光纤声波检测探头

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其是涉及一种光纤声波检测探头。

背景技术

常见的压电式或电磁式声波传感器应用广泛，但难以适用于极端环境的探测工作，且容易受到电磁干扰。光纤声波检测探头结构紧凑，具有抗电磁干扰，以及环境适应性强等优点，有助于弥补现有电学声波传感器存在的不足。目前光纤声波检测探头已在大型结构的健康监测、地震波检测、水听器和无损探伤等领域有广泛地应用。相关技术的光纤声波检测探头仅依靠光纤自身作为声学感应探头进行声波测量，探头与声波相互作用面积小，灵敏度较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光纤声波检测探头，能够增大检测时声波与探头额相互作用面积，提高检测的灵敏度。

根据本发明的实施例的光纤声波检测探头，包括：主体外壳，所述主体外壳设置有开口；弹性薄膜，所述弹性薄膜固定在所述开口上，并遮挡所述开口；检测光纤，所述检测光纤的一端固定在所述弹性薄膜上，另一端穿过所述主体外壳，所述检测光纤设置有光纤微结构反射区，用于在所述检测光纤发生轴向形变时，产生变化的反射光信号。

根据本发明实施例的光纤声波检测探头，至少具有如下有益效果：通过在主体外壳的开口上设置弹性薄膜，使声波产生的振动通过弹性薄膜传导至检测光纤上，增大了检测探头与声波相互作用的面积，提高检测的灵敏度。

根据本发明的一些实施例，所述光纤微结构反射区包括：第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅，所述第一光纤布拉格光栅与所述第二光纤布拉格光栅之间形成法布里-珀罗谐振腔。

根据本发明的一些实施例，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅为均匀光纤光栅。

根据本发明的一些实施例，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的长度相同。

根据本发明的一些实施例，所述主体外壳上设置有压力平衡孔，所述压力平衡孔连通所述主体外壳的内腔，用于平衡所述主体外壳与外界环境之间的压力。

根据本发明的一些实施例，所述检测光纤与所述弹性薄膜通过固定套连接，所述弹性薄膜上设置有通孔，所述检测光纤与所述固定套固定，所述固定套固定在所述通孔中。

根据本发明的一些实施例，所述弹性薄膜通过薄膜固定圈固定在所述开口上。

根据本发明的一些实施例，所述检测光纤的另一端穿过所述主体外壳，所述检测光纤与所述主体外壳固定连接。

根据本发明的一些实施例，所述主体外壳为洛氏硬度大于90HRB的硬质材料制成。

根据本发明的一些实施例，所述弹性薄膜为乳胶薄膜。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例光纤声波检测探头的示意图；

图2为本发明实施例检测声波信号的原理图。

附图标记：

主体外壳110、弹性薄膜120、检测光纤130、薄膜固定圈140、固定套150、紫外胶160；

开口111、压力平衡孔112、光纤微结构反射区131、第一光纤布拉格光栅1311；

第二光纤布拉格光栅1312。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1，在本发明的一些实施例中，光纤声波检测探头包括：主体外壳110，弹性薄膜120，检测光纤130。主体外壳110设置有开口111，弹性薄膜120固定在开口111上，并遮挡开口111，检测光纤130的一端固定在弹性薄膜120上，另一端穿过主体外壳110，检测光纤130设置有光纤微结构反射区131，用于在检测光纤发生轴向形变时，产生变化的反射光信号。

在一些实施例中，主体外壳110设置为漏斗型，其中漏斗的面积较大的一侧底面设置有开口111，用于固定弹性薄膜120，对应的另一个底面上设置有开孔，用于穿过检测光纤130，使检测光纤130可以与外界传输光信号。弹性薄膜120在开口111上处于紧绷的状态，用于更好的接收声波信号，并将声波信号转换为弹性薄膜120的振动。在其它实施例中，主体外壳110可以为T形、圆锥形或其它不规则形状。

检测光纤130的一端与弹性薄膜120固定，使得弹性薄膜120的振动可以传递至检测光纤130上，检测光纤130的另一端穿过主体外壳110上的开孔，与外部的光源发生装置和光电检测装置连接，用于提供光信号和检测反射的光信号，即检测光纤同时有输入光信号和输出调制后的光信号的功能，检测光纤通过光纤环形器与光电检测装置连接，使得光电检测装置可以检测到反射后的光信号。开孔与检测光纤130之间为固定连接，使得检测光纤130无法在主体外壳110中移动，确保只有弹性薄膜120的振动才可以造成检测光纤130轴向的长度变化，减少其他振动对检测光纤130的影响，提高声波检测的准确率。

检测光纤130中设置有光纤微结构反射区131，用于在检测光纤130发生轴向形变时，产生变化的反射光信号。光纤微结构反射区131可以为光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅是通过一定方法使光纤的纤芯的折射率发生轴向的周期性调制而形成的衍射光栅，其作用是当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件波长的光会被反射，其它波长的光会透过光纤光栅继续传输。在一些其他实施例中，可以为相移光栅，也可以为微气泡结构的法布里-珀罗谐振腔。这几种结构在检测光纤130的轴向长度发生变化时，其反射谱中的反射光信号都会产生变化，通过检测反射光信号的变化进而检测出声波信号的变化

