李 佳,劉 鋒,李 紅,周 鋒

(1.北京信息科技大學(xué) 光電測試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192;2.北京信息科技大學(xué)光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室,北京 100016)

1 引 言

超聲波是指頻率高于20 kHz在連續(xù)介質(zhì)中傳播的應(yīng)力波,根據(jù)時(shí)域上連續(xù)與否可分為連續(xù)波和脈沖波。超聲波以連續(xù)波的形式與光纖布拉格光柵(FBG)相互作用的研究已用于聲波的檢測[1-2],水聽器[3],結(jié)構(gòu)無損探傷[4-5],聲源定位[6],其原理是將FBG作為傳感器,利用FBG體積小、抗干擾的特點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電器件感知介質(zhì)中連續(xù)超聲波信號[7],已經(jīng)得到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。但傳統(tǒng)研究關(guān)注超聲波以連續(xù)波的形式引起FBG的響應(yīng),而超聲以脈沖波的形式與FBG作用尚未見報(bào)道,缺乏超聲波以脈沖波的形式與FBG作用的光譜特性研究。超聲脈沖波導(dǎo)入FBG可用于提高波分復(fù)用的解調(diào)容量,原理是在密集分布的同參數(shù)光柵,利用超聲脈沖在光纖軸向傳播的特性,在時(shí)域上脈沖依次作用于光纖光柵,即在時(shí)域上給每一個(gè)光柵脈沖標(biāo)記,實(shí)現(xiàn)同參數(shù)光柵在時(shí)域上的光譜分離,在波分復(fù)用的基礎(chǔ)上提高解調(diào)容量。

本文提出將超聲波以脈沖波的形式導(dǎo)入FBG,并分析超聲脈沖與FBG響應(yīng)的原理,搭建超聲脈沖導(dǎo)入FBG實(shí)驗(yàn)裝置；設(shè)計(jì)電路驅(qū)動堆棧式壓電陶瓷產(chǎn)生壓縮脈沖縱波,通過鋁質(zhì)錐超聲聚能器放大后高效耦合進(jìn)FBG。采用線陣CCD光譜成像法高速采集超聲脈沖導(dǎo)入FBG后的反射光譜,研究其時(shí)域上的譜形變化和中心波長漂移等光譜特性。為超聲脈沖與波分復(fù)用解調(diào)技術(shù)相結(jié)合提供參考。

2 超聲脈沖與FBG作用機(jī)理

根據(jù)耦合模理論,光纖布拉格波長λB可以表示為[8]:

λB=2neffΛ

(1)

其微分形式為:

(2)

式中,Λ為FBG的周期;neff為光纖纖芯的有效折射率。當(dāng)帶寬光源入射至FBG時(shí),只有FBG諧振波長的光被反射,形成特征峰。

超聲以矩形脈沖波導(dǎo)入光纖,沿光纖軸向產(chǎn)生脈沖應(yīng)力波,脈沖波傳播并作用于FBG的時(shí)刻如圖1(b)所示,該時(shí)刻對FBG產(chǎn)生兩方面的影響:一是幾何效應(yīng),即改變光柵周期Λ；二是彈光效應(yīng),即改變纖芯處的有效折射率neff。

圖1 超聲脈沖作用與FBGFig.1 Ultrasonic pulse action with FBG

當(dāng)FBG長度L遠(yuǎn)小于超聲脈沖波長λα?xí)r,整個(gè)光柵受到的應(yīng)變分布是均勻的,彈光效應(yīng)引起的折射率變化是均勻[9-10],設(shè)矩形脈沖作用FBG上的產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?yōu)棣纽?則幾何效應(yīng)為:

(3)

彈光效應(yīng)為:

(4)

式中,Pij為彈光系數(shù);υ為泊松比。綜合式(1)～(3),得到:

(5)

令:

2014年，原奧地利微電子（ams）正式更名為艾邁斯半導(dǎo)體，其主要業(yè)務(wù)是設(shè)計(jì)和制造高性能的模擬半導(dǎo)體產(chǎn)品，以創(chuàng)新的解決方案為客戶解決難題。公司的產(chǎn)品旨在為那些要求極致精密、精準(zhǔn)、靈活、靈敏以及極低功耗的應(yīng)用而設(shè)。其產(chǎn)品包括傳感器、傳感器接口、電源管理芯片及無線產(chǎn)品，適用于消費(fèi)類、工業(yè)類、醫(yī)療類、移動通信及汽車類的客戶。

(6)

式中,Pe為有效彈光系數(shù),光纖介質(zhì)中Pe=0.22。結(jié)合式(1)在脈沖作用與FBG的時(shí)刻,FBG的漂移量為:

ΔλB=λB·(1-Pe)·εχ

(7)

從式(7)可以看出,當(dāng)FBG長度L遠(yuǎn)小于超聲脈沖波長λα,時(shí)域上:矩形脈沖作用在FBG的時(shí)刻,FBG波長發(fā)生漂移；而當(dāng)脈沖向前傳播,離開FBG時(shí),FBG不受應(yīng)力的作用,中心波長將恢復(fù)初始狀態(tài)。

