一種高方向靈敏度光纖F-P超聲傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

單 寧

（武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，西安 710086）

一種高方向靈敏度光纖F-P超聲傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

單 寧*

（武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，西安 710086）

針對(duì)光纖F-P超聲傳感器工作點(diǎn)易偏離問題，設(shè)計(jì)了基于雙波長穩(wěn)定技術(shù)的低細(xì)度光纖F-P傳感系統(tǒng)，建立了雙波長光纖F-P傳感系統(tǒng)的DE算法數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一高正交精度光纖F-P傳感系統(tǒng)，建立基于該傳感器的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了該傳感器探測(cè)超聲信號(hào)的有效性和方向靈敏度。結(jié)果表明，該傳感器可以有效檢測(cè)試樣中激發(fā)出的超聲表面波信號(hào)。激發(fā)源與傳感器軸向夾角為0°時(shí)，表面波幅值最大。隨著激發(fā)源與傳感器軸向夾角增大，表面波幅值降低。激發(fā)源與傳感器軸線垂直時(shí)，幅值下降達(dá)80%，說明該傳感器有很強(qiáng)的方向性。

光纖；F-P傳感器；微分進(jìn)化算法；激光超聲；表面波

激光超聲技術(shù)具有激發(fā)效率高、衰減小、快速、精確和易于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是無損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-3］。與傳統(tǒng)的超聲探測(cè)裝置相比，光纖傳感器靈敏度高、抗電磁干擾、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、頻響高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景［4-5］。光纖Fabry-Perot（F-P）傳感器在實(shí)際超聲探測(cè)中，由于加工誤差和外界環(huán)境因素影響，常會(huì)引起F-P腔初始腔長的變化，易偏離工作點(diǎn)，造成輸出信號(hào)衰減，信噪比降低。針對(duì)這一問題，傳感器的光源須選擇超穩(wěn)定可調(diào)諧激光光源［6］，但是其成本太高，對(duì)干擾敏感。雙波長穩(wěn)定技術(shù)［7］是通過合理設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)兩路輸出光的波長，使兩路輸出信號(hào)處于正交狀態(tài)，以保證傳感器工作點(diǎn)處于最大靈敏區(qū)，該方法容易實(shí)現(xiàn)，且操作簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的雙波長穩(wěn)定技術(shù)，兩路輸出光的波長是通過近似方法［8-9］得到的，導(dǎo)致輸出信號(hào)正交精度低，難以實(shí)現(xiàn)雙波長的穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一雙波長光纖F-P超聲傳感系統(tǒng)，建立其結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用DE算法對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)制作了一高正交精度光纖F-P超聲傳感系統(tǒng)，建立基于該傳感系統(tǒng)的激光超聲探測(cè)裝置，研究了該傳感器的方向靈敏特性。

1 系統(tǒng)工作原理及優(yōu)化模型建立

如圖1示，傳感系統(tǒng)由ASE寬帶光源、1×2光纖耦合器（50∶50）、1×2波分復(fù)用器（1×2DWDM）、兩路光電檢測(cè)器及F-P傳感器組成。其中傳感頭為一低細(xì)度非本征光纖F-P腔，由兩段端部拋光的單模光纖同軸對(duì)齊，通過CO2激光器熔接在毛細(xì)管玻璃中，端面反射率約為4%，反射光纖背端作毛化處理以消除反射光干擾。

圖1 傳感系統(tǒng)示意圖

光源輸出具有一定波長范圍的光波，光纖耦合器將光波分光后經(jīng)傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)紽-P腔，被信號(hào)調(diào)制后，攜帶外界信息的干涉光再次通過光纖耦合器傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用器，波分復(fù)用器按設(shè)定的波長濾出兩路光波，輸出兩路正交光信號(hào)，然后經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在兩路輸出光近似為單色光條件下，與中心波長對(duì)應(yīng)的兩路輸出光的相位差Δθ為

式中：d為F-P腔的腔長；λ1、λ2分別為兩路輸出光的波長；n為F-P腔光纖的折射率。

由式（1）可以看出，為了使兩路輸出光滿足正交，只需兩路輸出光的相位差等于π/2。為此建立優(yōu)化模型

式中：X（j）o、X（j）l分別為第j個(gè)設(shè)計(jì)變量的下邊界和上邊界；gu（X）為約束函數(shù)，有

微分進(jìn)化算法DE（Differential Evolution Algorithm）算法全局搜索能力強(qiáng)，魯棒性好，收斂速度快，能更為簡(jiǎn)單、有效的解決復(fù)雜優(yōu)化問題［10-11］，得到了廣泛應(yīng)用。其基本思想是：先確定初始化種群個(gè)體數(shù)目和優(yōu)化搜索的范圍，產(chǎn)生初始化種群，然后對(duì)種群中的每個(gè)個(gè)體從當(dāng)前種群中隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，以其中一個(gè)點(diǎn)為基礎(chǔ)、其他兩個(gè)點(diǎn)為參照做一個(gè)擾動(dòng)，所得點(diǎn)與這個(gè)個(gè)體交叉后進(jìn)行選擇，保留較優(yōu)者，實(shí)現(xiàn)種群的優(yōu)化，重復(fù)選擇過程，直到滿足精度要求。但是DE算法一般用于求解無約束規(guī)劃，故采用罰函數(shù)把式（2）轉(zhuǎn)化為無約束規(guī)劃

式中：t為進(jìn)化代數(shù)，T（t）=0.1（t+1）+T（t）為懲罰因子；罰函數(shù)

