全光一体式宽频超声检测装置及制备方法

技术领域

本发明属于岩石物理模型超声检测技术领域，涉及全光一体式宽频超声检测装置及制备方法。

背景技术

我国在能源资源开发、基础工程建设等重点领域正向高质量发展与转变，特别是对地球物理关键信息的精准分析和科学研判也尤显迫切。岩体物理力学性能研究属于油气勘探、微地震监测、岩体工程等领域的研究前沿和热点。岩石物理模型是进行岩石物理研究的主要方法之一，通过人工制备的类岩石模型模拟实际岩体构造，以规避现场原位检测存在的耗时长、成本高、操作性差等不足，具有精度高、周期短、费用低等明显优势。

目前岩体物理力学特征研究主要基于超声无损检测技术，其中超声激发与接收常用电容式或压电式超声换能器。而该类超声换能器在复杂岩石物理模型特征精细研究方面，普遍存在单一收/发(多换能器独立工作)、激发及接收频带窄(多为单频器件)、使用空间受限(体积减小而响应度降低)、动态范围小(小于100dB)、稳定及可靠性不足(易受电磁、磁场等干扰)等本质不足。

基于激光超声激发和光纤超声接收的岩体超声检测技术，相比于电类超声检测方式，技术优势明显：纳秒激光辐照光声功能材料，实现多模式、高强度、宽频带超声高效激发；光纤传感结构接收岩体反射回波，实现高灵敏度、高空间分辨率、宽频带超声采集。宽频超声激发/接收的一体化结合，可精细稳定检测复杂岩石物理模型物理力学特征。

发明内容

本发明的目的是为岩体物理力学声学研究提供一种全光一体式宽频超声检测装置，以克服上述电容式或压电式等电类超声换能器件的诸多不足。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

全光一体式宽频超声检测装置，包括L型壳体，L型壳体包括竖直段与水平段，竖直段上沿竖直方向开设有第一通孔，水平段沿竖直方向开设有第二通孔：第二通孔底部设置有圆形谐振腔，圆形谐振腔与第二通孔同轴，圆形谐振腔下端与水平段下端齐平，圆形谐振腔下端粘接有圆形第二铜箔；

第一通孔内竖直设置有高功率光纤，第一通孔下端粘接有圆形第一铜箔；

第二通孔内竖直设置有光纤陶瓷插芯跳线。

本发明进一步的改进在于，L型壳体的材质为工程塑料或光敏树脂。

本发明进一步的改进在于，第一通孔直径为10mm、长度为25～35mm；第二通孔直径为2.6mm、长度为3～8mm。

本发明进一步的改进在于，圆形谐振腔的直径为10mm、厚度为0.4～1mm。

本发明进一步的改进在于，高功率光纤的纤芯直径为200～900μm。

本发明进一步的改进在于，高功率光纤的尾纤端面与第一铜箔的上表面之间的距离设置为10～20mm；第一铜箔的厚度为0.1～0.5mm，直径为11～12mm；第一通孔与圆形第一铜箔同轴。

本发明进一步的改进在于，第二铜箔的厚度为0.05～0.5mm，直径为11～12mm，圆形谐振腔与圆形第二铜箔同轴。

本发明进一步的改进在于，光纤陶瓷插芯跳线包括传感光纤和陶瓷插芯，陶瓷插芯包裹在传感光纤上，陶瓷插芯的外径为2.5mm，长度为10mm。

本发明进一步的改进在于，光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔的上表面之间的距离为200～300μm。

全光一体式宽频超声检测装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用3D打印技术制作L型壳体，L型壳体包括竖直段与水平段，在竖直段沿竖直方向开设有第一通孔，在水平段沿竖直方向开设有第二通孔：第二通孔底部设置有圆形谐振腔，圆形谐振腔与第二通孔同轴，圆形谐振腔下端与水平段下端齐平；

S2、将高功率光纤从第一通孔上端垂直穿入，第一通孔下端粘接有同轴圆形第一铜箔；

S3、将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔上端垂直穿入，在圆形谐振腔下端粘接有同轴圆形第二铜箔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本装置属于高品质超声激发和高性能光纤接收相结合的一体化结构。在高品质超声激发方面，利用高功率光纤传输特定波长的纳秒脉冲激光，继而辐照铜箔，可为岩石物理模型超声检测提供多模式、高强度、宽频带超声源；在高性能光纤接收方面，利用超薄铜箔与光纤切平端面构建紧凑小巧的光干涉结构，可高灵敏度、高空间分辨率、宽频带采集岩石物理模型的超声回波信号；二者通过优化设计的L型一体化结构稳定结合，具有灵活便携的特点，为岩石物理模型提供一种高精度与高可靠性的超声收发装置。

