基于光纖光柵超聲傳感系統性能研究與應用

摘要
超聲波是無損檢測的重要手段，也是水下通訊的重要途徑。超聲波的發射與接收一般應用壓電陶瓷換能器（PZT），但 PZT 由于自身共振特性，只能實現單點檢測，檢測范圍受到很大限制。近年來，隨著光纖傳感器的迅猛發展，光纖布拉格光柵（FBG）以其抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、體積小、質量輕、易于復用等優點，應用于各領域。在超聲波傳感方面，FBG 有著更大的頻率檢測范圍，基于這一特性，FBG 超聲傳感器的研究具有較好的意義。
本文根據 FBG 對超聲波傳感原理，搭建了一套光纖光柵超聲傳感系統，并對該系統在兆赫茲級高頻超聲場下的傳感性能進行研究。研究內容包括幅值特性和頻率響應，實驗結果表明，該系統在 1.25M、2.5M、3M 三種不同頻率超聲場下，幅值特性與傳統 PZT 傳感器一致，但穩定性不夠好；FBG 超聲傳感系統頻率檢測范圍廣，能夠覆蓋三種頻率換能器的總頻域，在此頻域范圍內，FBG 超聲傳感系統有著更為平穩的頻率響應。
對于頻率檢測范圍廣且頻率響應穩定的特點，本文對 FBG 超聲傳感系統在共振法測厚度的實際應用進行探究。通過理論計算，對材料共振頻譜特性進行了分析，建立“水-鋁- 水”的介質層模型，應用計算機仿真了在 0-5MHz 范圍內，該模型對聲波頻率的透射系數與反射系數，并應用 FBG 超聲傳感系統，對 3mm、5mm、10.2mm 三種厚度鋁板透射信號與反射信號進行檢測與頻譜分析。實驗結果表明，FBG 超聲傳感系統可以實現共振法測厚度，在超聲信號的寬頻檢測中有一定的應用價值。
 
關鍵詞：光纖光柵 超聲波 共振頻率
 
目錄

摘要 I
Abstract II
第一章 引言 1
1.1研究背景及意義 1
1.2光纖光柵傳感器研究現狀 1
1.3論文主要內容 3
第二章 基本原理 4
2.1理論基礎 4
2.1.1超聲波基本理論 4
2.1.2光纖光柵超聲傳感基本原理 5
2.2實驗系統結構 8
2.2.1實驗系統 8
2.2.2超聲換能器發射信號 10
2.2.3超聲換能器接收信號 13
2.3本章小結 14
第三章 FBG 超聲傳感系統的檢測性能研究 15
3.1幅值特性 15
3.1.1實驗過程 15
3.1.2結果分析 16
3.2頻率響應 18
3.2.1實驗過程 18
3.2.2信號處理 19
3.2.3結果分析 20
3.4 本章小結 23
第四章 FBG 超聲傳感系統在共振頻率測量中的應用 24
4.1材料共振頻譜特性分析 24
4.1.1計算方法 24
4.1.2仿真分析 26
4.2FBG 超聲傳感系統實驗驗證 29
4.2.1透射實驗 29
4.2.2反射實驗 33
4.3本章小結 37
第五章 總結與展望 38
5.1  總結 38
IV
5.2  展望 38
參考文獻 39
 
 
 
