一种全光纤超声波声强测量装置.pdf

本发明提供一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，包括激光发射单元、光纤隔离单元、光纤耦合单元、声强探测单元、光电探测单元以及信号处理单元。其中，声强探测单元包括一段单模光纤，具有垂直于该单模光纤轴向的平滑端面；光纤耦合单元的第一端口与光纤隔离单元连接，第二端口与单模光纤连接，第三端口与光电探测单元连接。激光在单模光纤的平滑端面上发生费涅尔反射并产生返回光，其强度与单模光纤所处声场中的声强具有对应关系，利用已知超声波对装置进行标定后即可用于测量未知超声波。本发明提供的装置动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰，并且构造简单明了，易于制造及使用。

1.一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，其特征在于，包
括：
激光发射单元，用于产生激光；
光纤隔离单元，通过光纤与所述激光发射单元连接，用于传输所述激光发射单元产生
的激光；
光纤耦合单元，至少具有第一端口、第二端口及第三端口，所述第一端口通过光纤与所
述光纤隔离单元连接，所述光纤隔离单元传输的激光经所述第一端口传入所述光纤耦合单
元，并通过所述第二端口传输出去；
声强探测单元，包括一段单模光纤，该单模光纤的一端与所述光纤耦合单元的第二端
口连接，接收所述第二端口传输来的激光，另一端为探测端，具有与所述单模光纤轴向垂直
的平滑端面，所述激光在所述单模光纤中传输，并在该平滑端面上发生费涅尔反射并产生
返回光，该返回光通过所述第二端口传回所述光纤耦合单元，并经所述第三端口传输出去；
光电探测单元，与所述光纤耦合单元的第三端口连接，用于接收所述返回光，并将光信
号转变为电信号输送出去；
信号处理单元，与所述光电探测单元连接，接收所述光电探测单元输送来的电信号并
对该电信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述激光发射单元为PIN型光电二极管、光电池或光电倍增管。
3.根据权利要求1所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述光纤隔离单元为光纤隔离器。
4.根据权利要求1所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述光纤耦合单元为光纤耦合器。
5.根据权利要求4所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述光纤耦合器的耦合方式为1×2或2×2。
6.根据权利要求1所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述光电探测单元为光电检测器。
7.根据权利要求1所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述声强探测单元还包括一个夹具，用于夹持所述单模光纤的探测端。
8.根据权利要求7所述的全光纤超声波声强测量装置，其特征在于：
其中，所述夹具为可拆卸式夹具。

一种全光纤超声波声强测量装置

技术领域

本发明涉及一种超声波声强测量装置，尤其涉及一种全光纤超声波声强测量装
置。

背景技术

随着科技发展，超声波技术在机械、电子、航空、化工及医疗等领域的应用越来越
广泛，如测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

在超声波技术的应用过程中，声强是一个十分重要的参数，其测量对超声换能器
的研制及超声波的应用有非常重要的作用。例如，在超声清洗设备的制造及调试过程中，需
要检测超声换能器是否工作在最佳谐振点上，传统方法是观察清洗槽中清洗液的波纹大
小，这种方法虽然直观，但不够准确，也无法量化。

现有的超声波声强的测量方法主要有如下几类：1、力学法，该类方法的主要原理
是，声波对于接收表面可产生作用力，导致接收表面产生位移，通过测量位移的大小即可反
推出声波的声强；2、电学法，该类方法的原理是利用压电水听器测量声场的声压，从而测量
得到声波的声强(参见专利“水处理中超声声强检测与控制方法”中公开的内容，公开号为
CN102249367B)；3、压差法，该类方法的原理是利用探针感应超声波的声压作用，并将探针
与一只U型管相连，根据U型管内液面高度差推算得出声强；4、光学法，该类方法利用超声驻
波对入射光的衍射作用，根据衍射角度得到声波的声强(参见专利“一种测量超声波声压和
声强的光学方法和装置及其应用”中公开的内容，公开号为CN105352583A)。

上述超声波声强的测量方法中，基于电磁学原理的声强测量方法及装置易受电磁
干扰，抗冲击性能较差。基于光学原理的声强测量方法及装置具有动态范围广、灵敏度高、
不受电磁干扰等优点，具有良好的应用前景。

