本發(fā)明涉及一種超聲波聲強測量裝置，尤其涉及一種全光纖超聲波聲強測量裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技發(fā)展，超聲波技術(shù)在機械、電子、航空、化工及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。

在超聲波技術(shù)的應(yīng)用過程中，聲強是一個十分重要的參數(shù)，其測量對超聲換能器的研制及超聲波的應(yīng)用有非常重要的作用。例如，在超聲清洗設(shè)備的制造及調(diào)試過程中，需要檢測超聲換能器是否工作在最佳諧振點上，傳統(tǒng)方法是觀察清洗槽中清洗液的波紋大小，這種方法雖然直觀，但不夠準確，也無法量化。

現(xiàn)有的超聲波聲強的測量方法主要有如下幾類：1、力學(xué)法，該類方法的主要原理是，聲波對于接收表面可產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致接收表面產(chǎn)生位移，通過測量位移的大小即可反推出聲波的聲強；2、電學(xué)法，該類方法的原理是利用壓電水聽器測量聲場的聲壓，從而測量得到聲波的聲強(參見專利“水處理中超聲聲強檢測與控制方法”中公開的內(nèi)容，公開號為CN102249367B)；3、壓差法，該類方法的原理是利用探針感應(yīng)超聲波的聲壓作用，并將探針與一只U型管相連，根據(jù)U型管內(nèi)液面高度差推算得出聲強；4、光學(xué)法，該類方法利用超聲駐波對入射光的衍射作用，根據(jù)衍射角度得到聲波的聲強(參見專利“一種測量超聲波聲壓和聲強的光學(xué)方法和裝置及其應(yīng)用”中公開的內(nèi)容，公開號為CN105352583A)。

上述超聲波聲強的測量方法中，基于電磁學(xué)原理的聲強測量方法及裝置易受電磁干擾，抗沖擊性能較差?；诠鈱W(xué)原理的聲強測量方法及裝置具有動態(tài)范圍廣、靈敏度高、不受電磁干擾等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的基于光學(xué)原理的聲強測量方法多基于光學(xué)干涉原理，而基于光強測量的聲強測量裝置及方法則未有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種全光纖超聲波聲強測量裝置，用于對超聲波的聲強進行測量，其特征在于，包括：激光發(fā)射單元，用于產(chǎn)生激光；光纖隔離單元，通過光纖與激光發(fā)射單元連接，用于傳輸激光發(fā)射單元產(chǎn)生的激光；光纖耦合單元，至少具有第一端口、第二端口及第三端口，第一端口通過光纖與光纖隔離單元連接，光纖隔離單元傳輸?shù)募す饨?jīng)第一端口傳入光纖耦合單元，并通過第二端口傳輸出去；聲強探測單元，包括一段單模光纖，該單模光纖的一端與光纖耦合單元的第二端口連接，接收第二端口傳輸來的激光，另一端為探測端，具有與單模光纖軸向垂直的平滑端面，激光在單模光纖中傳輸，并在該平滑端面上發(fā)生費涅爾反射并產(chǎn)生返回光，該返回光通過第二端口傳回光纖耦合單元，并經(jīng)第三端口傳輸出去；光電探測單元，與光纖耦合單元的第三端口連接，用于接收返回光，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斔统鋈?；信號處理單元，與光電探測單元連接，接收光電探測單元輸送來的電信號并對該電信號進行處理。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，激光發(fā)射單元為PIN型光電二極管、光電池或光電倍增管。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，光纖隔離單元為光纖隔離器。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，光纖耦合單元為光纖耦合器。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，光纖耦合器的耦合方式為1×2或2×2。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，光電探測單元為光電檢測器。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，聲強探測單元還包括一個夾具，用于夾持單模光纖的探測端。

進一步地，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，還可以具有如下技術(shù)特征：其中，夾具為可拆卸式夾具。

