基于DBR光纖激光傳感器的超聲與溫度雙參量測(cè)量研究*

劉　影，高　爽，鮑志強(qiáng)，張　帥，呂辰剛

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

基于DBR光纖激光傳感器的超聲與溫度雙參量測(cè)量研究*

劉影，高爽，鮑志強(qiáng)，張帥，呂辰剛*

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

介紹了一種基于DBR光纖激光傳感器同時(shí)測(cè)量超聲與溫度的雙參量測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)光纖DBR激光傳感器中，由雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的兩種非簡(jiǎn)并偏振模式拍頻的調(diào)制，同時(shí)獲得溫度與超聲的測(cè)量信息。文中首先基于DBR光纖激光傳感器偏振外差技術(shù)測(cè)量的基本理論，分析其在溫度信號(hào)調(diào)制和超聲信號(hào)調(diào)制下的測(cè)量原理。然后，設(shè)計(jì)溫度與超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度下DBR光纖激光傳感器的頻譜輸出，以及同一溫度下（34.9℃），兩種超聲信號(hào)（5 MHz和7 MHz）的頻率調(diào)制輸出。最后，實(shí)驗(yàn)論證了不同超聲信號(hào)在不同溫度下的雙參量測(cè)量輸出。本文通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，表明了DBR光纖激光傳感器在超聲信號(hào)測(cè)量的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的測(cè)量，10 MHz以內(nèi)溫度靈敏度均值0.116 MHz/℃。

DBR光纖傳感器；雙參數(shù)測(cè)量；超聲；溫度

在光纖傳感器的研究與實(shí)際應(yīng)用中，多參量的測(cè)量一直是關(guān)鍵問(wèn)題之一。同時(shí)，在常見(jiàn)的待測(cè)環(huán)境參量中，不同參量之間的交叉敏感問(wèn)題也是亟待解決的，其中以溫度的交叉敏感性最為普遍。光纖傳感器以其尺寸小、精度高、抗電磁干擾等特點(diǎn)，作為光纖探針在超聲測(cè)量中被廣泛研究，且存在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合。需要同時(shí)獲取超聲與溫度的變化。例如：在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，骨結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)需要在超聲治療情況下嚴(yán)格監(jiān)控溫度的變化［1］，超聲成像時(shí)皮膚組織的溫度檢測(cè)［2］，以及金屬材料處理時(shí)超聲和溫度的相互影響［3］。

目前，解決超聲與溫度共存問(wèn)題的主要方案有兩種：（1）采用補(bǔ)償法抵消溫度特性的影響［4-6］，（2）研究復(fù)合參數(shù)的光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量［7-8］。Qi Wu 和Yoji Okabe［9］等人提出一種基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和布拉格光柵傳感器的光纖傳感器雖然能夠同時(shí)測(cè)量溫度、應(yīng)變和超聲，但是該傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，并且精度不高。Fisher N E，Webb D J和Pannell C N［10］等人提出的短光纖布拉格光柵法既能測(cè)量溫度又能測(cè)量超聲，但是該方法不能同時(shí)測(cè)量溫度和超聲，只能分開(kāi)測(cè)量。以上這些方法，雖然在一定程度上能解決多參量混雜測(cè)量的問(wèn)題，但或精度達(dá)不到要求、或

存在測(cè)量范圍小，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。

分布式布拉格反射 DBR（Distributed-Bragg-Reflector）光纖激光器不僅具有體積小，質(zhì)量輕，抗電磁等普通光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外。同時(shí)，相比傳統(tǒng)光纖傳感技術(shù)如FBG、OTDR等而言，DBR光纖激光偏振外差的測(cè)量載波信號(hào)處于射頻波段，可以通過(guò)電學(xué)頻譜測(cè)量的方式進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。因此，DBR光纖激光傳感技術(shù)具有光學(xué)傳感的高精度，與電學(xué)測(cè)量的方便性的雙重優(yōu)勢(shì)，被廣泛研究于多種物理量的測(cè)量，例如：溫度、壓力、電壓、電流、電磁場(chǎng)和超聲［11-15］。

本文論證了基于DBR光纖激光傳感器的溫度與超聲信號(hào)同時(shí)測(cè)量方案。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，研究了不同超聲信號(hào)在不同溫度下的雙參量DBR光纖激光傳感測(cè)量輸出，表明了DBR光纖激光傳感器能夠有效的解決溫度和超聲測(cè)量的交叉敏感問(wèn)題，具有雙參量測(cè)量的能力。

