超聲脈沖導入光纖光柵的動態光譜特性研究

李 佳,劉 鋒,李 紅,周 鋒

(1.北京信息科技大學 光電測試技術及儀器教育部重點實驗室,北京 100192;2.北京信息科技大學光纖傳感與系統北京實驗室,北京 100016)

1 引 言

超聲波是指頻率高于20 kHz在連續介質中傳播的應力波,根據時域上連續與否可分為連續波和脈沖波。超聲波以連續波的形式與光纖布拉格光柵(FBG)相互作用的研究已用于聲波的檢測[1-2],水聽器[3],結構無損探傷[4-5],聲源定位[6],其原理是將FBG作為傳感器,利用FBG體積小、抗干擾的特點代替傳統的壓電器件感知介質中連續超聲波信號[7],已經得到各國學者的廣泛關注和研究。但傳統研究關注超聲波以連續波的形式引起FBG的響應,而超聲以脈沖波的形式與FBG作用尚未見報道,缺乏超聲波以脈沖波的形式與FBG作用的光譜特性研究。超聲脈沖波導入FBG可用于提高波分復用的解調容量,原理是在密集分布的同參數光柵,利用超聲脈沖在光纖軸向傳播的特性,在時域上脈沖依次作用于光纖光柵,即在時域上給每一個光柵脈沖標記,實現同參數光柵在時域上的光譜分離,在波分復用的基礎上提高解調容量。

本文提出將超聲波以脈沖波的形式導入FBG,并分析超聲脈沖與FBG響應的原理,搭建超聲脈沖導入FBG實驗裝置；設計電路驅動堆棧式壓電陶瓷產生壓縮脈沖縱波,通過鋁質錐超聲聚能器放大后高效耦合進FBG。采用線陣CCD光譜成像法高速采集超聲脈沖導入FBG后的反射光譜,研究其時域上的譜形變化和中心波長漂移等光譜特性。為超聲脈沖與波分復用解調技術相結合提供參考。

2 超聲脈沖與FBG作用機理

根據耦合模理論,光纖布拉格波長λB可以表示為[8]:

λB=2neffΛ

(1)

其微分形式為:

(2)

式中,Λ為FBG的周期;neff為光纖纖芯的有效折射率。當帶寬光源入射至FBG時,只有FBG諧振波長的光被反射,形成特征峰。

超聲以矩形脈沖波導入光纖,沿光纖軸向產生脈沖應力波,脈沖波傳播并作用于FBG的時刻如圖1(b)所示,該時刻對FBG產生兩方面的影響:一是幾何效應,即改變光柵周期Λ；二是彈光效應,即改變纖芯處的有效折射率neff。

圖1 超聲脈沖作用與FBGFig.1 Ultrasonic pulse action with FBG

當FBG長度L遠小于超聲脈沖波長λα時,整個光柵受到的應變分布是均勻的,彈光效應引起的折射率變化是均勻[9-10],設矩形脈沖作用FBG上的產生的軸向應變為εχ,則幾何效應為:

(3)

彈光效應為:

(4)

式中,Pij為彈光系數;υ為泊松比。綜合式(1)～(3),得到:

(5)

令:

2014年，原奧地利微電子（ams）正式更名為艾邁斯半導體，其主要業務是設計和制造高性能的模擬半導體產品，以創新的解決方案為客戶解決難題。公司的產品旨在為那些要求極致精密、精準、靈活、靈敏以及極低功耗的應用而設。其產品包括傳感器、傳感器接口、電源管理芯片及無線產品，適用于消費類、工業類、醫療類、移動通信及汽車類的客戶。

(6)

式中,Pe為有效彈光系數,光纖介質中Pe=0.22。結合式(1)在脈沖作用與FBG的時刻,FBG的漂移量為:

ΔλB=λB·(1-Pe)·εχ

(7)

從式(7)可以看出,當FBG長度L遠小于超聲脈沖波長λα,時域上:矩形脈沖作用在FBG的時刻,FBG波長發生漂移；而當脈沖向前傳播,離開FBG時,FBG不受應力的作用,中心波長將恢復初始狀態。