现有的基于光学原理的声强测量方法多基于光学干涉原理，而基于光强测量的声
强测量装置及方法则未有报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种全光纤超声波声强测量装置，用于对超声波的声强进行测量，其
特征在于，包括：激光发射单元，用于产生激光；光纤隔离单元，通过光纤与激光发射单元连
接，用于传输激光发射单元产生的激光；光纤耦合单元，至少具有第一端口、第二端口及第
三端口，第一端口通过光纤与光纤隔离单元连接，光纤隔离单元传输的激光经第一端口传
入光纤耦合单元，并通过第二端口传输出去；声强探测单元，包括一段单模光纤，该单模光
纤的一端与光纤耦合单元的第二端口连接，接收第二端口传输来的激光，另一端为探测端，
具有与单模光纤轴向垂直的平滑端面，激光在单模光纤中传输，并在该平滑端面上发生费
涅尔反射并产生返回光，该返回光通过第二端口传回光纤耦合单元，并经第三端口传输出
去；光电探测单元，与光纤耦合单元的第三端口连接，用于接收返回光，并将光信号转变为
电信号输送出去；信号处理单元，与光电探测单元连接，接收光电探测单元输送来的电信号
并对该电信号进行处理。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，激光发射单元为PIN型光电二极管、光电池或光电倍增管。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，光纤隔离单元为光纤隔离器。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，光纤耦合单元为光纤耦合器。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，光纤耦合器的耦合方式为1×2或2×2。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，光电探测单元为光电检测器。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，声强探测单元还包括一个夹具，用于夹持单模光纤的探测端。

进一步地，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，还可以具有如下技术特征：
其中，夹具为可拆卸式夹具。

发明作用与效果

根据本发明提供的全光纤超声波声强测量装置，由于其声强探测单元具有一段单
模光纤，该光纤的探测端具有与单模光纤轴向垂直的平滑端面，激光在该端面发生费涅尔
反射，产生返回光且该返回光的衰减较小。返回光的光强与探测端所处的声场中超声波的
声强具有对应关系，因此，通过对该返回光的光强进行测量并对测量得到的数据进行分析，
即可得到待测超声波的声强。本发明提供的装置具有动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰
等优点，并且其中各个部件之间均通过光纤连接，构造简单明了，易于制造和使用。

附图说明

图1是本发明提供的全光纤超声波声强测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。

实施例

图1为本发明提供的全光纤超声波声强测量装置的结构示意图。

如图1所示，本发明提供的全光纤超声波声强测量装置(以下简称测量装置)10包
括激光发射单元1、光纤隔离单元2、光纤耦合单元3、声强探测单元4、光电探测单元5以及信
号处理单元6，其中，声强探测单元4包括一段单模光纤，该单模光纤的一端为探测端，具有
通过切割形成的与该单模光纤轴向垂直的光滑端面，另一端为连接端。

如图1所示，激光发射单元1与光纤隔离单元2连接，光纤耦合单元3具有三个端口，
分别为第一端口31，第二端口32，第三端口33。其中，第一端口31与光纤隔离单元2通过光纤
连接，第三端口33与光电探测单元5通过光纤连接，第二端口32与声强探测单元4中的单模
光纤的连接端直接连接。

在本实施例中，激光发射单元1为PIN型激光器，光纤隔离单元2为光纤隔离器，光
电探测单元5为光电检测器；光纤耦合单元3为光纤耦合器，耦合方式为1×2。

此外，该单模光纤的探测端被可拆卸夹具(图中未示出)夹持，使该单模光纤可以
被从该可拆卸夹具中卸下，或连同该可拆卸夹具被从全光纤超声波声强测量装置10上卸
下。

以下结合附图及实施例，说明本发明提供的全光纤超声波声强测量装置的测量过
程及原理。

首先将声强探测单元4的单模光纤伸入超声波的声场中，使该单模光纤的探测端
完全处于声场的介质中。打开激光发射单元1，该激光发射单元1产生并输出激光，该激光传
入光纤隔离单元2，再从光纤耦合单元3的第一端口31传入该光纤耦合单元3，随后从第二端
口32传至声强探测单元4中的单模光纤，并在该单模光纤的探测端端面发生费涅尔反射，产
生反射光，该反射光即为返回光。该返回光随后沿单模光纤传回至光纤耦合单元3，并从第
三端口33传至光电探测单元5。

此时，光电探测单元5检测到一定的光强信号，并将其转化为电信号输出至信号处
理单元6；该电信号与探测端返回光的光强信号相对应。

激光在探测端端面的反射率如下式(1)所示：

$R={\left(\frac{n_1-n_0}{n_1+n_0}\right)}^2---\left(1\right)$

其中，n1是光纤芯的折射率，n0是声场中的介质(如水或空气)的折射率。

当声场中有一定强度的超声波时，介质受超声波振荡的影响产生密度变化，其折
射率因而发生改变。将超声波记为i·cos2πft，其中，i是超声波强度，f是超声波频率，t是
时间；由于介质的折射率变化呈现与超声波的频率相对应的周期性，因此介质的折射率的
变化量可以记为Δn·cos2πft，其中Δn为折射率的最大变化量。因此，介质的折射率为n0+
Δn·cos2πft。

将到达单模光纤的探测端端面的激光光强记为P0，光电探测单元5所输出的电信
号强度记为u，则u的计算式如下述式(2)所示：

$u=\frac{{\mathrm{\ρkP}}_0}{{(n_1+n_0+\mathrm{\Δ}n\·cos2\mathrm{\π}ft)}^2}{(n_1-n_0-\mathrm{\Δ}n\·cos2\mathrm{\π}ft)}^2---\left(2\right)$