进一步的，高功率光纤的纤芯直径为200～900μm，光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔的上表面之间的距离为200～300μm，陶瓷插芯的外径为2.5mm，长度为10mm，本发明的各项尺寸设计可保证L型壳体与高功率光纤、光纤陶瓷插芯跳线的紧凑结合，同时也可保证本发明实现高品质超声激发和高性能光纤接收。若超过本发明的尺寸设计范围，则无法获取岩石物理模型的清晰可辨的超声回波信号。

本发明的制备方法简单，易于实现，本发明制备的超声检查装置，克服了现有技术中单一收/发(多换能器独立工作)、激发及接收频带窄(多为单频器件)、使用空间受限(体积减小而响应度降低)、动态范围小(小于100dB)、稳定及可靠性不足(易受电磁、磁场等干扰)等问题。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是用于测试本发明的测试系统图。

图3是采用测试系统测试全光一体式宽频超声检测装置的超声信号曲线图。

图中，1为传感光纤，2为高功率光纤，3为L型壳体，4为第一通孔，5为第一铜箔，6为第二铜箔，7为圆形谐振腔，8为第二通孔，9为陶瓷插芯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本实施例的全光一体式宽频超声检测装置由传感光纤1、高功率光纤2、L型壳体3、第一通孔4、第一铜箔5、第二铜箔6、圆形谐振腔7、第二通孔8、陶瓷插芯9联接构成。其中，L型壳体包括竖直段与水平段，竖直段上沿竖直方向开设有第一通孔4，水平段沿竖直方向开设有第二通孔8：第二通孔8底部设置有圆形谐振腔7，圆形谐振腔7与第二通孔8同轴，圆形谐振腔7下端与水平段下端齐平，圆形谐振腔7下端粘接有圆形第二铜箔6；

第一通孔4内竖直设置有高功率光纤2，第一通孔4下端粘接有圆形第一铜箔5；

第二通孔8内竖直设置有光纤陶瓷插芯跳线。

全光一体式宽频超声检测装置的制备方法如下：

S1、采用高精度3D打印技术制作L型壳体3，L型壳体3的材质为工程塑料(ABS、PC、尼龙)或光敏树脂(环氧树脂、树脂somos11122和19120)。L型壳体包括竖直段与水平段，在竖直段沿竖直方向开设有第一通孔4，在水平段沿竖直方向开设有第二通孔8：第一通孔4直径为10mm、长度为25～35mm，用于装配宽频超声激发端；第二通孔8直径为2.6mm、长度为3～8mm，用于装配宽频超声接收端。为了提高宽频超声接收端的响应灵敏度，在第二通孔8底部设置有直径为10mm、厚度为0.4～1mm的圆形谐振腔7，圆形谐振腔7与第二通孔8同轴，圆形谐振腔7下端与水平段下端齐平。

S2、选择高功率光纤2作为纳秒脉冲激光器的激光传输光纤，高功率光纤2的纤芯直径为200～900μm，将高功率光纤2从第一通孔4上端垂直穿入。在第一通孔4下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第一铜箔5，第一铜箔5的厚度为0.1～0.5mm，直径为11～12mm。高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离设置为10～20mm，依据纳秒脉冲激光辐照第一铜箔5后所激发超声波的波形特征进行调节。

S3、传感光纤1选择单模光纤或多模光纤，陶瓷插芯9的外径为2.5mm，长度为10mm，传感光纤1与陶瓷插芯9联接构成光纤陶瓷插芯跳线，将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔8上端垂直穿入。在圆形谐振腔7下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第二铜箔6，第二铜箔6的厚度为0.05～0.5mm，直径为11～12mm。光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的距离设置为200～300μm，依据传感光纤1与第二铜箔6所构成光干涉结构的干涉特征进行调节。