3 光譜高速采集

當(dāng)超聲脈沖導(dǎo)入FBG后,為了實(shí)時(shí)捕捉FBG反射光譜的變化規(guī)律,需要高速采集時(shí)域上連續(xù)的光譜信息。光譜采集系統(tǒng)如圖2所示,由256個(gè)像素點(diǎn)的Ibsen線陣CCD解調(diào)模塊,耦合器,寬帶光源,以及AD轉(zhuǎn)換信號處理單元。利用線陣CCD解調(diào)模塊對FBG反射光進(jìn)行兩級衍射分光、反射、準(zhǔn)直,完成反射光信號從頻域空間域的轉(zhuǎn)換,空間光的位置由波長決定,形成一定順序的均勻光譜垂直照射于線陣InGaAs光敏感元上,實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)值到電壓值的轉(zhuǎn)換[11]。線陣CCD光敏感元輸出的模擬信號通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行高速AD轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)數(shù)字信號以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)傳輸并儲于計(jì)算機(jī)。

圖2 光譜高速采集系統(tǒng)Fig.2 Spectral high speed acquisition system

通常FBG的反射譜的形狀可以表示為高斯型曲線,其表達(dá)式為[12]:

(8)

式中,I0為反射譜的峰值反射率;λ0為反射譜的中心波長;σ0為反射譜在1/e強(qiáng)度處的半寬度,實(shí)際分析中,通常用反射譜的半峰全寬σFWHM代替σ0,兩者之間的關(guān)系為[13]:

(9)

線陣CCD上256個(gè)InGaAa探測器輸出的當(dāng)前時(shí)刻每一個(gè)像素點(diǎn)的對應(yīng)的光強(qiáng)值(Pi,Ii)。將得到的這一系列離散的二位數(shù)組代入公式(8)高斯模型中,通過最小化誤差的平方,其表達(dá)是為[14-15]:

(10)

尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配,得到FBG的反射光譜,如圖3所示。

圖3 高斯光譜擬合Fig.3 Gaussian spectrum fitting

本文采用基于Ibsen I-MON 256線陣CCD解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)最高35 k的光譜采樣速率。

4 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

4.1 超聲脈沖發(fā)生電路

本文采用棧式壓電陶瓷作為脈沖產(chǎn)生裝置,為驅(qū)動堆棧式壓電陶瓷產(chǎn)生脈沖超聲,設(shè)計(jì)一種簡單的脈沖發(fā)生電路,如圖4所示,該電路是以N型金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS-FET)為核心,通過信號發(fā)生器輸出的脈沖寬度調(diào)信(PWM)控制MOS管的通斷,調(diào)節(jié)壓電陶瓷的兩端電壓脈寬和重復(fù)周期。

圖4 超聲脈沖發(fā)生電路Fig.4 Ultrasonic pulse generator circuit

驅(qū)動堆棧式壓電陶瓷為高電壓脈沖信號,因此采用大功率高壓MOSFET場效應(yīng)管作為電子開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖信號。在堆棧式壓電陶瓷一端接入直流穩(wěn)壓源,另一端接到MOSFET的源極,并在堆棧式壓電陶瓷兩端并聯(lián)上匹配電感以及快速恢復(fù)二極管。MOSFET選擇FDPF51N25,該器件的耐壓為250 V,導(dǎo)通電流最大可以到51A,導(dǎo)通時(shí)間僅為62 ns,導(dǎo)通電阻僅為60 mΩ,可以有效降低功率,提高轉(zhuǎn)換效率。信號發(fā)生器輸出PWM信號驅(qū)動MOSFET的柵極,同時(shí)在柵極串接保護(hù)電阻,防止靜電擊穿柵極。當(dāng)信號發(fā)生器輸出低電平時(shí)MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài),壓電陶瓷兩端電壓相等,不振動。當(dāng)輸出高電平并大于MOSFET的開啟電壓5 V之后,MOSFET瞬間打開,壓電陶瓷一端接地,一端是高壓,形成高壓脈沖。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的PWM信號即可得到實(shí)驗(yàn)所需的超聲脈沖頻率和脈寬。

將壓電陶瓷接入到電路中,觀察壓電陶瓷兩端的電壓如圖5所示,底部為壓電陶瓷兩端電壓波形。

圖5 脈沖高壓信號Fig.5 Pulse high voltage signal

為減少輸出電壓紋波,提高轉(zhuǎn)換效率,設(shè)計(jì)采用N型MOSFET與輸出電感匹配的脈沖發(fā)生電路。由于減少了傳統(tǒng)電路中的電阻和功率二極管的功率損耗,這種電路具有非常低的無功功率消耗,在保證小的靜態(tài)功率的同時(shí)獲得最大的轉(zhuǎn)換效率。

