵型，光纖強度調制型檢測方式存在復用性差、檢測靈敏度不高、感測頻率范圍窄等問題，而光纖光柵型檢測方式有難以解調波長漂移和制作及維護成本高等缺點，相比較下光纖干涉型檢測方式具有結構簡單、復用性好，成本低等優勢，但現有的干涉型光纖傳感器存在檢測靈敏度不高、頻率響應范圍較窄，難以適應高溫惡劣環境等問題。

發明內容

本發明要解決的問題是針對上述現有技術的不足，提供一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器及其制作方法，其具有良好的超聲檢測靈敏度和較寬的頻率響應范圍，并且由于全光纖結構它能夠適應高溫等惡劣環境，在結構健康檢測、生物醫學、安全監測等方面具有研究意義和發展意義。

為了實現本發明的上述目的，本發明所采取的技術方案是：

一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器，其特征在于，所述傳感器為薄壁微球空氣腔傳感結構。

所述薄壁微球空氣腔傳感結構包括單模光纖、空芯光纖、空氣腔以及金膜，其中單模光纖與空芯光纖熔接在一起，空氣腔是空芯光纖經過拉伸并放電后形成的封閉腔體，金膜鍍在封閉腔體的外部端面上。

一種全光纖的耐高溫固體超聲探測傳感器制作方法，具體的，薄壁微球空氣腔傳感結構的制作方法包括如下步驟：

步驟1：將單模光纖、空芯光纖對準熔接，然后對空芯光纖進行定長切割，空芯光纖預留一段長度L，然后再將切割的一端與一段單模光纖對準熔接，形成拼接結構。

上述拼接結構為單模光纖-空芯光纖-單模光纖的拼接結構，簡稱為單-空-單拼接結構。

步驟2：在拼接結構中，取距離空芯光纖和單模光纖熔接端面設定位置同時進行拉伸和放電，形成封閉腔體。所述封閉腔體為封閉的錐形腔。

步驟3：對封閉腔體進行調整，使其逐漸形成薄壁微球空氣腔傳感結構。上述調整的具體操作為多次放電，并不斷調整錐形腔位置。