在宽频超声激发端，使用高功率光纤2传输纳秒脉冲激光，从高功率光纤2的尾纤端面出射并辐照于第一铜箔5。当纳秒脉冲激光入射到第一铜箔5表面时，一部分激光能量被第一铜箔5反射或散射，一部分被第一铜箔5吸收，另一部分透射。由于第一铜箔5中自由电子的密度较大，因而第一铜箔5对激光的吸收系数比较大，对应的透入深度很小。第一铜箔5吸收的激光能量大部分转化为热能，该热量通过热传导在第一铜箔5内扩散，形成瞬态不均匀温度场。温度的梯度分布导致应力和应变，从而在第一铜箔5中激发宽频超声波。如果激光能量超过一定的值，可在第一铜箔5表面引起熔融、气化、等离子体等现象，表面融蚀、喷溅会在第一铜箔5表面产生反冲力，从而激发宽频超声波。因此，可通过调节纳秒脉冲激光能量、高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离来激发所需的宽频超声波。

在宽频超声接收端，利用传感光纤1与第二铜箔6所构成的光干涉结构采集岩石物理模型表面及内部反射的超声回波信号。传感激光在传感光纤1中传输，一部分被光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面反射回传感光纤1，另一部分从光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面出射。出射光经第二铜箔6的上表面反射后，重新耦合回传感光纤1，并与光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面反射光发生干涉。当超声回波信号作用于第二铜箔6时，使得第二铜箔6发生结构形变，导致光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的干涉腔长发生变化，光干涉结构的干涉信息随之发生变化。因此，通过检测干涉信息的变化即可采集超声回波信号。设置圆形谐振腔7，可增大第二铜箔6在超声回波信号作用下的有效形变范围，从而提高宽频超声接收端的响应灵敏度。

下面为具体实施例。

实施例1

S1、采用高精度3D打印技术制作L型壳体3，L型壳体3的材质为ABS塑料。在L型壳体3中沿竖直方向分别设置有第一通孔4和第二通孔8：第一通孔4直径为10mm、长度为25mm，用于装配宽频超声激发端；第二通孔8直径为2.6mm、长度为3mm，用于装配宽频超声接收端。为了提高宽频超声接收端的响应灵敏度，设置有直径为10mm、厚度为0.4mm的圆形谐振腔7，圆形谐振腔7与第二通孔8同轴，圆形谐振腔7下端与L型壳体3下端齐平。

S2、选择高功率光纤2作为纳秒脉冲激光器的激光传输光纤，高功率光纤2的纤芯直径为200～900μm，将高功率光纤2从第一通孔4上端垂直穿入。在第一通孔4下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第一铜箔5，第一铜箔5的厚度为0.1～0.5mm，直径为11～12mm。高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离设置为10～20mm，依据纳秒脉冲激光辐照第一铜箔5后所激发超声波的波形特征进行调节。

S3、传感光纤1选择单模光纤或多模光纤，陶瓷插芯9的外径为2.5mm，长度为10mm，传感光纤1与陶瓷插芯9联接构成光纤陶瓷插芯跳线，将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔8上端垂直穿入。在圆形谐振腔7下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第二铜箔6，第二铜箔6的厚度为0.05～0.5mm，直径为11～12mm。光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的距离设置为200～300μm，依据传感光纤1与第二铜箔6所构成光干涉结构的干涉特征进行调节。

实施例2

S1、采用高精度3D打印技术制作L型壳体3，L型壳体3的材质为环氧树脂。在L型壳体3中沿竖直方向分别设置有第一通孔4和第二通孔8：第一通孔4直径为10mm、长度为35mm，用于装配宽频超声激发端；第二通孔8直径为2.6mm、长度为8mm，用于装配宽频超声接收端。为了提高宽频超声接收端的响应灵敏度，设置有直径为10mm、厚度为1mm的圆形谐振腔7，圆形谐振腔7与第二通孔8同轴，圆形谐振腔7下端与L型壳体3下端齐平。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例3

S1、采用高精度3D打印技术制作L型壳体3，L型壳体3的材质为尼龙。在L型壳体3中沿竖直方向分别设置有第一通孔4和第二通孔8：第一通孔4直径为10mm、长度为30mm，用于装配宽频超声激发端；第二通孔8直径为2.6mm、长度为6mm，用于装配宽频超声接收端。为了提高宽频超声接收端的响应灵敏度，设置有直径为10mm、厚度为0.7mm的圆形谐振腔7，圆形谐振腔7与第二通孔8同轴，圆形谐振腔7下端与L型壳体3下端齐平。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例4

