基于DBR光纤激光传感器的超声与温度双参量测量研究*

刘　影，高　爽，鲍志强，张　帅，吕辰刚

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

基于DBR光纤激光传感器的超声与温度双参量测量研究*

刘影，高爽，鲍志强，张帅，吕辰刚*

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

介绍了一种基于DBR光纤激光传感器同时测量超声与温度的双参量测量方法。通过对光纤DBR激光传感器中，由双折射效应产生的两种非简并偏振模式拍频的调制，同时获得温度与超声的测量信息。文中首先基于DBR光纤激光传感器偏振外差技术测量的基本理论，分析其在温度信号调制和超声信号调制下的测量原理。然后，设计温度与超声测量实验，得到不同温度下DBR光纤激光传感器的频谱输出，以及同一温度下（34.9℃），两种超声信号（5 MHz和7 MHz）的频率调制输出。最后，实验论证了不同超声信号在不同温度下的双参量测量输出。本文通过理论与实验的对比分析，表明了DBR光纤激光传感器在超声信号测量的同时，还可以实现温度信号的测量，10 MHz以内温度灵敏度均值0.116 MHz/℃。

DBR光纤传感器；双参数测量；超声；温度

在光纤传感器的研究与实际应用中，多参量的测量一直是关键问题之一。同时，在常见的待测环境参量中，不同参量之间的交叉敏感问题也是亟待解决的，其中以温度的交叉敏感性最为普遍。光纤传感器以其尺寸小、精度高、抗电磁干扰等特点，作为光纤探针在超声测量中被广泛研究，且存在一些特定的应用场合。需要同时获取超声与温度的变化。例如：在医学检测中，骨结构检测时需要在超声治疗情况下严格监控温度的变化［1］，超声成像时皮肤组织的温度检测［2］，以及金属材料处理时超声和温度的相互影响［3］。

目前，解决超声与温度共存问题的主要方案有两种：（1）采用补偿法抵消温度特性的影响［4-6］，（2）研究复合参数的光纤传感器，实现多参数测量［7-8］。Qi Wu 和Yoji Okabe［9］等人提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪和布拉格光栅传感器的光纤传感器虽然能够同时测量温度、应变和超声，但是该传感器结构复杂、成本高，并且精度不高。Fisher N E，Webb D J和Pannell C N［10］等人提出的短光纤布拉格光栅法既能测量温度又能测量超声，但是该方法不能同时测量温度和超声，只能分开测量。以上这些方法，虽然在一定程度上能解决多参量混杂测量的问题，但或精度达不到要求、或

存在测量范围小，以及结构复杂等问题。

分布式布拉格反射 DBR（Distributed-Bragg-Reflector）光纤激光器不仅具有体积小，质量轻，抗电磁等普通光纤传感器的优点外。同时，相比传统光纤传感技术如FBG、OTDR等而言，DBR光纤激光偏振外差的测量载波信号处于射频波段，可以通过电学频谱测量的方式进行信号解调。因此，DBR光纤激光传感技术具有光学传感的高精度，与电学测量的方便性的双重优势，被广泛研究于多种物理量的测量，例如：温度、压力、电压、电流、电磁场和超声［11-15］。

本文论证了基于DBR光纤激光传感器的温度与超声信号同时测量方案。通过理论与实验的对比分析，研究了不同超声信号在不同温度下的双参量DBR光纤激光传感测量输出，表明了DBR光纤激光传感器能够有效的解决温度和超声测量的交叉敏感问题，具有双参量测量的能力。

1　DBR光纤激光双参数测量原理

DBR光纤激光传感器由一对波长匹配的光纤布拉格光栅（FBG）作为谐振腔镜，以及位于一对光栅中间的掺铒光纤作为增益介质组成。通过调整谐振腔的长度和两个FBG腔镜的折射率，DBR激光器会产生一束单纵模激光，由于掺铒光纤本身以及FBG腔镜写入过程中引入的非简并特性，该单纵模激光包含两个正交的偏振模。因此，单纵模DBR光纤激光传感器可以通过外界信号对其产生激光波长的调制来测量，并通过双偏振的拍频信息变化来解调。