1　DBR光纖激光雙參數(shù)測(cè)量原理

DBR光纖激光傳感器由一對(duì)波長(zhǎng)匹配的光纖布拉格光柵（FBG）作為諧振腔鏡，以及位于一對(duì)光柵中間的摻鉺光纖作為增益介質(zhì)組成。通過(guò)調(diào)整諧振腔的長(zhǎng)度和兩個(gè)FBG腔鏡的折射率，DBR激光器會(huì)產(chǎn)生一束單縱模激光，由于摻鉺光纖本身以及FBG腔鏡寫入過(guò)程中引入的非簡(jiǎn)并特性，該單縱模激光包含兩個(gè)正交的偏振模。因此，單縱模DBR光纖激光傳感器可以通過(guò)外界信號(hào)對(duì)其產(chǎn)生激光波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)測(cè)量，并通過(guò)雙偏振的拍頻信息變化來(lái)解調(diào)。

1.1溫度測(cè)量原理

DBR光纖激光傳感器雙偏振外差拍頻信號(hào)，由式（1）［16］表示：

其中，C是真空光速，B=|nx-ny|是光纖雙折射率，n0≈nx≈ny是光纖平均折射率，λ0=2n0Λ≈λx≈λy是光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)，ωb=2πfb。

根據(jù)光柵Bragg方程λB=2neffΛ（neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵周期），當(dāng)外界溫度改變時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)變化如下［17］：

其中，α為熱膨脹系數(shù)，β為熱光系數(shù)。

當(dāng)外界環(huán)境溫度變化作用于光纖DBR激光傳感器上時(shí)，光纖的雙折射率會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，從而導(dǎo)致輸出激光的雙偏振模式發(fā)生改變，相應(yīng)的拍頻變化為：

因此，通過(guò)測(cè)量DBR光纖激光傳感器拍頻輸出的改變，可以測(cè)得溫度的變化

1.2超聲測(cè)量原理

將DBR光纖激光傳感器置于超聲場(chǎng)中，聲壓導(dǎo)致兩個(gè)偏振模的相速度發(fā)生改變，影響兩個(gè)偏振模式輸出的近簡(jiǎn)并度，輸出的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器，由下式所示［18］：

其中，ωb是拍頻信號(hào)的頻率，kf是超聲調(diào)制靈敏度，與光纖x和y軸的應(yīng)變張量有關(guān)，δ（t）是拍頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化，表達(dá)式如下：

Ui，ωi，ψi，i=1，2…，n三個(gè)常數(shù)分別是超聲波的幅度，頻率和相位。對(duì)于本文只測(cè)量一種超聲模式，且假設(shè)聲場(chǎng)為弱調(diào)制，將上式代入，式（4）可以被表示成如下：

其中，Mf1=U1kf/ω1是調(diào)制指數(shù)。式（6）表明，當(dāng)DBR光纖激光器測(cè)量超聲信號(hào)時(shí)，輸出的拍頻信號(hào)會(huì)在超聲調(diào)制下，兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)邊帶，邊帶信號(hào)的位置和幅度隨聲壓的頻率和強(qiáng)度而變化。因此，通過(guò)DBR光纖激光器產(chǎn)生拍頻信號(hào)的邊帶調(diào)制，可以測(cè)得超聲信息。

1.3超聲和溫度雙參數(shù)測(cè)量

如圖1所示，超聲與溫度雙參量調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器輸出頻譜的示意圖。圖1中，溫度為T1和T2時(shí)輸出的頻譜，分別由實(shí)線和虛線表示。當(dāng)超聲信號(hào)作用在傳感器上時(shí)，DBR光纖傳感器以拍頻ωb作為載波，以超聲信號(hào)為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。由圖1可以看出，對(duì)于DBR光纖激光器的輸出頻譜，超聲可以產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，溫度可以導(dǎo)致輸出頻譜的整體偏移Δωb，實(shí)現(xiàn)超聲和溫度的同時(shí)測(cè)量。

圖1　超聲和溫度雙參量測(cè)量示意圖

2　實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，DBR光纖激光傳感器由一對(duì)光纖布拉格光柵，和位于光柵中間的摻鉺光纖組成。兩個(gè)光纖光柵采用193 nm ArF準(zhǔn)分子激光器，通過(guò)相位掩模技術(shù)刻入，長(zhǎng)度分別是20mm和15mm，反射率分別是30 dB和20 dB，光柵之間諧振腔長(zhǎng)度是12mm。DBR光纖傳感器，超聲信號(hào)源和溫度控制探頭置于充滿蒸餾水的水槽中。溫度控制探頭靈敏度0.1℃，可以嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)時(shí)的不同溫度，提供溫度測(cè)試環(huán)境。DBR光纖激光傳感器置于一個(gè)可調(diào)節(jié)的樹(shù)脂夾具上，超聲信源換能器的直徑尺寸6mm，作用距離在20mm范圍內(nèi)可調(diào)，置于DBR傳感器的正上方，連接至信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的超聲信號(hào)。