 
第一章 引言
 
1.1研究背景及意義
聲學是自然科學中一門古老的學科，在我們的生活中，必不可少。超聲波作為聲波的一種，受限于高頻聲波的產生，最初只有理論研究。19 世紀末壓電效應的發現，以及 20 世紀初電子學的發展，才使得超聲波逐漸得到發展與應用[1]。
超聲波方向性好、穿透能力強，可以在不透明物質中傳播，在水中傳播衰減遠小于電磁波，廣泛應用于無損檢測、測厚、測距、成像以及水下超聲通訊等領域。超聲波能穿透一些電磁波無法穿透的物質，又能在兩種介質分界面發生反射，特別是當不透明物體中含有雜質、氣泡、裂紋等情況，超聲波可以做到既檢測出問題，又不損傷物體，可用于航天飛機外部及內部的損傷檢測、鐵路軌道油氣管道檢測等。在成像方面，可用于研究材料表面結構，也可用于地震物理模型成像技術的研究。水下超聲通訊方面，主要用于國防事業。超聲波應用十分廣泛，檢測也尤為重要。
超聲波的發射與接收，通常應用超聲換能器，傳統的超聲換能器一般為壓電式。壓電陶瓷超聲換能器（PZT）由壓電晶片，如石英、方硼石、鈦酸鋇等晶體片，實現能量轉換， 這些晶片在外力作用下發生形變，并在表面產生正負電荷的現象稱為正壓電效應。反之， 將晶片置于電場中，在電場力的作用下，晶片發生形變這一現象稱為逆壓電效應。換能器接收與產生超聲波的原理就是正、逆壓電效應。PZT 既可以用來發射超聲波，也可以接收超聲波，簡單方便。
兆赫茲級以上的超聲波通常應用 PZT 自身共振的特性產生，根據 PZT 品質因素的不同，所產生超聲信號的中心頻率以及頻譜寬度都會有所不同。當 PZT 作為超聲波接收器時， 正是由于共振特性這一工作原理，PZT 只能實現單一頻率信號檢測，檢測范圍受到了限制。隨著光纖傳感技術的迅速發展，光纖超聲傳感有著較為成熟的原理與應用[2-11] 。其中，光纖光柵有著抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、體積小、質量輕、易于復用等優點，受到廣泛關注[12-26]。
1.2光纖光柵傳感器研究現狀
近年來，隨著光纖傳感器的迅猛發展，光纖也出現了各種各樣的結構。1978 年，第一根光纖光柵在加拿大問世[27]，而當時的光纖光柵制作技術并不成熟，光纖光柵沒有得到廣泛的研究與應用，研究者們更關注光纖光柵的制備，1989 年，G. Meltz 等人[28]利用摻鍺光纖與紫外激光橫向干涉法，形成了光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG），在光纖光柵的制作技術上，起到了至關重要的作用，也為 FBG 批量生產提供了可能性。隨著制作技術的不斷提高，FBG 也開始用于溫度、壓力、應變等方面的傳感研究。1996 年，FBG 超聲傳感器首次被報道，并測得 950kHz 頻率的超聲波[29]。從此，FBG 以其抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、體積小、質量輕、易于復用等優點，在醫療設備[30]、無損檢測、超聲成像、水聲探測等領域均有涉及。
2009 年，一種 PZT/FBG 混合系統被應用于復合材料層合板的損傷檢測，實現了傳感器與執行器之間無耦合、傳感器信號遠距離傳輸、傳感器的復用以及傳感器的集成[31]；2012年，文獻[32]中關注了光纖光柵的頻率響應，所探究超聲波頻率范圍為 15-1380kHz，并應用于結構健康檢測；2016 年，一種用于結構健康監測的光纖光柵超聲傳感系統，探究頻率提高到最大頻率為 1MHz[33]；其后，FBG 超聲傳感在無損檢測中應用于道岔尖軌軌底的裂紋損傷檢測以及板塊缺陷大小分析[34, 35]。
2014 年，相移光纖布拉格光柵(PS-FBG)首次應用于地震物理模型的超聲成像[36]；次年有研究者利用 2mm 長 FBG 搭建了一套光聲成像系統，驗證了光纖光柵在 3MHz 以下可以很好地感應超聲信號的頻率變化，并實現獨立多點聲源以及非規則聲源的分別成像[37] 。
在水聲探測方面，2014 年，一種用于測量高強度聚焦超聲場的高空間分辨率光纖光柵超聲水聽器，在 10 MHz 的測量范圍內，得到的聲壓靈敏度約為 31.3 mV/MPa，噪聲等效壓力約為 10.4 kPa[38]；2019 年，文獻[39]設計了一種 D 型光纖光柵水聽器，在 40-120kHz 頻率范圍內，對該傳感器聲壓靈敏度進行探究；同年，文獻[40]設計了一種光柵與氣泡組合的結構，在 1MHz 超聲場下，實現水下目標的成像；次年，該課題組又提出了一種基于光纖光柵和F-P 腔級聯的空氣耦合超聲傳感器，實現了對 1 MHz 連續和脈沖超聲波檢測靈敏度的提高[41]。
FBG 超聲傳感器應用廣泛，我們一直期望它擁有更高的靈敏度和更寬的頻率檢測范圍。靈敏度方面，有研究者應用相移光柵進行檢測[42-46]，相移光柵靈敏度高，但成本也高，市 面價格是普通 FBG 的數十倍；實際應用中也涉及了一些增敏結構的設計[35, 39, 41]，但增敏結構制作過程復雜。另一方面，對于 FBG 頻率檢測范圍的研究，自 FBG 超聲傳感首次報 道后，Webb 等[47, 48]對 FBG 傳感機理進行深入研究，最終得出光柵長度小于超聲波波長一半的檢測條件。2005 年，Minardo 等[49]應用數學建模方式，對聲波作用于 FBG 時，引起 的動態響應進行分析，結果表明，縱向超聲波波長與光柵長度的比值對檢測結果有影響， 這一結論與 Webb 等人的實驗研究結果呼應，也建立了 FBG 對超聲波的傳感模型，解釋了 波長與柵長之比對頻率檢測限制的原理。同年，浙江大學的汪錢純應用 2mm 的 FBG 設計一套超聲傳感系統，實現水域環境下 1.5MHz 超聲波的檢測[50]；2014 年，文獻[38]中應用1mm 的 FBG 設計一套超聲水聽器，實現在 10MHz 范圍內的超聲信號檢測。
以上的研究表明了 FBG 能夠實現超聲傳感，且應用廣泛，有著較好的研究意義，但高頻超聲檢測的研究中，大多傾向于 FBG 超聲傳感器的增敏設計，或通過減小柵區長度來增大頻率檢測范圍，對于 FBG 超聲傳感器在兆赫茲以上的頻率檢測性能研究較少。因此， FBG 超聲傳感器對兆赫茲級超聲信號檢測性能的研究具有一定意義。
 