其中，ρ是光电探测单元5的灵敏度，k是光纤耦合单元3的交叉耦合比。考虑到Δn
＜＜n0，式(2)可以化简为：

$u\≈\frac{{\mathrm{\ρkP}}_0}{{(n_1+n_0)}^2}{(n_1-n_0-\mathrm{\Δ}n\·cos2\mathrm{\π}ft)}^2---\left(3\right)$

忽略Δn的二阶小量，式(3)可以进一步化简为：

$u\≈\frac{{\mathrm{\ρkP}}_0}{{(n_1+n_0)}^2}\[{(n_1-n_0)}^2-2(n_1-n_0)\·\mathrm{\Δ}n\·cos2\mathrm{\π}ft)\]---\left(4\right)$

由式(4)可知，在测量装置10制造完成后，ρ、k、P0、n1是定值；对于同一种介质，n0也
是定值。因此，u与Δn·cos2πft成正比。此外，由于介质的折射率变化是受超声波影响产生
的，Δn与超声波强度i也存在一一对应的关系。

通过标定法，在某一种介质中，利用一系列强度已知的超声波对测量装置10进行
标定后，即可用测试装置10对同一种介质中的声强未知的超声波进行测量，得到未知超声
波的声强。

利用本发明提供的测量装置10对声强进行测量的具体步骤为：

步骤一，测量声场中的介质的折射率n0。由式(4)可知，当声场中不存在超声波，即
超声波的强度i＝0时，Δn＝0。在待测超声波所处声场中的介质确定的情况下，在该声场中
超声波强度为零时，用装置10进行测量，光电探测单元5得到的电信号u；利用信号处理单元
6，将该u的数值代入式(4)进行求解，即可计算得到n0的具体数值。

步骤二，对测量装置10进行标定。采用测量装置10对上述介质中，声强不同的n个
超声波进行检测，该n个超声波的声强i均已知，分别为i1，i2，……in；通过测量，得到一系列
光电探测单元5输出的电信号u，记为u1，u2，……un。利用信号处理单元6进行计算，即可得到
与n个超声波对应的一系列Δn，即Δn1，Δn2，……Δnn。将上述一系列声强i、电信号u及Δn
的数据储存在信号处理单元6中，利用信号处理单元6进行拟合计算，即可得到Δn与声强i
的对应关系。

步骤三，对待测超声波进行测量。采用标定后的测量装置10对声强未知的待测超
声波进行测量，可得到该待测超声波所对应的电信号ux，通过信号处理单元6对该电信号ux
进行处理，计算得出待测超声波的Δnx后，即可根据步骤二中的对应关系计算得到该待测
超声波的声强ix。

此外，由于式(4)中光强交流信号频率与超声波频率f相同，因此可以通过信号处
理单元6对光强信号频率检测得到待测超声波的频率fx，并将待测超声波的声强ix以及频率
fx作为检测结果一起输出。

根据上述一系列探测端返回光的光功率以及对应的超声波的声强数值，利用信号
处理单元6拟合得到声强i与电信号u的关系，即可对测量装置10实现标定；采用标定后的测
量装置10对声强未知的待测超声波进行测量，可得到该待测超声波所对应的电信号ux，通
过信号处理单元6对该电信号ux进行处理及计算，即可得到该待测超声波的声强ix，此外还
可以根据光强交流信号频率得到待测超声波的频率fx。

实施例作用与效果

本实施例提供的测量装置，由于其原理是基于单模光纤的探测端返回光的光强来
实现待测超声波的测量，因此与基于光学干涉原理的探测装置相比，信号处理方法更加简
单；同时各个部件之间均通过光纤进行连接，装置的整体构造简单明了，易于制造及使用。

通过对一系列已知超声波的测量，可以对测量装置进行标定，根据一系列标定值，
即可通过对待测超声波进行测量来得到其声强；由于探测端的端面平滑并且与单模光纤的
轴向垂直，因此反射光衰减小，光电检测单元检测到的信号强度好，测量装置的灵敏度高；
此外，根据光强交流信号频率还可得到待测超声波的频率。因此，本实施例提供的测量装置
具有动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰、能够同时得出待测超声波的声强及频率的优
点。

此外，单模光纤本身具有较强的抗冲击能力，因此不易损坏，可实现多次测量；并
且，即使该单模光纤的端面损坏，也可以通过可拆卸夹具将其卸下，将损坏的部分截断，重
新进行切割，产生新的与单模光纤垂直的平滑端面后即可再次使用。

上述实施例仅用于说明本发明的实施方式，并非用于限制本发明的保护范围。对
本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的
精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在本发明的保
护之列。