S1、选择高功率光纤2作为纳秒脉冲激光器的激光传输光纤，高功率光纤2的纤芯直径为200μm，将高功率光纤2从第一通孔4上端垂直穿入。在第一通孔4下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第一铜箔5，第一铜箔5的厚度为0.1mm，直径为11mm。高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离设置为10mm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例5

S1、选择高功率光纤2作为纳秒脉冲激光器的激光传输光纤，高功率光纤2的纤芯直径为900μm，将高功率光纤2从第一通孔4上端垂直穿入。在第一通孔4下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第一铜箔5，第一铜箔5的厚度为0.5mm，直径为12mm。高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离设置为20mm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例6

S1、选择高功率光纤2作为纳秒脉冲激光器的激光传输光纤，高功率光纤2的纤芯直径为600μm，将高功率光纤2从第一通孔4上端垂直穿入。在第一通孔4下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第一铜箔5，第一铜箔5的厚度为0.3mm，直径为12mm。高功率光纤2的尾纤端面与第一铜箔5的上表面之间的距离设置为15mm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例7

S1、传感光纤1选择单模光纤，陶瓷插芯9的外径为2.5mm，长度为10mm，传感光纤1与陶瓷插芯9联接构成光纤陶瓷插芯跳线，将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔8上端垂直穿入。在圆形谐振腔7下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第二铜箔6，第二铜箔6的厚度为0.05mm，直径为11mm。光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的距离设置为200μm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例8

S1、传感光纤1选择多模光纤，陶瓷插芯9的外径为2.5mm，长度为10mm，传感光纤1与陶瓷插芯9联接构成光纤陶瓷插芯跳线，将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔8上端垂直穿入。在圆形谐振腔7下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第二铜箔6，第二铜箔6的厚度为0.5mm，直径为12mm。光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的距离设置为300μm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

实施例9

S1、传感光纤1选择多模光纤，陶瓷插芯9的外径为2.5mm，长度为10mm，传感光纤1与陶瓷插芯9联接构成光纤陶瓷插芯跳线，将光纤陶瓷插芯跳线从第二通孔8上端垂直穿入。在圆形谐振腔7下端使用环氧树脂胶粘接有同轴圆形第二铜箔6，第二铜箔6的厚度为0.3mm，直径为12mm。光纤陶瓷插芯跳线的尾纤端面与第二铜箔6的上表面之间的距离设置为250μm。

步骤S2、S3与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的全光一体式宽频超声检测装置进行实验测试：

如图2所示，使用纳秒脉冲激光器作为宽频超声激发光源，从纳秒脉冲激光器出射的空间激光经光纤耦合器导入高功率光纤2，继而从高功率光纤2的尾纤端面出射并辐照于第一铜箔5，激发宽频超声波。使用可调谐激光器作为宽频超声接收光源，从可调谐激光器出射的传感激光经光纤环形器导入传感光纤1，传感光纤1与第二铜箔6构成光干涉结构，其干涉信息经超声回波信号调制后再次经光纤环形器导入光电探测器，将光信号转换为电信号，最后使用示波器采集电信号。在水箱内装入水，水作为超声耦合剂，水箱底部放置一块厚度为20mm的岩石物理模型，将全光一体式宽频超声检测装置的第一铜箔5、第二铜箔6均浸入水中，岩石物理模型的上表面距离L型壳体3下端40mm。从宽频超声激发端发出的超声波经水传输至岩石物理模型后，一部分被岩石物理模型的上表面反射，另一部分继续传输至岩石物理模型的下表面被反射。超声回波信号经水传输至第二铜箔6，使其发生结构形变，进而调制光干涉结构的干涉信息，示波器记录岩石物理模型上下表面反射的超声回波信号，实验结果如图3所示。

在检测岩石物理模型上下表面反射的超声回波信号时，图3中采样时间60μs和75μs处出现明显的信号峰值，根据超声波在水中传播速度1400m/s和在岩石物理模型中传播速度2700m/s，基于渡越时间法，可知60μs处信号峰值对应岩石物理模型上表面反射的超声回波信号，75μs处信号峰值对应岩石物理模型下表面反射的超声回波信号。实验结果表明，本发明可实现岩石物理模型的多层超声检测，满足岩石物理模型实时动态扫描中激发和接收宽频超声波的需求，稳定检测复杂岩石物理模型物理力学特征，在油气勘探、微地震监测、岩体工程等领域具有广泛的应用前景。