基于DBR光纖激光傳感器的超聲與溫度雙參量測量研究*

劉　影，高　爽，鮑志強，張　帥，呂辰剛

（天津大學電子信息工程學院，天津300072）

基于DBR光纖激光傳感器的超聲與溫度雙參量測量研究*

劉影，高爽，鮑志強，張帥，呂辰剛*

（天津大學電子信息工程學院，天津300072）

介紹了一種基于DBR光纖激光傳感器同時測量超聲與溫度的雙參量測量方法。通過對光纖DBR激光傳感器中，由雙折射效應產(chǎn)生的兩種非簡并偏振模式拍頻的調(diào)制，同時獲得溫度與超聲的測量信息。文中首先基于DBR光纖激光傳感器偏振外差技術測量的基本理論，分析其在溫度信號調(diào)制和超聲信號調(diào)制下的測量原理。然后，設計溫度與超聲測量實驗，得到不同溫度下DBR光纖激光傳感器的頻譜輸出，以及同一溫度下（34.9℃），兩種超聲信號（5 MHz和7 MHz）的頻率調(diào)制輸出。最后，實驗論證了不同超聲信號在不同溫度下的雙參量測量輸出。本文通過理論與實驗的對比分析，表明了DBR光纖激光傳感器在超聲信號測量的同時，還可以實現(xiàn)溫度信號的測量，10 MHz以內(nèi)溫度靈敏度均值0.116 MHz/℃。

DBR光纖傳感器；雙參數(shù)測量；超聲；溫度

在光纖傳感器的研究與實際應用中，多參量的測量一直是關鍵問題之一。同時，在常見的待測環(huán)境參量中，不同參量之間的交叉敏感問題也是亟待解決的，其中以溫度的交叉敏感性最為普遍。光纖傳感器以其尺寸小、精度高、抗電磁干擾等特點，作為光纖探針在超聲測量中被廣泛研究，且存在一些特定的應用場合。需要同時獲取超聲與溫度的變化。例如：在醫(yī)學檢測中，骨結構檢測時需要在超聲治療情況下嚴格監(jiān)控溫度的變化［1］，超聲成像時皮膚組織的溫度檢測［2］，以及金屬材料處理時超聲和溫度的相互影響［3］。

目前，解決超聲與溫度共存問題的主要方案有兩種：（1）采用補償法抵消溫度特性的影響［4-6］，（2）研究復合參數(shù)的光纖傳感器，實現(xiàn)多參數(shù)測量［7-8］。Qi Wu 和Yoji Okabe［9］等人提出一種基于馬赫-曾德爾干涉儀和布拉格光柵傳感器的光纖傳感器雖然能夠同時測量溫度、應變和超聲，但是該傳感器結構復雜、成本高，并且精度不高。Fisher N E，Webb D J和Pannell C N［10］等人提出的短光纖布拉格光柵法既能測量溫度又能測量超聲，但是該方法不能同時測量溫度和超聲，只能分開測量。以上這些方法，雖然在一定程度上能解決多參量混雜測量的問題，但或精度達不到要求、或

存在測量范圍小，以及結構復雜等問題。

分布式布拉格反射 DBR（Distributed-Bragg-Reflector）光纖激光器不僅具有體積小，質(zhì)量輕，抗電磁等普通光纖傳感器的優(yōu)點外。同時，相比傳統(tǒng)光纖傳感技術如FBG、OTDR等而言，DBR光纖激光偏振外差的測量載波信號處于射頻波段，可以通過電學頻譜測量的方式進行信號解調(diào)。因此，DBR光纖激光傳感技術具有光學傳感的高精度，與電學測量的方便性的雙重優(yōu)勢，被廣泛研究于多種物理量的測量，例如：溫度、壓力、電壓、電流、電磁場和超聲［11-15］。

本文論證了基于DBR光纖激光傳感器的溫度與超聲信號同時測量方案。通過理論與實驗的對比分析，研究了不同超聲信號在不同溫度下的雙參量DBR光纖激光傳感測量輸出，表明了DBR光纖激光傳感器能夠有效的解決溫度和超聲測量的交叉敏感問題，具有雙參量測量的能力。

1　DBR光纖激光雙參數(shù)測量原理

DBR光纖激光傳感器由一對波長匹配的光纖布拉格光柵（FBG）作為諧振腔鏡，以及位于一對光柵中間的摻鉺光纖作為增益介質(zhì)組成。通過調(diào)整諧振腔的長度和兩個FBG腔鏡的折射率，DBR激光器會產(chǎn)生一束單縱模激光，由于摻鉺光纖本身以及FBG腔鏡寫入過程中引入的非簡并特性，該單縱模激光包含兩個正交的偏振模。因此，單縱模DBR光纖激光傳感器可以通過外界信號對其產(chǎn)生激光波長的調(diào)制來測量，并通過雙偏振的拍頻信息變化來解調(diào)。