發(fā)明作用與效果

根據(jù)本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置，由于其聲強探測單元具有一段單模光纖，該光纖的探測端具有與單模光纖軸向垂直的平滑端面，激光在該端面發(fā)生費涅爾反射，產(chǎn)生返回光且該返回光的衰減較小。返回光的光強與探測端所處的聲場中超聲波的聲強具有對應(yīng)關(guān)系，因此，通過對該返回光的光強進行測量并對測量得到的數(shù)據(jù)進行分析，即可得到待測超聲波的聲強。本發(fā)明提供的裝置具有動態(tài)范圍廣、靈敏度高、不受電磁干擾等優(yōu)點，并且其中各個部件之間均通過光纖連接，構(gòu)造簡單明了，易于制造和使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例來說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

圖1為本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置(以下簡稱測量裝置)10包括激光發(fā)射單元1、光纖隔離單元2、光纖耦合單元3、聲強探測單元4、光電探測單元5以及信號處理單元6，其中，聲強探測單元4包括一段單模光纖，該單模光纖的一端為探測端，具有通過切割形成的與該單模光纖軸向垂直的光滑端面，另一端為連接端。

如圖1所示，激光發(fā)射單元1與光纖隔離單元2連接，光纖耦合單元3具有三個端口，分別為第一端口31，第二端口32，第三端口33。其中，第一端口31與光纖隔離單元2通過光纖連接，第三端口33與光電探測單元5通過光纖連接，第二端口32與聲強探測單元4中的單模光纖的連接端直接連接。

在本實施例中，激光發(fā)射單元1為PIN型激光器，光纖隔離單元2為光纖隔離器，光電探測單元5為光電檢測器；光纖耦合單元3為光纖耦合器，耦合方式為1×2。

此外，該單模光纖的探測端被可拆卸夾具(圖中未示出)夾持，使該單模光纖可以被從該可拆卸夾具中卸下，或連同該可拆卸夾具被從全光纖超聲波聲強測量裝置10上卸下。

以下結(jié)合附圖及實施例，說明本發(fā)明提供的全光纖超聲波聲強測量裝置的測量過程及原理。

首先將聲強探測單元4的單模光纖伸入超聲波的聲場中，使該單模光纖的探測端完全處于聲場的介質(zhì)中。打開激光發(fā)射單元1，該激光發(fā)射單元1產(chǎn)生并輸出激光，該激光傳入光纖隔離單元2，再從光纖耦合單元3的第一端口31傳入該光纖耦合單元3，隨后從第二端口32傳至聲強探測單元4中的單模光纖，并在該單模光纖的探測端端面發(fā)生費涅爾反射，產(chǎn)生反射光，該反射光即為返回光。該返回光隨后沿單模光纖傳回至光纖耦合單元3，并從第三端口33傳至光電探測單元5。

此時，光電探測單元5檢測到一定的光強信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出至信號處理單元6；該電信號與探測端返回光的光強信號相對應(yīng)。

激光在探測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是光纖芯的折射率，n₀是聲場中的介質(zhì)(如水或空氣)的折射率。

當聲場中有一定強度的超聲波時，介質(zhì)受超聲波振蕩的影響產(chǎn)生密度變化，其折射率因而發(fā)生改變。將超聲波記為i·cos2πft，其中，i是超聲波強度，f是超聲波頻率，t是時間；由于介質(zhì)的折射率變化呈現(xiàn)與超聲波的頻率相對應(yīng)的周期性，因此介質(zhì)的折射率的變化量可以記為Δn·cos2πft，其中Δn為折射率的最大變化量。因此，介質(zhì)的折射率為n₀+Δn·cos2πft。

將到達單模光纖的探測端端面的激光光強記為P₀，光電探測單元5所輸出的電信號強度記為u，則u的計算式如下述式(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是光電探測單元5的靈敏度，k是光纖耦合單元3的交叉耦合比。考慮到Δn＜＜n₀，式(2)可以化簡為：

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

忽略Δn的二階小量，式(3)可以進一步化簡為：

$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，在測量裝置10制造完成后，ρ、k、P₀、n₁是定值；對于同一種介質(zhì)，n₀也是定值。因此，u與Δn·cos2πft成正比。此外，由于介質(zhì)的折射率變化是受超聲波影響產(chǎn)生的，Δn與超聲波強度i也存在一一對應(yīng)的關(guān)系。