2 傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文傳感系統(tǒng)光源的波長范圍為1 525 nm～1 610 nm，假設(shè) F-P腔設(shè)計(jì)要求的長度范圍為15 μm～50 μm。采用DE算法傳感系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置分別為：種群規(guī)模N=30；變異因子F= 0.5；雜交概率Pc=0.5，懲罰因子初值T（0）=5，誤差e=10-3，與近似方法［8-9］進(jìn)行比較，結(jié)果如表1示。

表1 結(jié)果對(duì)比

當(dāng)腔長變化為0～3 000 nm時(shí)，文獻(xiàn)［8-9］與DE算法設(shè)計(jì)的兩路輸出光正交誤差如圖2所示。

根據(jù)實(shí)際加工精度，腔長取值為d=20 500 nm；根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）制定的密集波分復(fù)用器濾波波長選取標(biāo)準(zhǔn)，取λ1=1 559.39 nm，λ2=1 574.46 nm。

圖2 3種結(jié)果正交誤差對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

光纖F-P超聲探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。由調(diào)Q-Nd：YAG激光器產(chǎn)生的波長為1.06 μm，脈沖寬度為15 ns，最大能量為120 mJ/Pulse的激光脈沖經(jīng)透鏡聚焦后入射到試樣表面，激發(fā)出超聲波，超聲信號(hào)由試樣表面粘貼的光纖F-P傳感器接收，經(jīng)傳感系統(tǒng)調(diào)制、轉(zhuǎn)換后進(jìn)入信號(hào)處理單元。放大處理后送到TDS220雙通道數(shù)字式示波器進(jìn)行采集，并保存數(shù)據(jù)。

圖3 光纖F-P超聲探測(cè)裝置

實(shí)驗(yàn)中選用的鋁試樣尺寸為100 mm×100 mm× 10 mm。傳感器和激發(fā)源在試樣表面同側(cè)，設(shè)F-P探頭軸向和縱向之間90°均勻分為15°每格的6等份，圖4為激發(fā)源中心與光纖F-P傳感器中心連線和探頭縱向之間的夾角。

當(dāng)激發(fā)源中心距傳感器中心位置22 mm，激光單脈沖能量為90 mJ時(shí)，將PZT壓電傳感器粘貼在試樣表面時(shí)，探測(cè)到的聲表面波如圖5所示。令FP探頭中心與PZT壓電傳感器中心重合粘貼，圖6為激發(fā)源位置改變時(shí)探測(cè)到的表面波。由圖5、圖6可以看出設(shè)計(jì)的光纖F-P傳感器能有效探測(cè)聲表面波。由圖6可以看出，隨著激發(fā)源與傳感器軸向夾角的增大，表面波幅值逐漸降低，將表面波的峰峰值取絕對(duì)值相加后，可得變化曲線如圖7所示。

4 結(jié)論

光纖F-P超聲傳感器在實(shí)際應(yīng)用中受環(huán)境干擾，易偏離工作點(diǎn)，造成信號(hào)衰減、失真現(xiàn)象，故通常采用雙波長穩(wěn)定技術(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)。而傳統(tǒng)雙波長技術(shù)正交精度低，難以體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了基于雙波長穩(wěn)定技術(shù)的低細(xì)度光纖F-P傳感系統(tǒng)，建立了雙波長光纖F-P傳感系統(tǒng)的DE算法數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一高正交精度光纖F-P傳感系統(tǒng)，建立基于該傳感器的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)。圖5、圖6所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器可以有效檢測(cè)試樣中激發(fā)出的超聲表面波信號(hào)。圖6、圖7表明，當(dāng)激發(fā)源與傳感器軸向夾角為0°時(shí)，表面波幅值最大，隨著激發(fā)源與傳感器軸向夾角增大，表面波幅值逐漸減小；當(dāng)激發(fā)源與傳感器軸線夾角為90°時(shí)，幅值下降達(dá)80%，說明該傳感器有很強(qiáng)的方向性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量保持激光源與F-P探頭軸向在一直線，以使超聲信號(hào)獲得較大靈敏度。

圖7 表面波幅值隨夾角變化曲線

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單 寧（1980-），男，漢族，山東省東明縣人，博士（博士后經(jīng)歷），武警工程大學(xué)副教授，研究方向?yàn)榧す獬暀z測(cè)技術(shù)及傳感器設(shè)計(jì)，ssnn3193@163.com。

Design and Research of an Optical Fiber F-P Ultrasound Sensor with High Directivity Sensitivity*

SHAN Ning*
（Equipment Engineering College，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086，China）

Optical fiber F-P ultrasound sensor deviates from working point easily in practical applications.The system of low fineness optical fiber F-P sensor is designed based on the technique of dual wavelength stabilization.A dual wavelength optical fiber F-P sensing system mathematical model of DE algorithm is set up.The sensing system with higher quadrature precision is optimized and designed.Laser ultrasound detection system is established based on the sensor.Experimental research on the effectiveness of the sensor to detect ultrasonic signal sensitivity and direction is processed.The results show this sensor can detect ultrasound surface wave signals availably.The amplitude of surface wave is the biggest when the angle between laser source and sensor's axial direction is zero degree. And the amplitude of surface wave decreases along with increasing the angle between laser source and sensor's axial direction.The amplitude descends 80%when the angle between laser source and sensor's axial direction is ninety degree.These demonstrate that the sensor has sensitive directivity.

optical fibers；Fabry-Perot interferometers；differential evolution algorithm；laser ultrasound；surface wave EEACC：7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.006

TN253

A

1004-1699（2015）04-0487-05

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305458）

2014-10-09 修改日期：2015-01-17