光纖聲學透視儀的製作方法

2023-10-30 06:50:57

光纖聲學透視儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型的光纖聲學透視儀屬於光纖探測【技術領域】。本實用新型提供了一種利用光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰等固體物質的物理-力學性能的光纖聲學透視儀，包括探測光纖(1)，法蘭(2)，光柵解調模塊組(3)，寬帶光源(4)，聲波發生器(5)，直流電源(6)，主機(7)，示波器(8)，計算機(9)和主環形器(10)。本實用新型的光纖聲學透視儀可以動態監控和記錄冰等固體物質的物理-力學參數，具有外形小、靈敏度高、可以精確記錄聲波在冰中的傳播參數、抗外界電磁幹擾能力強、便攜及可直接用於測量自然狀態下的冰的物理力學參數等優點。
【專利說明】
光纖聲學透視儀

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光纖探測【技術領域】，具體涉及一種利用光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰等固體物質的物理-力學性能的光纖聲學透視儀。

【背景技術】
[0002]自然界冰和凍土層的廣泛分布對人類的經濟活動具有極大的影響。多年凍土帶的總面積佔到了陸地總面積的25%。研究冰的力學特性，確定彈性模量參數值及其與剛度範圍的聯繫、冰的塑性特性，以及建立確定這些參數的有效科考儀器和方法對於人類活動的各個領域都是一項重要的科學實踐。通過記錄聲波穿過冰的參數，就可以計算冰的物理力學特性:動態彈性模量；體積粘度；內摩擦係數。彈性參數同剛度和形變特性的關係也有物理依據，目前廣泛採用基於磁伸縮及壓電原理的各種加速記錄器記錄聲學信號。但是這些傳感器外形較大，並且敏感度不夠，無法保證在海域和南極實地進行試驗的所需條件。
實用新型內容
[0003]本實用新型要解決的技術問題是利用光纖布拉格光柵動態聲波法，採用體形很小的光纖傳感器高靈敏動態檢測冰等固體物質的物理-力學性能。
[0004]為達到本實用新型的目的，採用的技術方案是，一種基於光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰等固體物質的物理-力學性能的光纖聲學透視儀，包括探測光纖I，法蘭2，光柵解調模塊組3，寬帶光源(ASE) 4，聲波發生器5，直流電源6，主機7，示波器8，計算機9和主環形器10 ;其中，法蘭2、光柵解調模塊組3、寬帶光源(ASE) 4、直流電源6和主環形器10位於主機7內；所述探測光纖I中含有2?8組不同中心波長的探測光柵20，並通過法蘭2與主機7相連；所述光柵解調模塊組3由基本模塊11和I?7組單光柵解調模塊12串聯而成；基本模塊11由第一環形器13、第一光電探測器14和第一解調光柵15組成,第一環形器13的I號埠與主環形器10的3號埠相連，2號埠與第一解調光柵15相連，3號埠與第一光電探測器14相連,第一解調光柵15的另一端與第一組單光柵解調模塊12相連；所有的單光柵解調模塊12由第二環形器16、第二解調光柵18和第二光電探測器17組成；第一組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠與基本模塊11中的第一解調光柵15相連,2號埠與第二解調光柵18的一端相連,3號埠與第二光電探測器17相連，第二解調光柵18的另一端與下一組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠相連或者置空；第二組?第八組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠與上一組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18相連，最後一組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的另一端置空；法蘭2與主環形器10的2號埠相連，寬帶光源4與主環形器10的I號埠相連，主環形器10的3號埠與基本模塊11相連，單光柵解調模塊12串聯在基本模塊11之後；主環形器10，第一環形器13和所有單光柵解調模塊12中的第二環形器16隻允許光從I號埠進，從2號埠出，或者從2號埠進，從3號埠出；直流電源6通過電線與第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17相連；第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17通過接線與示波器8相連，第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17並聯；計算機9通過數據線與示波器8相連；聲波發生器5位於待探測物上，測量時使用；所述直接電流6供給光電探測器和寬帶光源(ASE) 