 
1.3論文主要內容
 
為了探究了 FBG 超聲傳感器的檢測性能，以及在超聲傳感方面的應用，本文搭建了FBG 超聲傳感系統，通過對該系統幅值特性及頻率響應兩方面，來探究該傳感系統檢測性能；并通過共振頻率的檢測，探究了該傳感系統在共振測厚法這一實際應用中的可行性。
本論文的結構安排如下：
第一章、主要介紹 FBG 超聲傳感器的研究背景、研究意義與研究現狀。從超聲檢測應用范圍廣出發，闡述超聲檢測的重要性，以及目前常用的傳統超聲換能器受到的限制。概述 FBG 傳感器目前發展狀況，以及本文研究的意義。
第二章、從基本原理和實驗環境兩方面，介紹了本文的研究基礎。介紹超聲波傳播原理和特征參量，通過FBG 傳感原理，為實驗提供理論依據；搭建FBG 超聲傳感系統，對各實驗器材進行介紹，闡述其工作原理；重點描述了聲源 PZT 的發射信號構成及影響因素， 并通過反射信號分析超聲信號傳播過程中有可能發生的變化。
第三章、探究了 FBG 超聲傳感系統的幅值特性和頻率響應兩方面的性能。介紹了 FBG 超聲傳感系統性能探究中的實驗設計與操作、信號分析與處理等方法，并對實驗結果進行分析與總結。
第四章、應用 FBG 超聲傳感系統對材料共振頻率進行檢測。首先介紹超聲波的透射與反射原理，并通過計算機仿真分析給定介質模型的透射系數與反射系數；再應用 FBG 超聲傳感系統進行實際檢測，并對檢測結果進行信號處理與分析，與理論數據進行對比；最后得出結論。
第五章、對 FBG 超聲傳感系統進行總結，針對其不足做了改進建議與展望。提出了研究的頻率范圍、傳感系統穩定性、參考傳感器等方面的不足和改進。