超声脉冲导入光纤光栅的动态光谱特性研究

李 佳,刘 锋,李 红,周 锋

(1.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京 100192;2.北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室,北京 100016)

1 引 言

超声波是指频率高于20 kHz在连续介质中传播的应力波,根据时域上连续与否可分为连续波和脉冲波。超声波以连续波的形式与光纤布拉格光栅(FBG)相互作用的研究已用于声波的检测[1-2],水听器[3],结构无损探伤[4-5],声源定位[6],其原理是将FBG作为传感器,利用FBG体积小、抗干扰的特点代替传统的压电器件感知介质中连续超声波信号[7],已经得到各国学者的广泛关注和研究。但传统研究关注超声波以连续波的形式引起FBG的响应,而超声以脉冲波的形式与FBG作用尚未见报道,缺乏超声波以脉冲波的形式与FBG作用的光谱特性研究。超声脉冲波导入FBG可用于提高波分复用的解调容量,原理是在密集分布的同参数光栅,利用超声脉冲在光纤轴向传播的特性,在时域上脉冲依次作用于光纤光栅,即在时域上给每一个光栅脉冲标记,实现同参数光栅在时域上的光谱分离,在波分复用的基础上提高解调容量。

本文提出将超声波以脉冲波的形式导入FBG,并分析超声脉冲与FBG响应的原理,搭建超声脉冲导入FBG实验装置；设计电路驱动堆栈式压电陶瓷产生压缩脉冲纵波,通过铝质锥超声聚能器放大后高效耦合进FBG。采用线阵CCD光谱成像法高速采集超声脉冲导入FBG后的反射光谱,研究其时域上的谱形变化和中心波长漂移等光谱特性。为超声脉冲与波分复用解调技术相结合提供参考。

2 超声脉冲与FBG作用机理

根据耦合模理论,光纤布拉格波长λB可以表示为[8]:

λB=2neffΛ

(1)

其微分形式为:

(2)

式中,Λ为FBG的周期;neff为光纤纤芯的有效折射率。当带宽光源入射至FBG时,只有FBG谐振波长的光被反射,形成特征峰。

超声以矩形脉冲波导入光纤,沿光纤轴向产生脉冲应力波,脉冲波传播并作用于FBG的时刻如图1(b)所示,该时刻对FBG产生两方面的影响:一是几何效应,即改变光栅周期Λ；二是弹光效应,即改变纤芯处的有效折射率neff。

图1 超声脉冲作用与FBGFig.1 Ultrasonic pulse action with FBG

当FBG长度L远小于超声脉冲波长λα时,整个光栅受到的应变分布是均匀的,弹光效应引起的折射率变化是均匀[9-10],设矩形脉冲作用FBG上的产生的轴向应变为εχ,则几何效应为:

(3)

弹光效应为:

(4)

式中,Pij为弹光系数;υ为泊松比。综合式(1)～(3),得到:

(5)

令:

2014年，原奥地利微电子（ams）正式更名为艾迈斯半导体，其主要业务是设计和制造高性能的模拟半导体产品，以创新的解决方案为客户解决难题。公司的产品旨在为那些要求极致精密、精准、灵活、灵敏以及极低功耗的应用而设。其产品包括传感器、传感器接口、电源管理芯片及无线产品，适用于消费类、工业类、医疗类、移动通信及汽车类的客户。

(6)

式中,Pe为有效弹光系数,光纤介质中Pe=0.22。结合式(1)在脉冲作用与FBG的时刻,FBG的漂移量为:

ΔλB=λB·(1-Pe)·εχ

(7)

从式(7)可以看出,当FBG长度L远小于超声脉冲波长λα,时域上:矩形脉冲作用在FBG的时刻,FBG波长发生漂移；而当脉冲向前传播,离开FBG时,FBG不受应力的作用,中心波长将恢复初始状态。

3 光谱高速采集

当超声脉冲导入FBG后,为了实时捕捉FBG反射光谱的变化规律,需要高速采集时域上连续的光谱信息。光谱采集系统如图2所示,由256个像素点的Ibsen线阵CCD解调模块,耦合器,宽带光源,以及AD转换信号处理单元。利用线阵CCD解调模块对FBG反射光进行两级衍射分光、反射、准直,完成反射光信号从频域空间域的转换,空间光的位置由波长决定,形成一定顺序的均匀光谱垂直照射于线阵InGaAs光敏感元上,实现光强值到电压值的转换[11]。线阵CCD光敏感元输出的模拟信号通过数据采集模块进行高速AD转换,并将转换后的光强数字信号以用户数据报协议(UDP)传输并储于计算机。

图2 光谱高速采集系统Fig.2 Spectral high speed acquisition system

通常FBG的反射谱的形状可以表示为高斯型曲线,其表达式为[12]:

(8)

式中,I0为反射谱的峰值反射率;λ0为反射谱的中心波长;σ0为反射谱在1/e强度处的半宽度,实际分析中,通常用反射谱的半峰全宽σFWHM代替σ0,两者之间的关系为[13]:

(9)

线阵CCD上256个InGaAa探测器输出的当前时刻每一个像素点的对应的光强值(Pi,Ii)。将得到的这一系列离散的二位数组代入公式(8)高斯模型中,通过最小化误差的平方,其表达是为[14-15]:

(10)

寻找数据的最佳函数匹配,得到FBG的反射光谱,如图3所示。

图3 高斯光谱拟合Fig.3 Gaussian spectrum fitting

本文采用基于Ibsen I-MON 256线阵CCD解调模块实现最高35 k的光谱采样速率。

4 实验装置设计

4.1 超声脉冲发生电路

本文采用栈式压电陶瓷作为脉冲产生装置,为驱动堆栈式压电陶瓷产生脉冲超声,设计一种简单的脉冲发生电路,如图4所示,该电路是以N型金属-氧化物半导体场效应管(MOS-FET)为核心,通过信号发生器输出的脉冲宽度调信(PWM)控制MOS管的通断,调节压电陶瓷的两端电压脉宽和重复周期。