1.1溫度測量原理

DBR光纖激光傳感器雙偏振外差拍頻信號，由式（1）［16］表示：

其中，C是真空光速，B=|nx-ny|是光纖雙折射率，n0≈nx≈ny是光纖平均折射率，λ0=2n0Λ≈λx≈λy是光纖光柵的布拉格波長，ωb=2πfb。

根據(jù)光柵Bragg方程λB=2neffΛ（neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵周期），當外界溫度改變時，F(xiàn)BG的中心波長變化如下［17］：

其中，α為熱膨脹系數(shù)，β為熱光系數(shù)。

當外界環(huán)境溫度變化作用于光纖DBR激光傳感器上時，光纖的雙折射率會產(chǎn)生相應的改變，從而導致輸出激光的雙偏振模式發(fā)生改變，相應的拍頻變化為：

因此，通過測量DBR光纖激光傳感器拍頻輸出的改變，可以測得溫度的變化

1.2超聲測量原理

將DBR光纖激光傳感器置于超聲場中，聲壓導致兩個偏振模的相速度發(fā)生改變，影響兩個偏振模式輸出的近簡并度，輸出的光信號經(jīng)光電探測器，由下式所示［18］：

其中，ωb是拍頻信號的頻率，kf是超聲調(diào)制靈敏度，與光纖x和y軸的應變張量有關，δ（t）是拍頻信號的瞬時頻率變化，表達式如下：

Ui，ωi，ψi，i=1，2…，n三個常數(shù)分別是超聲波的幅度，頻率和相位。對于本文只測量一種超聲模式，且假設聲場為弱調(diào)制，將上式代入，式（4）可以被表示成如下：

其中，Mf1=U1kf/ω1是調(diào)制指數(shù)。式（6）表明，當DBR光纖激光器測量超聲信號時，輸出的拍頻信號會在超聲調(diào)制下，兩側各產(chǎn)生一個邊帶，邊帶信號的位置和幅度隨聲壓的頻率和強度而變化。因此，通過DBR光纖激光器產(chǎn)生拍頻信號的邊帶調(diào)制，可以測得超聲信息。

1.3超聲和溫度雙參數(shù)測量

如圖1所示，超聲與溫度雙參量調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器輸出頻譜的示意圖。圖1中，溫度為T1和T2時輸出的頻譜，分別由實線和虛線表示。當超聲信號作用在傳感器上時，DBR光纖傳感器以拍頻ωb作為載波，以超聲信號為調(diào)制信號進行調(diào)頻。由圖1可以看出，對于DBR光纖激光器的輸出頻譜，超聲可以產(chǎn)生調(diào)頻信號，溫度可以導致輸出頻譜的整體偏移Δωb，實現(xiàn)超聲和溫度的同時測量。

圖1　超聲和溫度雙參量測量示意圖

2　實驗裝置及結果分析

2.1實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，DBR光纖激光傳感器由一對光纖布拉格光柵，和位于光柵中間的摻鉺光纖組成。兩個光纖光柵采用193 nm ArF準分子激光器，通過相位掩模技術刻入，長度分別是20mm和15mm，反射率分別是30 dB和20 dB，光柵之間諧振腔長度是12mm。DBR光纖傳感器，超聲信號源和溫度控制探頭置于充滿蒸餾水的水槽中。溫度控制探頭靈敏度0.1℃，可以嚴格控制實驗時的不同溫度，提供溫度測試環(huán)境。DBR光纖激光傳感器置于一個可調(diào)節(jié)的樹脂夾具上，超聲信源換能器的直徑尺寸6mm，作用距離在20mm范圍內(nèi)可調(diào)，置于DBR傳感器的正上方，連接至信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的超聲信號。

如圖2所示，980nm半導體激光器通過980/1 550 nm波分復用器，泵浦DBR光纖激光傳感器產(chǎn)生雙偏振激光載波信號，從反射率較低的FBG一端輸出至波分復用器的1 550 nm端口，經(jīng)光隔離器到偏振控制器、偏振片使得兩個偏振模的方向一致，再到光電探測器產(chǎn)生拍頻信號，將探測信號顯示在射頻頻譜分析儀上。

圖2　實驗裝置示意圖

2.2溫度測量

實驗過程中，首先調(diào)節(jié)溫度控制器，使水槽溫度從常溫開始逐漸增加，每隔大約5℃記錄一次，先后控制水槽溫度為25.5℃，34.9℃，39.8℃，44.5℃和50.1℃，分別記錄每一種溫度條件下，DBR光纖激光傳感器的頻譜輸出，得到一組拍頻頻率隨溫度變化的曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，對應上述溫度變化，DBR光纖激光傳感器的拍頻輸出分別為443.26 MHz、443.41 MHz、444.13 MHz、444.71 MHz、和 445.73 MHz。這表明，隨著溫度的增加，DBR光纖激光傳感器輸出的兩個正交偏振模式的頻差變大，外差拍頻的頻率值隨溫度的增加逐漸增大。