4的電壓限定為5V ;第一解調光柵15和所有單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的中心波長與探測光纖I中的探測光柵20的中心波長對應且波長大小相同。
[0005]探測光柵20和光柵解調模塊組3中的各個解調光柵是相互配合的，兩者數量和中心波長一致。當所述探測光纖I中含有2組不同中心波長的探測光柵20，對應的光柵解調模塊組3中含有I組基本模塊11和I組單光柵解調模塊12，此時儀器應用於測量一維直線上的參數；當所述探測光纖I中含有4組不同中心波長的探測光柵20，對應的光柵解調模塊組3中含有I組基本模塊11和3組單光柵解調模塊12，每兩組探測光柵20作為一個單位測量一個維度，此時儀器應用於測量二維平面上的參數；當所述探測光纖I中含有8組不同中心波長的探測光柵20，對應的光柵解調模塊組3中含有I組基本模塊11和7組單光柵解調模塊12，每兩組探測光柵20作為一個單位測量一個維度，其中2組探測光柵20置空，用於對比和提高精度，此時儀器應用於測量三維立體的參數。環行器和探測光柵的結構是現有技術。
[0006]本實用新型建立了一套現代光纖布拉格光柵動態聲波法動態檢測冰等固體物質的物理-力學性能的系統和方法，動態監控和記錄彈性聲波特性，除了用於確定冰的力學特性和系列物理參數外，也可測金屬塊，巖石等固體物質的這類參數。儀器所採用的傳感器外形小，敏感度高，可以精確記錄聲波在冰中的傳播參數；傳感器的光柵可以放置在超低溫冰樣中，可以在給冰樣施加壓力時直接記錄聲波參數；光纖聲學透視儀的記錄密度高，可以測量小尺寸冰樣；裝置緊湊，可以用其直接在自然狀態下的冰樣上進行測量；在研究客體上建立了一個光纖聲學透視儀自動網絡，以便測試記錄。
[0007]本儀器中我們採用布拉格光纖傳感器(FBG)來記錄各種力學參數。其中，通過FBG系統可以記錄聲波穿過冰樣的參數，具有精確記錄，可以放置在超低溫冰樣中，在小尺寸冰樣上，及直接在自然狀態下的冰樣上進行測量等優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1本實用新型的主機結構圖。
[0009]圖2本實用新型中光柵解調模塊組3的結構示意圖。
[0010]圖3本實用新型中基本模塊11的結構示意圖。
[0011]圖4本實用新型中單光柵解調模塊12的結構示意圖。
[0012]圖5本實用新型測量冰的聲學以及物理-力學特性曲線的示意圖。
[0013]圖6本實用新型測量分層、各向異性結構的冰的力學特性的示意圖。
[0014]圖7本實用新型的第一解調光柵15，第二解調光柵18的結構示意圖。
[0015]各圖中所含設備及儀器的附圖標記:
[0016]I為探測光纖；2為法蘭；3為光柵解調模塊組；4為寬帶光源(ASE) ；5為聲波發生器；6為直流電源；7為主機；8為示波器；9為計算機；10為主環形器；11為基本模塊；12為單光柵解調模塊；13為第一環形器；14為第一光電探測器；15為第一解調光柵；16為第二環形器；17為第二光電探測器；18為第二解調光柵；19為聲波(超聲波)脈衝；20為探測光柵；21為待測冰樣；22為螺旋測微杆；23為金屬支架；24為碳纖維薄片；25為含解調光柵的光纖。

【具體實施方式】
[0017]下面以【具體實施方式】說明本實用新型，但不限於此。
[0018]實施例1