1.1温度测量原理

DBR光纤激光传感器双偏振外差拍频信号，由式（1）［16］表示：

其中，C是真空光速，B=|nx-ny|是光纤双折射率，n0≈nx≈ny是光纤平均折射率，λ0=2n0Λ≈λx≈λy是光纤光栅的布拉格波长，ωb=2πfb。

根据光栅Bragg方程λB=2neffΛ（neff为纤芯有效折射率，Λ为光栅周期），当外界温度改变时，FBG的中心波长变化如下［17］：

其中，α为热膨胀系数，β为热光系数。

当外界环境温度变化作用于光纤DBR激光传感器上时，光纤的双折射率会产生相应的改变，从而导致输出激光的双偏振模式发生改变，相应的拍频变化为：

因此，通过测量DBR光纤激光传感器拍频输出的改变，可以测得温度的变化

1.2超声测量原理

将DBR光纤激光传感器置于超声场中，声压导致两个偏振模的相速度发生改变，影响两个偏振模式输出的近简并度，输出的光信号经光电探测器，由下式所示［18］：

其中，ωb是拍频信号的频率，kf是超声调制灵敏度，与光纤x和y轴的应变张量有关，δ（t）是拍频信号的瞬时频率变化，表达式如下：

Ui，ωi，ψi，i=1，2…，n三个常数分别是超声波的幅度，频率和相位。对于本文只测量一种超声模式，且假设声场为弱调制，将上式代入，式（4）可以被表示成如下：

其中，Mf1=U1kf/ω1是调制指数。式（6）表明，当DBR光纤激光器测量超声信号时，输出的拍频信号会在超声调制下，两侧各产生一个边带，边带信号的位置和幅度随声压的频率和强度而变化。因此，通过DBR光纤激光器产生拍频信号的边带调制，可以测得超声信息。

1.3超声和温度双参数测量

如图1所示，超声与温度双参量调制下，DBR光纤激光传感器输出频谱的示意图。图1中，温度为T1和T2时输出的频谱，分别由实线和虚线表示。当超声信号作用在传感器上时，DBR光纤传感器以拍频ωb作为载波，以超声信号为调制信号进行调频。由图1可以看出，对于DBR光纤激光器的输出频谱，超声可以产生调频信号，温度可以导致输出频谱的整体偏移Δωb，实现超声和温度的同时测量。

图1　超声和温度双参量测量示意图

2　实验装置及结果分析

2.1实验装置

实验装置如图2所示，DBR光纤激光传感器由一对光纤布拉格光栅，和位于光栅中间的掺铒光纤组成。两个光纤光栅采用193 nm ArF准分子激光器，通过相位掩模技术刻入，长度分别是20mm和15mm，反射率分别是30 dB和20 dB，光栅之间谐振腔长度是12mm。DBR光纤传感器，超声信号源和温度控制探头置于充满蒸馏水的水槽中。温度控制探头灵敏度0.1℃，可以严格控制实验时的不同温度，提供温度测试环境。DBR光纤激光传感器置于一个可调节的树脂夹具上，超声信源换能器的直径尺寸6mm，作用距离在20mm范围内可调，置于DBR传感器的正上方，连接至信号发生器产生不同频率的超声信号。

如图2所示，980nm半导体激光器通过980/1 550 nm波分复用器，泵浦DBR光纤激光传感器产生双偏振激光载波信号，从反射率较低的FBG一端输出至波分复用器的1 550 nm端口，经光隔离器到偏振控制器、偏振片使得两个偏振模的方向一致，再到光电探测器产生拍频信号，将探测信号显示在射频频谱分析仪上。

图2　实验装置示意图

2.2温度测量

实验过程中，首先调节温度控制器，使水槽温度从常温开始逐渐增加，每隔大约5℃记录一次，先后控制水槽温度为25.5℃，34.9℃，39.8℃，44.5℃和50.1℃，分别记录每一种温度条件下，DBR光纤激光传感器的频谱输出，得到一组拍频频率随温度变化的曲线，如图3所示。

从图3中可以看出，对应上述温度变化，DBR光纤激光传感器的拍频输出分别为443.26 MHz、443.41 MHz、444.13 MHz、444.71 MHz、和 445.73 MHz。这表明，随着温度的增加，DBR光纤激光传感器输出的两个正交偏振模式的频差变大，外差拍频的频率值随温度的增加逐渐增大。