圖3　拍頻的溫度變化曲線

2.3超聲測量

保持溫度不變（34.9℃）情況下，圖4為5 MHz～10 MHz超聲信號作用在DBR光纖激光傳感器，由射頻頻譜分析儀記錄的拍頻頻譜。

圖4　5MHz和7 MHz超聲信號的拍頻頻譜

從圖4可以看出，由于溫度保持穩(wěn)定，DBR光纖激光傳感器的拍頻信號穩(wěn)定在443.41 MHz。其兩邊的邊帶信號分別代表拍頻信號在5 MHz～10 MHz的超聲信號，邊帶信號距離中心拍頻的相對位置表示超聲頻率的大小，邊帶信號的幅度表示超聲信號強度。說明在MHz頻率下，DBR光纖激光傳感器具有較寬的帶寬測量范圍，測量性能良好。在5 MHz超聲信號調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器在拍頻信號兩邊438.26 MHz和448.26 MHz的位置各產(chǎn)生一個邊帶信號；在7 MHz超聲信號調(diào)制下，DBR光纖激光傳感器在拍頻兩邊436.09 MHz和450.14 MHz的位置各產(chǎn)生一個邊帶信號。表明隨著超聲信號頻率的增加，邊帶信號離中心拍頻越遠，因此，通過對邊帶信號頻率的分析，可以測得超聲信號的信息。

用功率密度（μW/cm2）來衡量超聲強度大小，超聲換能器輸出功率密度和驅動電壓平方成正比，表1所示為10 MHz超聲信號在不同驅動電壓下的功率密度。

表1　1 V～10 V驅動電壓下的10 MHz超聲信號功率密度響應

為了量化分析測量的超聲功率密度，調(diào)節(jié)驅動電壓從10 V開始以1 V間隔逐漸降低，探測不同驅動電壓下拍頻調(diào)制信號，如圖5所示為超聲頻率在10 MHz時，1 V～10 V驅動電壓下，RF頻譜分析儀測得的拍頻頻譜。隨著驅動電壓的遞減，調(diào)制信號幅度隨著功率密度的減小而降低。

圖5　10 MHz超聲信號在1 V～10 V驅動電壓下頻譜

2.4雙參數(shù)測量

根據(jù)上面的分析，可以看出DBR光纖激光傳感器可以同時測量超聲信號和溫度兩個參量，并且兩者不會相互影響。對于溫度參量，通過拍頻信號頻率的整體偏移測得；對于超聲信號則可以通過拍頻頻譜的邊帶信號測得。

圖6對5 MHz和7 MHz超聲信號分別挑選4組頻譜，進行了溫度變化的對比實驗。從圖6中可以清晰的看出，5 MHz和7 MHz的超聲信息由邊帶調(diào)制來測量。同時，隨溫度的增加，拍頻及邊帶信號的頻譜整體向右偏移，表明DBR光纖激光傳感器在超聲測量的同時，能準確反映測量環(huán)境溫度信息的變化。

圖7所示為5 MHz、7 MHz超聲信號調(diào)制下頻譜偏移隨溫度變化的趨勢，溫度靈敏度分別是0.115 MHz/℃，0.133MHz/℃。超聲信號在10MHz以內(nèi)DBR光纖激光傳感器溫度靈敏度的均值是0.116MHz/℃。

圖6　5 MHz、7 MHz超聲信號下不同溫度的拍頻頻譜

圖7　5 MHz、7 MHz超聲信號下拍頻溫度變化曲線

首先，從圖7可以看出，隨著溫度的增大，拍頻頻率逐漸增大，呈線性變化趨勢。且當超聲信號變化時，拍頻的溫度靈敏度變化微小，在不同超聲作用下，可以看出拍頻點在一個很窄的線性帶中浮動，說明超聲對溫度測量的影響很小，DBR光纖激光傳感器測量溫度的性能穩(wěn)定，當用DBR光纖激光傳感器測量溫度和超聲時，不需要考慮兩者之間的交叉敏感問題。

3　總結

本文研究了DBR光纖激光傳感器同時測量超聲和溫度的雙參量測量能力，文中對DBR光纖傳感器開展的溫度測量實驗、超聲測量實驗以及超聲溫度共同作用實驗。實驗得出，DBR光纖激光傳感器不僅能夠實現(xiàn)溫度與超聲同時準確測量，還可以有效避免在超聲測量過程中的溫度交叉敏感問題。

DBR光纖激光傳感器通過拍頻調(diào)制和頻譜偏移的測量方式，還可以擴展應用到溫度和其他物理量的測量中，以消除溫度帶來的交叉敏感問題。

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劉影（1993-），女，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器及測量技術，liuyingmc@tju.edu.cn；

呂辰剛（1978-），男，天津人，博士，天津大學電子信息工程學院副教授，主要研究光學傳感器件及系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)技術，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

項目來源：國家自然科學基金項目（61205075）

2016-04-18修改日期：2016-06-13