基于光纤光栅超声传感系统性能研究与应用

摘要
超声波是无损检测的重要手段，也是水下通讯的重要途径。超声波的发射与接收一般应用压电陶瓷换能器（PZT），但 PZT 由于自身共振特性，只能实现单点检测，检测范围受到很大限制。近年来，随着光纤传感器的迅猛发展，光纤布拉格光栅（FBG）以其抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、体积小、质量轻、易于复用等优点，应用于各领域。在超声波传感方面，FBG 有着更大的频率检测范围，基于这一特性，FBG 超声传感器的研究具有较好的意义。
本文根据 FBG 对超声波传感原理，搭建了一套光纤光栅超声传感系统，并对该系统在兆赫兹级高频超声场下的传感性能进行研究。研究内容包括幅值特性和频率响应，实验结果表明，该系统在 1.25M、2.5M、3M 三种不同频率超声场下，幅值特性与传统 PZT 传感器一致，但稳定性不够好；FBG 超声传感系统频率检测范围广，能够覆盖三种频率换能器的总频域，在此频域范围内，FBG 超声传感系统有着更为平稳的频率响应。
对于频率检测范围广且频率响应稳定的特点，本文对 FBG 超声传感系统在共振法测厚度的实际应用进行探究。通过理论计算，对材料共振频谱特性进行了分析，建立“水-铝- 水”的介质层模型，应用计算机仿真了在 0-5MHz 范围内，该模型对声波频率的透射系数与反射系数，并应用 FBG 超声传感系统，对 3mm、5mm、10.2mm 三种厚度铝板透射信号与反射信号进行检测与频谱分析。实验结果表明，FBG 超声传感系统可以实现共振法测厚度，在超声信号的宽频检测中有一定的应用价值。
 
关键词：光纤光栅 超声波 共振频率
 
目录

摘要 I
Abstract II
第一章 引言 1
1.1研究背景及意义 1
1.2光纤光栅传感器研究现状 1
1.3论文主要内容 3
第二章 基本原理 4
2.1理论基础 4
2.1.1超声波基本理论 4
2.1.2光纤光栅超声传感基本原理 5
2.2实验系统结构 8
2.2.1实验系统 8
2.2.2超声换能器发射信号 10
2.2.3超声换能器接收信号 13
2.3本章小结 14
第三章 FBG 超声传感系统的检测性能研究 15
3.1幅值特性 15
3.1.1实验过程 15
3.1.2结果分析 16
3.2频率响应 18
3.2.1实验过程 18
3.2.2信号处理 19
3.2.3结果分析 20
3.4 本章小结 23
第四章 FBG 超声传感系统在共振频率测量中的应用 24
4.1材料共振频谱特性分析 24
4.1.1计算方法 24
4.1.2仿真分析 26
4.2FBG 超声传感系统实验验证 29
4.2.1透射实验 29
4.2.2反射实验 33
4.3本章小结 37
第五章 总结与展望 38
5.1  总结 38
IV
5.2  展望 38
参考文献 39
 
 
 