通過標定法，在某一種介質(zhì)中，利用一系列強度已知的超聲波對測量裝置10進行標定后，即可用測試裝置10對同一種介質(zhì)中的聲強未知的超聲波進行測量，得到未知超聲波的聲強。

利用本發(fā)明提供的測量裝置10對聲強進行測量的具體步驟為：

步驟一，測量聲場中的介質(zhì)的折射率n₀。由式(4)可知，當聲場中不存在超聲波，即超聲波的強度i＝0時，Δn＝0。在待測超聲波所處聲場中的介質(zhì)確定的情況下，在該聲場中超聲波強度為零時，用裝置10進行測量，光電探測單元5得到的電信號u；利用信號處理單元6，將該u的數(shù)值代入式(4)進行求解，即可計算得到n₀的具體數(shù)值。

步驟二，對測量裝置10進行標定。采用測量裝置10對上述介質(zhì)中，聲強不同的n個超聲波進行檢測，該n個超聲波的聲強i均已知，分別為i₁，i₂，……i_n；通過測量，得到一系列光電探測單元5輸出的電信號u，記為u₁，u₂，……u_n。利用信號處理單元6進行計算，即可得到與n個超聲波對應(yīng)的一系列Δn，即Δn₁，Δn₂，……Δn_n。將上述一系列聲強i、電信號u及Δn的數(shù)據(jù)儲存在信號處理單元6中，利用信號處理單元6進行擬合計算，即可得到Δn與聲強i的對應(yīng)關(guān)系。

步驟三，對待測超聲波進行測量。采用標定后的測量裝置10對聲強未知的待測超聲波進行測量，可得到該待測超聲波所對應(yīng)的電信號u_x，通過信號處理單元6對該電信號u_x進行處理，計算得出待測超聲波的Δn_x后，即可根據(jù)步驟二中的對應(yīng)關(guān)系計算得到該待測超聲波的聲強i_x。

此外，由于式(4)中光強交流信號頻率與超聲波頻率f相同，因此可以通過信號處理單元6對光強信號頻率檢測得到待測超聲波的頻率f_x，并將待測超聲波的聲強i_x以及頻率f_x作為檢測結(jié)果一起輸出。

根據(jù)上述一系列探測端返回光的光功率以及對應(yīng)的超聲波的聲強數(shù)值，利用信號處理單元6擬合得到聲強i與電信號u的關(guān)系，即可對測量裝置10實現(xiàn)標定；采用標定后的測量裝置10對聲強未知的待測超聲波進行測量，可得到該待測超聲波所對應(yīng)的電信號u_x，通過信號處理單元6對該電信號u_x進行處理及計算，即可得到該待測超聲波的聲強i_x，此外還可以根據(jù)光強交流信號頻率得到待測超聲波的頻率f_x。

實施例作用與效果

本實施例提供的測量裝置，由于其原理是基于單模光纖的探測端返回光的光強來實現(xiàn)待測超聲波的測量，因此與基于光學(xué)干涉原理的探測裝置相比，信號處理方法更加簡單；同時各個部件之間均通過光纖進行連接，裝置的整體構(gòu)造簡單明了，易于制造及使用。

通過對一系列已知超聲波的測量，可以對測量裝置進行標定，根據(jù)一系列標定值，即可通過對待測超聲波進行測量來得到其聲強；由于探測端的端面平滑并且與單模光纖的軸向垂直，因此反射光衰減小，光電檢測單元檢測到的信號強度好，測量裝置的靈敏度高；此外，根據(jù)光強交流信號頻率還可得到待測超聲波的頻率。因此，本實施例提供的測量裝置具有動態(tài)范圍廣、靈敏度高、不受電磁干擾、能夠同時得出待測超聲波的聲強及頻率的優(yōu)點。

此外，單模光纖本身具有較強的抗沖擊能力，因此不易損壞，可實現(xiàn)多次測量；并且，即使該單模光纖的端面損壞，也可以通過可拆卸夾具將其卸下，將損壞的部分截斷，重新進行切割，產(chǎn)生新的與單模光纖垂直的平滑端面后即可再次使用。

上述實施例僅用于說明本發(fā)明的實施方式，并非用于限制本發(fā)明的保護范圍。對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所述的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在本發(fā)明的保護之列。