[发明专利]一种光纤EFPI超声波传感器

说明书

本发明公开了一种光纤EFPI超声波传感器，包括传感器头单元和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套，该传感器头单元设置在该传感器护套内部，所述传感器头单元包括毛细管以及一部分设置在毛细管内的光纤和用于固定光纤的套头支架，在所述毛细管的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片，该膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里‑帕罗腔，该光纤的前端面构成该法布里‑帕罗腔的第一个反射面，该膜片的内表面构成该法布里‑帕罗腔的第二个反射面。该光纤EFPI超声波传感器可实现对超声波信号的高效响应和采集，具有很高的灵敏度和测量精度。

技术领域

本发明涉及光纤超声波传感器技术领域，特别涉及一种温度自补偿型基于光纤EFPI(extrinsic Fabry－Perot interferometer，外腔式法布里－帕罗干涉型传感器)技术的超声波传感器。该传感器可以用于在液体中采集超声波信号，用于监测超声波信号的频率和强度等信息，并具有适应环境温度变化，法布里－帕罗(简称F－P)腔能够不受环境温度变化的影响自动调节保持腔长恒定的优异特性。

背景技术

目前国内外工业设备用超声波信号监测有多种方法，压电超声法检测法是最普及的方法，但传感器是贴在设备外壳上的，其检测设备内部的超声波信号，不易受到电磁噪声的干扰，但灵敏度不高。也有将压电传感器放置在设备外壳的内部，在液体中检测超声波信号的，但由于压电超声传感器在液体中检测灵敏度也不高，同时不能放在强电场中，或带高电压部位处进行测量，使其检测方法受到限制。

光纤EFPI传感器通常由光纤端面和膜片端面构成F－P微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，使得F－P腔腔长发生变化，从而实现传感。EFPI传感器具有体积小、损耗低、干扰小、绝缘性能好和防燃防腐蚀的优点而具有广泛的应用前景。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年Juncheng Xu等利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤瑞面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里－帕罗超声波传器感；2006年Xiaodong Wang等在500微米厚的Pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里－帕罗腔；2006年王鸣等利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里－帕罗腔。2012年江俊峰等提出了无胶封装的制作EFPI传感器和制作方法。

目前研究的光纤EFPI传感器，主要用于温度、应变、应力等缓变量的测量，尚不适合超声波信号检测。用于超声波的检测，要求光纤传感器F－P腔的长度固定在极精确的合适位置处，并且要求膜片能够实现高频快速的弹性振动。并且已有的EFPI传感器结构有温度敏感性，用于超声波检测当工作环境温度发生变化时，会发生严重的温度漂移现象，造成测量结果不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光纤EFPI超声波传感器，可实现对超声波信号的高效响应和采集，对超声波信号有很高的灵敏度和测量精度，测量结果的线性度好，能适用于多种工业设备的超声波信号监测，并可广泛应用于多领域的油中或水下超声波信号检测。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：本发明涉及的光纤EFPI超声波传感器包括传感器头单元和传感器体单元，所述传感器体单元包括传感器护套，该传感器头单元设置在该传感器护套内部，所述传感器头单元包括毛细管以及一部分设置在毛细管内的光纤和用于固定光纤的套头支架，在所述毛细管的一端上还设置有用于感测超声波振动的膜片，该膜片的内表面、光纤的前端面以及毛细管的内表面共同界定形成一个法布里－帕罗腔，该光纤的前端面构成该法布里－帕罗腔的第一个反射面，该膜片的内表面构成该法布里－帕罗腔的第二个反射面。

优选的，所述膜片的材料是石英或单晶硅片，该膜片的厚度为l0μm～100μm。