[0019]如附圖1?4所不,一種基於光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰的物理-力學性能的光纖聲學透視儀，包括探測光纖I，法蘭2，光柵解調模塊組3，寬帶光源(ASE) 4，聲波發生器5，直流電源6，主機7，示波器8，計算機9和主環形器10 ;其中，法蘭2、光柵解調模塊組3、寬帶光源(ASE) 4、直流電源6和主環形器10位於主機7內；所述探測光纖I中含有2組不同中心波長的探測光柵20，並通過法蘭2與主機7相連；所述光柵解調模塊組3由基本模塊11和I組單光柵解調模塊12串聯而成；基本模塊11由第一環形器13、第一光電探測器14和第一解調光柵15組成，第一環形器13的I號埠與主環形器10相連，2號埠與第一解調光柵15相連,3號埠與第一光電探測器14相連,第一解調光柵15的另一端與單光柵解調模塊12相連；單光柵解調模塊12由第二環形器16、第二解調光柵18和第二光電探測器17組成；第二環形器16的I號埠與基本模塊11中的第一解調光柵15相連，2號埠與第二解調光柵18的一端相連,3號埠與第二光電探測器17相連,第二解調光柵18的另一端置空；法蘭2與主環形器10的2號埠相連，寬帶光源4與主環形器10的I號埠相連，主環形器10的3號埠與基本模塊11相連，單光柵解調模塊12串聯在基本模塊11之後；主環形器10，第一環形器13和單光柵解調模塊12中的第二環形器16隻允許光從I號埠進，從2號埠出，或者從2號埠進，從3號埠出；直流電源6通過電線與第一光電探測器14和單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17相連；第一光電探測器14和單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17通過接線與示波器8相連，第一光電探測器14和單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17並聯；計算機9通過數據線與示波器8相連；聲波發生器5位於待探測物上，測量時使用；所述直接電流6供給光電探測器和寬帶光源(ASE)4的電壓限定為5V ;第一解調光柵15和第二解調光柵18的中心波長與探測光纖I中的2組探測光柵20的中心波長一一對應且波長大小相同。
[0020]實施例2
[0021]一種基於光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰的物理-力學性能的光纖聲學透視儀，包括探測光纖1，法蘭2，光柵解調模塊組3，寬帶光源(ASE)4，聲波發生器5，直流電源6，主機7，示波器8，計算機9和主環形器10 ;其中，法蘭2、光柵解調模塊組3、寬帶光源(ASE)4、直流電源6和主環形器10位於主機7內；所述探測光纖I中含有4組不同中心波長的探測光柵20，並通過法蘭2與主機7相連；所述光柵解調模塊組3由基本模塊11和3組單光柵解調模塊12串聯而成；基本模塊11由第一環形器13，第一光電探測器14和第一解調光柵15組成，第一環形器13的I號埠與主環形器10相連，2號埠與第一解調光柵15相連,3號埠與第一光電探測器14相連,第一解調光柵15的另一端與第一組單光柵解調模塊12相連；所有的單光柵解調模塊12由第二環形器16，第二解調光柵18和第二光電探測器17組成；第一組單光柵解調模塊12中第二環形器16的I號埠與基本模塊11中的第一解調光柵15相連,2號埠與第二解調光柵18的一端相連,3號埠與第二光電探測器17相連，第二解調光柵18的另一端與第二組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠相連；第二組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠與第一組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18相連，第二組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的另一端與第三組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠相連，第三組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的另一端置空；法蘭2與主環形器10的2號埠相連，寬帶光源4與主環形器10的I號埠相連，主環形器10的3號埠與基本模塊11相連，單光柵解調模塊12串聯在基本模塊11之後；主環形器10，第一環形器13和所有單光柵解調模塊12中的第二環形器16隻允許光從I號埠進，從2號埠出，或者從2號埠進，從3號埠出；直流電源6通過電線與第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17相連；第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17通過接線與示波器8相連，第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17並聯；計算機9通過數據線與示波器8相連；聲波發生器5位於待探測物上，測量時使用；所述直接電流6供給光電探測器和寬帶光源(ASE)4的電壓限定為5V ;第一解調光柵15和三組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的中心波長與探測光纖I中的4組探測光柵20的中心波長一一對應且波長大小相同。