 
第一章 引言
 
1.1研究背景及意义
声学是自然科学中一门古老的学科，在我们的生活中，必不可少。超声波作为声波的一种，受限于高频声波的产生，最初只有理论研究。19 世纪末压电效应的发现，以及 20 世纪初电子学的发展，才使得超声波逐渐得到发展与应用[1]。
超声波方向性好、穿透能力强，可以在不透明物质中传播，在水中传播衰减远小于电磁波，广泛应用于无损检测、测厚、测距、成像以及水下超声通讯等领域。超声波能穿透一些电磁波无法穿透的物质，又能在两种介质分界面发生反射，特别是当不透明物体中含有杂质、气泡、裂纹等情况，超声波可以做到既检测出问题，又不损伤物体，可用于航天飞机外部及内部的损伤检测、铁路轨道油气管道检测等。在成像方面，可用于研究材料表面结构，也可用于地震物理模型成像技术的研究。水下超声通讯方面，主要用于国防事业。超声波应用十分广泛，检测也尤为重要。
超声波的发射与接收，通常应用超声换能器，传统的超声换能器一般为压电式。压电陶瓷超声换能器（PZT）由压电晶片，如石英、方硼石、钛酸钡等晶体片，实现能量转换， 这些晶片在外力作用下发生形变，并在表面产生正负电荷的现象称为正压电效应。反之， 将晶片置于电场中，在电场力的作用下，晶片发生形变这一现象称为逆压电效应。换能器接收与产生超声波的原理就是正、逆压电效应。PZT 既可以用来发射超声波，也可以接收超声波，简单方便。
兆赫兹级以上的超声波通常应用 PZT 自身共振的特性产生，根据 PZT 品质因素的不同，所产生超声信号的中心频率以及频谱宽度都会有所不同。当 PZT 作为超声波接收器时， 正是由于共振特性这一工作原理，PZT 只能实现单一频率信号检测，检测范围受到了限制。随着光纤传感技术的迅速发展，光纤超声传感有着较为成熟的原理与应用[2-11] 。其中，光纤光栅有着抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、体积小、质量轻、易于复用等优点，受到广泛关注[12-26]。
1.2光纤光栅传感器研究现状
近年来，随着光纤传感器的迅猛发展，光纤也出现了各种各样的结构。1978 年，第一根光纤光栅在加拿大问世[27]，而当时的光纤光栅制作技术并不成熟，光纤光栅没有得到广泛的研究与应用，研究者们更关注光纤光栅的制备，1989 年，G. Meltz 等人[28]利用掺锗光纤与紫外激光横向干涉法，形成了光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），在光纤光栅的制作技术上，起到了至关重要的作用，也为 FBG 批量生产提供了可能性。随着制作技术的不断提高，FBG 也开始用于温度、压力、应变等方面的传感研究。1996 年，FBG 超声传感器首次被报道，并测得 950kHz 频率的超声波[29]。从此，FBG 以其抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、体积小、质量轻、易于复用等优点，在医疗设备[30]、无损检测、超声成像、水声探测等领域均有涉及。
2009 年，一种 PZT/FBG 混合系统被应用于复合材料层合板的损伤检测，实现了传感器与执行器之间无耦合、传感器信号远距离传输、传感器的复用以及传感器的集成[31]；2012年，文献[32]中关注了光纤光栅的频率响应，所探究超声波频率范围为 15-1380kHz，并应用于结构健康检测；2016 年，一种用于结构健康监测的光纤光栅超声传感系统，探究频率提高到最大频率为 1MHz[33]；其后，FBG 超声传感在无损检测中应用于道岔尖轨轨底的裂纹损伤检测以及板块缺陷大小分析[34, 35]。
2014 年，相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)首次应用于地震物理模型的超声成像[36]；次年有研究者利用 2mm 长 FBG 搭建了一套光声成像系统，验证了光纤光栅在 3MHz 以下可以很好地感应超声信号的频率变化，并实现独立多点声源以及非规则声源的分别成像[37] 。
在水声探测方面，2014 年，一种用于测量高强度聚焦超声场的高空间分辨率光纤光栅超声水听器，在 10 MHz 的测量范围内，得到的声压灵敏度约为 31.3 mV/MPa，噪声等效压力约为 10.4 kPa[38]；2019 年，文献[39]设计了一种 D 型光纤光栅水听器，在 40-120kHz 频率范围内，对该传感器声压灵敏度进行探究；同年，文献[40]设计了一种光栅与气泡组合的结构，在 1MHz 超声场下，实现水下目标的成像；次年，该课题组又提出了一种基于光纤光栅和F-P 腔级联的空气耦合超声传感器，实现了对 1 MHz 连续和脉冲超声波检测灵敏度的提高[41]。
FBG 超声传感器应用广泛，我们一直期望它拥有更高的灵敏度和更宽的频率检测范围。灵敏度方面，有研究者应用相移光栅进行检测[42-46]，相移光栅灵敏度高，但成本也高，市 面价格是普通 FBG 的数十倍；实际应用中也涉及了一些增敏结构的设计[35, 39, 41]，但增敏结构制作过程复杂。另一方面，对于 FBG 频率检测范围的研究，自 FBG 超声传感首次报 道后，Webb 等[47, 48]对 FBG 传感机理进行深入研究，最终得出光栅长度小于超声波波长一半的检测条件。2005 年，Minardo 等[49]应用数学建模方式，对声波作用于 FBG 时，引起 的动态响应进行分析，结果表明，纵向超声波波长与光栅长度的比值对检测结果有影响， 这一结论与 Webb 等人的实验研究结果呼应，也建立了 FBG 对超声波的传感模型，解释了 波长与栅长之比对频率检测限制的原理。同年，浙江大学的汪钱纯应用 2mm 的 FBG 设计一套超声传感系统，实现水域环境下 1.5MHz 超声波的检测[50]；2014 年，文献[38]中应用1mm 的 FBG 设计一套超声水听器，实现在 10MHz 范围内的超声信号检测。
以上的研究表明了 FBG 能够实现超声传感，且应用广泛，有着较好的研究意义，但高频超声检测的研究中，大多倾向于 FBG 超声传感器的增敏设计，或通过减小栅区长度来增大频率检测范围，对于 FBG 超声传感器在兆赫兹以上的频率检测性能研究较少。因此， FBG 超声传感器对兆赫兹级超声信号检测性能的研究具有一定意义。
 
 
1.3论文主要内容
 
为了探究了 FBG 超声传感器的检测性能，以及在超声传感方面的应用，本文搭建了FBG 超声传感系统，通过对该系统幅值特性及频率响应两方面，来探究该传感系统检测性能；并通过共振频率的检测，探究了该传感系统在共振测厚法这一实际应用中的可行性。
本论文的结构安排如下：
第一章、主要介绍 FBG 超声传感器的研究背景、研究意义与研究现状。从超声检测应用范围广出发，阐述超声检测的重要性，以及目前常用的传统超声换能器受到的限制。概述 FBG 传感器目前发展状况，以及本文研究的意义。
第二章、从基本原理和实验环境两方面，介绍了本文的研究基础。介绍超声波传播原理和特征参量，通过FBG 传感原理，为实验提供理论依据；搭建FBG 超声传感系统，对各实验器材进行介绍，阐述其工作原理；重点描述了声源 PZT 的发射信号构成及影响因素， 并通过反射信号分析超声信号传播过程中有可能发生的变化。
第三章、探究了 FBG 超声传感系统的幅值特性和频率响应两方面的性能。介绍了 FBG 超声传感系统性能探究中的实验设计与操作、信号分析与处理等方法，并对实验结果进行分析与总结。
第四章、应用 FBG 超声传感系统对材料共振频率进行检测。首先介绍超声波的透射与反射原理，并通过计算机仿真分析给定介质模型的透射系数与反射系数；再应用 FBG 超声传感系统进行实际检测，并对检测结果进行信号处理与分析，与理论数据进行对比；最后得出结论。
第五章、对 FBG 超声传感系统进行总结，针对其不足做了改进建议与展望。提出了研究的频率范围、传感系统稳定性、参考传感器等方面的不足和改进。