4.2 超聲換能器設(shè)計(jì)

電壓脈沖信號加載到堆棧式壓電陶瓷上產(chǎn)生垂直振動模式的超聲脈沖,為保證該超聲脈沖信號高效耦合進(jìn)入光纖中,設(shè)計(jì)如圖6所示的超聲換能器,其主要由襯底、堆棧式壓電陶瓷、超聲聚能器三部分組成。

圖6 超聲換能器Fig.6 Ultrasonic transducer

為確保堆棧式壓電陶瓷具有比較高的單向輻射效率,襯底通常選擇聲阻抗大于堆棧式壓電陶瓷聲阻抗的材料,本文選擇剛質(zhì)材料作為超聲換能器的襯底。

由于堆棧式壓電陶瓷產(chǎn)生的超聲脈沖的振幅比較小,需要將振幅放大后耦合進(jìn)光纖中。考慮聲阻抗匹配和加工難度,本文采用圓錐形超聲聚能器結(jié)構(gòu),其能有效的將機(jī)械振動位移放大并把能量集中在較小的輻射面上。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)超聲聚能器和光纖之間的高效耦合,兩者材料之間需要滿足聲阻抗匹配。圓錐形超聲聚能器頂端的聲阻抗可以表示為:

Zr=crρrAr

(11)

5 實(shí)驗(yàn)與分析

圖7為超聲脈沖導(dǎo)入的FBG的光譜特性研究的實(shí)驗(yàn)裝置圖,使用的FBG中心波長為1559.35 nm,3 dB帶寬為0.05 nm,光柵長度為10 mm,FBG距離脈沖源的水平距離是20 cm。

(b)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖 圖7 實(shí)驗(yàn)Fig.7 Experiment

實(shí)驗(yàn)采用的壓縮脈沖頻率為25 kHz(占空周期40 μs),重復(fù)周期為1 ms,其超聲脈沖波長為200 mm,滿足脈沖波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光柵長度。光譜采集系統(tǒng)使用30 kHz的采樣頻率,采樣周期為33 μs。

如圖8(a)中所示,壓電陶瓷的脈沖電壓為80 V,在時(shí)域上,當(dāng)一個(gè)波長遠(yuǎn)大與光柵長度的壓縮脈沖達(dá)到FBG,使光柵均勻壓縮,反應(yīng)在光譜上:光譜形狀未發(fā)生變化,光譜向波長小的方向漂移；隨著超聲脈沖向前傳播離開FBG后,FBG光譜恢復(fù)初始狀態(tài)。如圖8(b)所示,對比超聲脈沖作用前后相鄰3個(gè)時(shí)刻的反射光譜,矩形壓縮脈沖作用前后的光譜幾乎重疊,只有細(xì)微漂移,這是由于試驗(yàn)中壓縮矩形脈沖在光纖傳播過程中的應(yīng)力峰值波動造成的,從圖9的中心波長波動也能得到應(yīng)證。

圖8 FBG反射譜Fig.8 FBG reflection spectrum

如圖9所示,記錄時(shí)域上的中心FBG中心波長變化。超聲脈沖的重復(fù)周期為1 ms,在這重復(fù)周期內(nèi)CCD解調(diào)儀將采集30個(gè)點(diǎn),每一個(gè)點(diǎn)間隔33 μs,從圖9可以看出,1 ms的重復(fù)周期內(nèi),FBG的反射光譜發(fā)生一次波長漂移,當(dāng)電壓為80 V時(shí)漂移為171 pm。如圖10所示隨著電壓越高,壓縮脈沖的應(yīng)變越高,脈沖作用時(shí)刻中心波長向較短波長方向移動,呈現(xiàn)成線性變小。這與理論分析一致。

圖9 脈沖電壓為80 V時(shí)域中心波長變化Fig.9 When the pulse voltage is 80 V,the central wavelength change in the time domain

圖10 不同電壓脈沖作用時(shí)刻中心波長Fig.9 The central wavelength of different voltage pulses at different moments of action

6 結(jié) 語

本文提出將超聲波以矩形脈沖波的形式導(dǎo)入FBG,分析超聲脈沖作用于FBG的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)超聲脈沖發(fā)生電路以及超聲換能器,用高電壓脈沖信號驅(qū)動堆棧式壓電陶瓷產(chǎn)生沿光纖軸向的壓縮脈沖,采用CCD成像法高速捕捉FBG的光譜時(shí)在域上的變化。結(jié)果表明:當(dāng)FBG長度遠(yuǎn)小于超聲波長時(shí),FBG的反射光譜有效的發(fā)生搬移,只是中心波長發(fā)生漂移；隨著壓縮脈沖的應(yīng)力增加,脈沖作用時(shí)刻中心波長向較短方向移動,呈現(xiàn)成線性變小,與原理分析結(jié)果相同。為超聲脈沖與波分復(fù)用解調(diào)技術(shù)相結(jié)合提供參考。