通过在光纤声波检测探头上设置弹性薄膜120，增大了光纤声波检测探头与外界声波信号的接触面积，增大了光纤声波检测探头检测声波信号的灵敏度。

在本发明的一些实施例中，光纤微结构反射区131包括第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312，第一光纤布拉格光栅1311与第二光纤布拉格光栅1312之间形成法布里-珀罗谐振腔。通过设置第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312，在光束经过光栅后，会在第一光纤布拉格光栅1311处产生第一反射光，在第二光纤布拉格光栅1312处产生第二反射光，第一反射光与第二反射光在传输过程中会发生谐振，从而形成法布里-珀罗谐振腔。与单一的光纤布拉格光栅相比，具有更高的灵敏度。

参照图2，为本发明光纤声波检测探头检测声波信号的原理图：

当外界存在声波信号时，声波信号会引起弹性薄膜120振动，由于弹性薄膜120与检测光纤130固定，因此检测光纤130在轴向会产生收缩，从而改变法布里-珀罗谐振腔的腔长，使反射光的谐振光谱产生漂移，反射光的谐振光谱的漂移会使光电检测装置的电压发生改变，从而反映出外界声波信号的强度大小，完成声波检测的功能。

在本发明的一些实施例中，第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312为均匀光纤光栅，即光纤布拉格光栅中的周期性变化的折射率相同。在其它实施例中，也可以为不均匀的光纤光栅，也可以达到反射特定频率光谱的效果。

在本发明的一些实施例中，第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312的长度相同。此时在制作检测光纤130时，只需将两个相同的光纤布拉格光栅间隔一定的距离，通过光纤熔接机熔接为一体，即可使第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312之间形成法布里-珀罗谐振腔，方便大批量制作。示例，第一光纤布拉格光栅1311和第二光纤布拉格光栅1312之间的间隔距离为1厘米，在其它实施例中，可以根据不同的入射光频率灵活调整间隔距离。在其它实施例中，也可以为长度不同的光纤布拉格光栅，只需要两个光纤布拉格光栅反射的中心波长可以形成谐振光，即可以达到相同的检测效果。

在本发明的一些实施例中，主体外壳110上设置有压力平衡孔112，压力平衡孔112用于平衡主体外壳110与外界环境之间的压力。压力平衡孔112用于平衡光纤声波检测探头的内外压力，防止由于内外压差导致弹性薄膜120产生形变，减少光电检测装置检测时的误差，可以应用于不同气压的地区，也可以应用于不同液体中的声波检测场景。

在本发明的一些实施例中，检测光纤130与弹性薄膜120通过固定套150连接，弹性薄膜120上设置有通孔，检测光纤130与固定套150固定，固定套150固定在通孔中。固定套150通过垫圈固定在弹性薄膜120上的通孔中，通过在固定套150中注入紫外胶160，固定检测光纤130与固定套150，从而使检测光纤130与弹性薄膜120紧密固定。

在本发明的一些实施例中，弹性薄膜120通过薄膜固定圈140固定在开口111上。薄膜固定圈140的大小略大于开口111的大小，可以整体卡接于开口111上。安装时将弹性薄膜120覆盖于开口111上，再使用薄膜固定圈140卡接在开口111上，从而将弹性薄膜120固定在开口111上。使用薄膜固定圈140卡接的方式固定，方便安装与拆卸，便于在弹性薄膜120损坏时进行更换。

在本发明的一些实施例中，检测光纤130的另一端穿过主体外壳110，检测光纤130与主体外壳110固定连接。示例，在主体外壳110上设置有开孔，用于使检测光纤130穿过，安装完成后，通过紫外胶160将检测光纤130固定在开孔上，避免检测光纤130移动，提高检测的准确率。使用紫外胶160固定，在日常的使用过程中不会对检测光纤130产生磨损，提高光纤声波检测探头的使用寿命。在其它实施例中，也可以使用热熔胶等其它方式进行固定，或者在主体外壳110内部设置固定件等方式卡接固定。

在本发明的一些实施例中，主体外壳110为洛氏硬度大于90HRB的硬质材料制成。洛氏硬度大于90HRB的硬质材料可以满足大多数情况下对探头外壳的硬度要求，可以应用于多种恶劣的环境条件下。例如，在酸性液体中或潮湿的环境下，可以使用不锈钢材料。在其它实施例中，也可以使用塑料、陶瓷、石英等材料。

在本发明的一些实施例中，弹性薄膜120为乳胶薄膜。乳胶薄膜在接收到微弱的声波信号时，仍能产生较大的形变，从而提高光纤声波检测探头检测的灵敏度。在其它实施例中，弹性薄膜120可以为石英薄片、聚合物薄片或金属薄片等，适应不同检测环境下的需求。

在本发明的描述中，第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一些实施例”、“示例”、“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。