[0022]實施例3
[0023]一種基於光纖布拉格光柵動態聲波法檢測冰的物理-力學性能的光纖聲學透視儀，包括探測光纖1，法蘭2，光柵解調模塊組3，寬帶光源(ASE)4，聲波發生器5，直流電源6，主機7，示波器8，計算機9和主環形器10 ;其中，法蘭2、光柵解調模塊組3、寬帶光源(ASE) 4和直流電源6和主環形器10位於主機7內；所述探測光纖I中含有8組不同中心波長的探測光柵20，並通過法蘭2與主機7相連；所述光柵解調模塊組3由基本模塊11和7組單光柵解調模塊12串聯而成；基本模塊11由第一環形器13，第一光電探測器14和第一解調光柵15組成，第一環形器13的I號埠與主環形器10相連，2號埠與第一解調光柵15相連,3號埠與第一光電探測器14相連,第一解調光柵15的另一端與第一組單光柵解調模塊12相連；所有的單光柵解調模塊12由第二環形器16，第二解調光柵18和第二光電探測器17組成；第一組單光柵解調模塊12中第二環形器16的I號埠與基本模塊11中的第一解調光柵15相連,2號埠與第二解調光柵18的一端相連,3號埠與第二光電探測器17相連，第二解調光柵18的另一端與下一組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠相連或者置空；第二組?第八組單光柵解調模塊12中的第二環形器16的I號埠與上一組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18相連，最後一組單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的另一端置空；法蘭2與主環形器10的2號埠相連，寬帶光源4與主環形器10的I號埠相連，主環形器10的3號埠與基本模塊11相連，單光柵解調模塊12串聯在基本模塊11之後；主環形器10，第一環形器13和所有單光柵解調模塊12中的第二環形器16隻允許光從I號埠進，從2號埠出，或者從2號埠進，從3號埠出；直流電源6通過電線與第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17相連；第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17通過接線與示波器8相連，第一光電探測器14和所有單光柵解調模塊12中的第二光電探測器17並聯；計算機9通過數據線與示波器8相連；聲波發生器5位於待探測物上，測量時使用；所述直接電流6供給光電探測器和寬帶光源(ASE)4的電壓限定為5V ;第一解調光柵15和所有單光柵解調模塊12中的第二解調光柵18的中心波長與探測光纖I中的8組探測光柵20的中心波長一一對應且波長大小相同。
[0024]實施例4
[0025]如附圖5所示:將探測光纖I呈直線狀粘貼於待測冰樣21上，並將聲波發生器5的探頭緊貼於冰的一側，開啟主機7和示波器8，調節基本模塊11和所有單光柵解調模塊12中的各個解調光柵使其中心波長與所對應的探測光柵的中心波長相一致，之後通過計算機9發出指令給聲波發射器5，使其向待測冰樣21發出聲波脈衝19，由探測光纖I接收到包含待測冰樣21物理力學信息的信號並傳遞給主機7進行解調，解調後的信號由示波器8進行信號的模數轉換，轉換後的信號經計算機9處理得到和顯示待測冰樣21的一維物理力學信息。
[0026]實施例5
[0027]如附圖6所示:將探測光纖I呈垂直的兩軸狀粘貼於待測冰樣21上，並將聲波發生器5的探頭緊貼於冰的一側，開啟主機7和示波器8，調節基本模塊11和所有單光柵解調模塊12中的各個解調光柵使其中心波長與所對應的探測光柵的中心波長相一致，之後通過計算機9發出指令給聲波發射器5，使其向待測冰樣21發出聲波脈衝19，由探測光纖I接收到包含待測冰樣21物理力學信息的信號並傳遞給主機7進行解調，解調後的信號由示波器8進行信號的模數轉換，轉換後的信號經計算機9處理得到和顯示待測冰樣21的二維物理力學信息。
[0028]實施例6