图3　拍频的温度变化曲线

2.3超声测量

保持温度不变（34.9℃）情况下，图4为5 MHz～10 MHz超声信号作用在DBR光纤激光传感器，由射频频谱分析仪记录的拍频频谱。

图4　5MHz和7 MHz超声信号的拍频频谱

从图4可以看出，由于温度保持稳定，DBR光纤激光传感器的拍频信号稳定在443.41 MHz。其两边的边带信号分别代表拍频信号在5 MHz～10 MHz的超声信号，边带信号距离中心拍频的相对位置表示超声频率的大小，边带信号的幅度表示超声信号强度。说明在MHz频率下，DBR光纤激光传感器具有较宽的带宽测量范围，测量性能良好。在5 MHz超声信号调制下，DBR光纤激光传感器在拍频信号两边438.26 MHz和448.26 MHz的位置各产生一个边带信号；在7 MHz超声信号调制下，DBR光纤激光传感器在拍频两边436.09 MHz和450.14 MHz的位置各产生一个边带信号。表明随着超声信号频率的增加，边带信号离中心拍频越远，因此，通过对边带信号频率的分析，可以测得超声信号的信息。

用功率密度（μW/cm2）来衡量超声强度大小，超声换能器输出功率密度和驱动电压平方成正比，表1所示为10 MHz超声信号在不同驱动电压下的功率密度。

表1　1 V～10 V驱动电压下的10 MHz超声信号功率密度响应

为了量化分析测量的超声功率密度，调节驱动电压从10 V开始以1 V间隔逐渐降低，探测不同驱动电压下拍频调制信号，如图5所示为超声频率在10 MHz时，1 V～10 V驱动电压下，RF频谱分析仪测得的拍频频谱。随着驱动电压的递减，调制信号幅度随着功率密度的减小而降低。

图5　10 MHz超声信号在1 V～10 V驱动电压下频谱

2.4双参数测量

根据上面的分析，可以看出DBR光纤激光传感器可以同时测量超声信号和温度两个参量，并且两者不会相互影响。对于温度参量，通过拍频信号频率的整体偏移测得；对于超声信号则可以通过拍频频谱的边带信号测得。

图6对5 MHz和7 MHz超声信号分别挑选4组频谱，进行了温度变化的对比实验。从图6中可以清晰的看出，5 MHz和7 MHz的超声信息由边带调制来测量。同时，随温度的增加，拍频及边带信号的频谱整体向右偏移，表明DBR光纤激光传感器在超声测量的同时，能准确反映测量环境温度信息的变化。

图7所示为5 MHz、7 MHz超声信号调制下频谱偏移随温度变化的趋势，温度灵敏度分别是0.115 MHz/℃，0.133MHz/℃。超声信号在10MHz以内DBR光纤激光传感器温度灵敏度的均值是0.116MHz/℃。

图6　5 MHz、7 MHz超声信号下不同温度的拍频频谱

图7　5 MHz、7 MHz超声信号下拍频温度变化曲线

首先，从图7可以看出，随着温度的增大，拍频频率逐渐增大，呈线性变化趋势。且当超声信号变化时，拍频的温度灵敏度变化微小，在不同超声作用下，可以看出拍频点在一个很窄的线性带中浮动，说明超声对温度测量的影响很小，DBR光纤激光传感器测量温度的性能稳定，当用DBR光纤激光传感器测量温度和超声时，不需要考虑两者之间的交叉敏感问题。

3　总结

本文研究了DBR光纤激光传感器同时测量超声和温度的双参量测量能力，文中对DBR光纤传感器开展的温度测量实验、超声测量实验以及超声温度共同作用实验。实验得出，DBR光纤激光传感器不仅能够实现温度与超声同时准确测量，还可以有效避免在超声测量过程中的温度交叉敏感问题。

DBR光纤激光传感器通过拍频调制和频谱偏移的测量方式，还可以扩展应用到温度和其他物理量的测量中，以消除温度带来的交叉敏感问题。

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刘影（1993-），女，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器及测量技术，liuyingmc@tju.edu.cn；

吕辰刚（1978-），男，天津人，博士，天津大学电子信息工程学院副教授，主要研究光学传感器件及系统，物联网技术，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

项目来源：国家自然科学基金项目（61205075）

2016-04-18修改日期：2016-06-13