如圖2所示，980nm半導(dǎo)體激光器通過(guò)980/1 550 nm波分復(fù)用器，泵浦DBR光纖激光傳感器產(chǎn)生雙偏振激光載波信號(hào)，從反射率較低的FBG一端輸出至波分復(fù)用器的1 550 nm端口，經(jīng)光隔離器到偏振控制器、偏振片使得兩個(gè)偏振模的方向一致，再到光電探測(cè)器產(chǎn)生拍頻信號(hào)，將探測(cè)信號(hào)顯示在射頻頻譜分析儀上。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2溫度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先調(diào)節(jié)溫度控制器，使水槽溫度從常溫開(kāi)始逐漸增加，每隔大約5℃記錄一次，先后控制水槽溫度為25.5℃，34.9℃，39.8℃，44.5℃和50.1℃，分別記錄每一種溫度條件下，DBR光纖激光傳感器的頻譜輸出，得到一組拍頻頻率隨溫度變化的曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，對(duì)應(yīng)上述溫度變化，DBR光纖激光傳感器的拍頻輸出分別為443.26 MHz、443.41 MHz、444.13 MHz、444.71 MHz、和 445.73 MHz。這表明，隨著溫度的增加，DBR光纖激光傳感器輸出的兩個(gè)正交偏振模式的頻差變大，外差拍頻的頻率值隨溫度的增加逐漸增大。

圖3　拍頻的溫度變化曲線

2.3超聲測(cè)量

保持溫度不變（34.9℃）情況下，圖4為5 MHz～10 MHz超聲信號(hào)作用在DBR光纖激光傳感器，由射頻頻譜分析儀記錄的拍頻頻譜。

圖4　5MHz和7 MHz超聲信號(hào)的拍頻頻譜

從圖4可以看出，由于溫度保持穩(wěn)定，DBR光纖激光傳感器的拍頻信號(hào)穩(wěn)定在443.41 MHz。其兩邊的邊帶信號(hào)分別代表拍頻信號(hào)在5 MHz～10 MHz的超聲信號(hào)，邊帶信號(hào)距離中心拍頻的相對(duì)位置表示超聲頻率的大小，邊帶信號(hào)的幅度表示超聲信號(hào)強(qiáng)度。說(shuō)明在MHz頻率下，DBR光纖激光傳感器具有較寬的帶寬測(cè)量范圍，測(cè)量性能良好。在5 MHz超聲信號(hào)調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器在拍頻信號(hào)兩邊438.26 MHz和448.26 MHz的位置各產(chǎn)生一個(gè)邊帶信號(hào)；在7 MHz超聲信號(hào)調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器在拍頻兩邊436.09 MHz和450.14 MHz的位置各產(chǎn)生一個(gè)邊帶信號(hào)。表明隨著超聲信號(hào)頻率的增加，邊帶信號(hào)離中心拍頻越遠(yuǎn)，因此，通過(guò)對(duì)邊帶信號(hào)頻率的分析，可以測(cè)得超聲信號(hào)的信息。

用功率密度（μW/cm2）來(lái)衡量超聲強(qiáng)度大小，超聲換能器輸出功率密度和驅(qū)動(dòng)電壓平方成正比，表1所示為10 MHz超聲信號(hào)在不同驅(qū)動(dòng)電壓下的功率密度。

表1　1 V～10 V驅(qū)動(dòng)電壓下的10 MHz超聲信號(hào)功率密度響應(yīng)

為了量化分析測(cè)量的超聲功率密度，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓從10 V開(kāi)始以1 V間隔逐漸降低，探測(cè)不同驅(qū)動(dòng)電壓下拍頻調(diào)制信號(hào)，如圖5所示為超聲頻率在10 MHz時(shí)，1 V～10 V驅(qū)動(dòng)電壓下，RF頻譜分析儀測(cè)得的拍頻頻譜。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的遞減，調(diào)制信號(hào)幅度隨著功率密度的減小而降低。