[0029]如附圖7所示:螺旋測微杆22和碳纖維薄片24固定在金屬支架23上，通過環氧樹脂膠將含解調光柵的光纖25的解調光柵部分-第一解調光柵15(第二解調光柵18)的兩端緊密粘貼在碳纖維薄片24向下一側的中間，碳纖維薄片24向上一側的中間正對著螺旋測微杆22，根據示波器8所示圖形來調節螺旋測微杆22的旋鈕，迫使第一解調光柵15 (第二解調光柵18)和碳纖維薄片24隨之發生形變，從而達到探測光柵和解調光柵匹配的目的。
[0030]以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案和實用新型構思，做出相應改變和替代，而且性能或用途相同，都應當視為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種光纖聲學透視儀，包括探測光纖(1)，法蘭(2)，光柵解調模塊組(3)，寬帶光源(4)，聲波發生器(5)，直流電源(6)，主機(7)，示波器(8)，計算機(9)和主環形器(10);其中，法蘭⑵，光柵解調模塊組(3)，寬帶光源⑷和直流電源(6)位於主機(7)內；所述探測光纖(I)中含有2?8組不同中心波長的探測光柵(20)，並通過法蘭(2)與主機(7)相連；所述光柵解調模塊組(3)由基本模塊(11)和I?7組單光柵解調模塊(12)串聯而成；基本模塊(11)由第一環形器(13)、第一光電探測器(14)和第一解調光柵(15)組成,第一環形器(13)的I號埠與主環形器(10)相連,2號埠與第一解調光柵(15)相連,3號埠與第一光電探測器(14)相連，第一解調光柵(15)的另一端與第一組單光柵解調模塊(12)相連；所有的單光柵解調模塊(12)由第二環形器(16)、第二解調光柵(18)和第二光電探測器(17)組成；第一組單光柵解調模塊(12)中的第二環形器(16)的I號埠與基本模塊(11)中的第一解調光柵(15)相連，2號埠與第二解調光柵(18)的一端相連,3號埠與第二光電探測器(17)相連，第二解調光柵(18)的另一端與下一組單光柵解調模塊(12)中的第二環形器(16)的I號埠相連或者置空；除第一組外的其他單光柵解調模塊(12)中的第二環形器(16)的I號埠與上一組單光柵解調模塊(12)中的第二解調光柵(18)相連，最後一組單光柵解調模塊(12)中的第二解調光柵(18)的另一端置空；法蘭(2)與主環形器(10)的2號埠相連，寬帶光源(4)與主環形器(10)的I號埠相連，主環形器(10)的3號埠與基本I吳塊(11)相連，單光棚解調I吳塊(12)串聯在基本I吳塊(11)之後；主環形器(10)，第一環形器(13)和所有單光柵解調模塊(12)中的第二環形器(16)只允許光從I號埠進，從2號埠出，或者從2號埠進，從3號埠出；直流電源(6)通過電線與第一光電探測器(14)和所有單光柵解調模塊(12)中的第二光電探測器(17)相連；第一光電探測器(14)和所有單光柵解調模塊(12)中的第二光電探測器(17)通過接線與示波器(8)相連，第一光電探測器(14)和所有單光柵解調模塊(12)中的第二光電探測器(17)並聯；計算機(9)通過數據線與示波器(8)相連；聲波發生器(5)位於待探測物上，測量時使用；所述直流電源(6)供給光電探測器和寬帶光源⑷的電壓限定為5V ;第一解調光柵(15)和所有單光柵解調模塊(12)中的第二解調光柵(18)的中心波長與探測光纖(I)中的探測光柵(20)的中心波長一一對應且波長大小相同。
2.—種權利要求1所述的光纖聲學透視儀，其特徵是，所述探測光纖(I)中含有2組不同中心波長的探測光柵(20)，所述光柵解調模塊組(3)中含有I組基本模塊(11)和I組單光柵解調模塊(12)。
3.—種權利要求1所述的光纖聲學透視儀，其特徵是，所述探測光纖(I)中含有4組不同中心波長的探測光柵(20)，所述光柵解調模塊組(3)中含有I組基本模塊(11)和3組單光柵解調模塊(12)。
4.一種權利要求1所述的光纖聲學透視儀，其特徵是，所述探測光纖(I)中含有8組不同中心波長的探測光柵(20)，所述光柵解調模塊組(3)中含有I組基本模塊(11)和7組單光柵解調模塊(12)。
【文檔編號】G01N29/04GK204177770SQ201420623297
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】馬科夫·阿列克謝, 郭耀, 崔洪亮, 達拉拉伊·帕維爾, 郭明義, 李剛, 古班諾娃·娜塔莉亞, 趙恩才 申請人:吉林大學