图4 超声脉冲发生电路Fig.4 Ultrasonic pulse generator circuit

驱动堆栈式压电陶瓷为高电压脉冲信号,因此采用大功率高压MOSFET场效应管作为电子开关产生高压脉冲信号。在堆栈式压电陶瓷一端接入直流稳压源,另一端接到MOSFET的源极,并在堆栈式压电陶瓷两端并联上匹配电感以及快速恢复二极管。MOSFET选择FDPF51N25,该器件的耐压为250 V,导通电流最大可以到51A,导通时间仅为62 ns,导通电阻仅为60 mΩ,可以有效降低功率,提高转换效率。信号发生器输出PWM信号驱动MOSFET的栅极,同时在栅极串接保护电阻,防止静电击穿栅极。当信号发生器输出低电平时MOSFET处于关断状态,压电陶瓷两端电压相等,不振动。当输出高电平并大于MOSFET的开启电压5 V之后,MOSFET瞬间打开,压电陶瓷一端接地,一端是高压,形成高压脉冲。通过调节信号发生器的PWM信号即可得到实验所需的超声脉冲频率和脉宽。

将压电陶瓷接入到电路中,观察压电陶瓷两端的电压如图5所示,底部为压电陶瓷两端电压波形。

图5 脉冲高压信号Fig.5 Pulse high voltage signal

为减少输出电压纹波,提高转换效率,设计采用N型MOSFET与输出电感匹配的脉冲发生电路。由于减少了传统电路中的电阻和功率二极管的功率损耗,这种电路具有非常低的无功功率消耗,在保证小的静态功率的同时获得最大的转换效率。

4.2 超声换能器设计

电压脉冲信号加载到堆栈式压电陶瓷上产生垂直振动模式的超声脉冲,为保证该超声脉冲信号高效耦合进入光纤中,设计如图6所示的超声换能器,其主要由衬底、堆栈式压电陶瓷、超声聚能器三部分组成。

图6 超声换能器Fig.6 Ultrasonic transducer

为确保堆栈式压电陶瓷具有比较高的单向辐射效率,衬底通常选择声阻抗大于堆栈式压电陶瓷声阻抗的材料,本文选择刚质材料作为超声换能器的衬底。

由于堆栈式压电陶瓷产生的超声脉冲的振幅比较小,需要将振幅放大后耦合进光纤中。考虑声阻抗匹配和加工难度,本文采用圆锥形超声聚能器结构,其能有效的将机械振动位移放大并把能量集中在较小的辐射面上。同时为实现超声聚能器和光纤之间的高效耦合,两者材料之间需要满足声阻抗匹配。圆锥形超声聚能器顶端的声阻抗可以表示为:

Zr=crρrAr

(11)

5 实验与分析

图7为超声脉冲导入的FBG的光谱特性研究的实验装置图,使用的FBG中心波长为1559.35 nm,3 dB带宽为0.05 nm,光栅长度为10 mm,FBG距离脉冲源的水平距离是20 cm。

(b)实验实物图 图7 实验Fig.7 Experiment

实验采用的压缩脉冲频率为25 kHz(占空周期40 μs),重复周期为1 ms,其超声脉冲波长为200 mm,满足脉冲波长远远大于光栅长度。光谱采集系统使用30 kHz的采样频率,采样周期为33 μs。

如图8(a)中所示,压电陶瓷的脉冲电压为80 V,在时域上,当一个波长远大与光栅长度的压缩脉冲达到FBG,使光栅均匀压缩,反应在光谱上:光谱形状未发生变化,光谱向波长小的方向漂移；随着超声脉冲向前传播离开FBG后,FBG光谱恢复初始状态。如图8(b)所示,对比超声脉冲作用前后相邻3个时刻的反射光谱,矩形压缩脉冲作用前后的光谱几乎重叠,只有细微漂移,这是由于试验中压缩矩形脉冲在光纤传播过程中的应力峰值波动造成的,从图9的中心波长波动也能得到应证。

图8 FBG反射谱Fig.8 FBG reflection spectrum

如图9所示,记录时域上的中心FBG中心波长变化。超声脉冲的重复周期为1 ms,在这重复周期内CCD解调仪将采集30个点,每一个点间隔33 μs,从图9可以看出,1 ms的重复周期内,FBG的反射光谱发生一次波长漂移,当电压为80 V时漂移为171 pm。如图10所示随着电压越高,压缩脉冲的应变越高,脉冲作用时刻中心波长向较短波长方向移动,呈现成线性变小。这与理论分析一致。

图9 脉冲电压为80 V时域中心波长变化Fig.9 When the pulse voltage is 80 V,the central wavelength change in the time domain

图10 不同电压脉冲作用时刻中心波长Fig.9 The central wavelength of different voltage pulses at different moments of action

6 结 语

本文提出将超声波以矩形脉冲波的形式导入FBG,分析超声脉冲作用于FBG的机理,在此基础上,设计超声脉冲发生电路以及超声换能器,用高电压脉冲信号驱动堆栈式压电陶瓷产生沿光纤轴向的压缩脉冲,采用CCD成像法高速捕捉FBG的光谱时在域上的变化。结果表明:当FBG长度远小于超声波长时,FBG的反射光谱有效的发生搬移,只是中心波长发生漂移；随着压缩脉冲的应力增加,脉冲作用时刻中心波长向较短方向移动,呈现成线性变小,与原理分析结果相同。为超声脉冲与波分复用解调技术相结合提供参考。