圖5　10 MHz超聲信號(hào)在1 V～10 V驅(qū)動(dòng)電壓下頻譜

2.4雙參數(shù)測(cè)量

根據(jù)上面的分析，可以看出DBR光纖激光傳感器可以同時(shí)測(cè)量超聲信號(hào)和溫度兩個(gè)參量，并且兩者不會(huì)相互影響。對(duì)于溫度參量，通過(guò)拍頻信號(hào)頻率的整體偏移測(cè)得；對(duì)于超聲信號(hào)則可以通過(guò)拍頻頻譜的邊帶信號(hào)測(cè)得。

圖6對(duì)5 MHz和7 MHz超聲信號(hào)分別挑選4組頻譜，進(jìn)行了溫度變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從圖6中可以清晰的看出，5 MHz和7 MHz的超聲信息由邊帶調(diào)制來(lái)測(cè)量。同時(shí)，隨溫度的增加，拍頻及邊帶信號(hào)的頻譜整體向右偏移，表明DBR光纖激光傳感器在超聲測(cè)量的同時(shí)，能準(zhǔn)確反映測(cè)量環(huán)境溫度信息的變化。

圖7所示為5 MHz、7 MHz超聲信號(hào)調(diào)制下頻譜偏移隨溫度變化的趨勢(shì)，溫度靈敏度分別是0.115 MHz/℃，0.133MHz/℃。超聲信號(hào)在10MHz以內(nèi)DBR光纖激光傳感器溫度靈敏度的均值是0.116MHz/℃。

圖6　5 MHz、7 MHz超聲信號(hào)下不同溫度的拍頻頻譜

圖7　5 MHz、7 MHz超聲信號(hào)下拍頻溫度變化曲線

首先，從圖7可以看出，隨著溫度的增大，拍頻頻率逐漸增大，呈線性變化趨勢(shì)。且當(dāng)超聲信號(hào)變化時(shí)，拍頻的溫度靈敏度變化微小，在不同超聲作用下，可以看出拍頻點(diǎn)在一個(gè)很窄的線性帶中浮動(dòng)，說(shuō)明超聲對(duì)溫度測(cè)量的影響很小，DBR光纖激光傳感器測(cè)量溫度的性能穩(wěn)定，當(dāng)用DBR光纖激光傳感器測(cè)量溫度和超聲時(shí)，不需要考慮兩者之間的交叉敏感問(wèn)題。

3　總結(jié)

本文研究了DBR光纖激光傳感器同時(shí)測(cè)量超聲和溫度的雙參量測(cè)量能力，文中對(duì)DBR光纖傳感器開(kāi)展的溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及超聲溫度共同作用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得出，DBR光纖激光傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)溫度與超聲同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，還可以有效避免在超聲測(cè)量過(guò)程中的溫度交叉敏感問(wèn)題。

DBR光纖激光傳感器通過(guò)拍頻調(diào)制和頻譜偏移的測(cè)量方式，還可以擴(kuò)展應(yīng)用到溫度和其他物理量的測(cè)量中，以消除溫度帶來(lái)的交叉敏感問(wèn)題。

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劉影（1993-），女，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器及測(cè)量技術(shù)，liuyingmc@tju.edu.cn；

呂辰剛（1978-），男，天津人，博士，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，主要研究光學(xué)傳感器件及系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，lvchengang@tju.edu.cn。

Simultaneous Measurement of Ultrasound and Temperature Based on DBR Fiber Laser Sensor*

LIU Ying，GAO Shuang，BAO Zhiqiang，ZHANG Shuai，Lü Chengang*
（College of Electronic Information Engneering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

This paper presents a dual-parameter measurement method using fiber laser sensor of simultaneously measuring ultrasound and temperature，which is based on the modulation of two nearly degenerate polarization modes produced by birefringence effect.The measuring principle of DBR（Distributed-Bragg-Reflector）fiber laser sensor under the modulation of temperature signal and ultrasonic signal was analysed.The measurement experiment of temperature and ultrasound was designed.The spectrum of the output beat frequency signals at different temperatures and the frequency modulation of ultrasonic with the signal of 5 MHz，7 MHz at 34.9℃was achieved.The output of dual-parameter measurement in different ultrasonic signal and temperature was verified by experiment.The experimental results show that the DBR fiber laser sensor have ability of measuring the ultrasound with temperature signal together.The average of temperature sensitivity is 0.116 MHz/℃within 10 MHz.

DBR fiber sensor；dual-parameter measurement；ultrasound；temperature

TN253

A

1004-1699（2016）08-1155-05

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.005

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61205075）

2016-04-18修改日期：2016-06-13