3 光譜高速采集

當超聲脈沖導入FBG后,為了實時捕捉FBG反射光譜的變化規律,需要高速采集時域上連續的光譜信息。光譜采集系統如圖2所示,由256個像素點的Ibsen線陣CCD解調模塊,耦合器,寬帶光源,以及AD轉換信號處理單元。利用線陣CCD解調模塊對FBG反射光進行兩級衍射分光、反射、準直,完成反射光信號從頻域空間域的轉換,空間光的位置由波長決定,形成一定順序的均勻光譜垂直照射于線陣InGaAs光敏感元上,實現光強值到電壓值的轉換[11]。線陣CCD光敏感元輸出的模擬信號通過數據采集模塊進行高速AD轉換,并將轉換后的光強數字信號以用戶數據報協議(UDP)傳輸并儲于計算機。

圖2 光譜高速采集系統Fig.2 Spectral high speed acquisition system

通常FBG的反射譜的形狀可以表示為高斯型曲線,其表達式為[12]:

(8)

式中,I0為反射譜的峰值反射率;λ0為反射譜的中心波長;σ0為反射譜在1/e強度處的半寬度,實際分析中,通常用反射譜的半峰全寬σFWHM代替σ0,兩者之間的關系為[13]:

(9)

線陣CCD上256個InGaAa探測器輸出的當前時刻每一個像素點的對應的光強值(Pi,Ii)。將得到的這一系列離散的二位數組代入公式(8)高斯模型中,通過最小化誤差的平方,其表達是為[14-15]:

(10)

尋找數據的最佳函數匹配,得到FBG的反射光譜,如圖3所示。

圖3 高斯光譜擬合Fig.3 Gaussian spectrum fitting

本文采用基于Ibsen I-MON 256線陣CCD解調模塊實現最高35 k的光譜采樣速率。

4 實驗裝置設計

4.1 超聲脈沖發生電路

本文采用棧式壓電陶瓷作為脈沖產生裝置,為驅動堆棧式壓電陶瓷產生脈沖超聲,設計一種簡單的脈沖發生電路,如圖4所示,該電路是以N型金屬-氧化物半導體場效應管(MOS-FET)為核心,通過信號發生器輸出的脈沖寬度調信(PWM)控制MOS管的通斷,調節壓電陶瓷的兩端電壓脈寬和重復周期。

圖4 超聲脈沖發生電路Fig.4 Ultrasonic pulse generator circuit

驅動堆棧式壓電陶瓷為高電壓脈沖信號,因此采用大功率高壓MOSFET場效應管作為電子開關產生高壓脈沖信號。在堆棧式壓電陶瓷一端接入直流穩壓源,另一端接到MOSFET的源極,并在堆棧式壓電陶瓷兩端并聯上匹配電感以及快速恢復二極管。MOSFET選擇FDPF51N25,該器件的耐壓為250 V,導通電流最大可以到51A,導通時間僅為62 ns,導通電阻僅為60 mΩ,可以有效降低功率,提高轉換效率。信號發生器輸出PWM信號驅動MOSFET的柵極,同時在柵極串接保護電阻,防止靜電擊穿柵極。當信號發生器輸出低電平時MOSFET處于關斷狀態,壓電陶瓷兩端電壓相等,不振動。當輸出高電平并大于MOSFET的開啟電壓5 V之后,MOSFET瞬間打開,壓電陶瓷一端接地,一端是高壓,形成高壓脈沖。通過調節信號發生器的PWM信號即可得到實驗所需的超聲脈沖頻率和脈寬。

將壓電陶瓷接入到電路中,觀察壓電陶瓷兩端的電壓如圖5所示,底部為壓電陶瓷兩端電壓波形。

圖5 脈沖高壓信號Fig.5 Pulse high voltage signal

為減少輸出電壓紋波,提高轉換效率,設計采用N型MOSFET與輸出電感匹配的脈沖發生電路。由于減少了傳統電路中的電阻和功率二極管的功率損耗,這種電路具有非常低的無功功率消耗,在保證小的靜態功率的同時獲得最大的轉換效率。

4.2 超聲換能器設計

電壓脈沖信號加載到堆棧式壓電陶瓷上產生垂直振動模式的超聲脈沖,為保證該超聲脈沖信號高效耦合進入光纖中,設計如圖6所示的超聲換能器,其主要由襯底、堆棧式壓電陶瓷、超聲聚能器三部分組成。

圖6 超聲換能器Fig.6 Ultrasonic transducer

為確保堆棧式壓電陶瓷具有比較高的單向輻射效率,襯底通常選擇聲阻抗大于堆棧式壓電陶瓷聲阻抗的材料,本文選擇剛質材料作為超聲換能器的襯底。

由于堆棧式壓電陶瓷產生的超聲脈沖的振幅比較小,需要將振幅放大后耦合進光纖中。考慮聲阻抗匹配和加工難度,本文采用圓錐形超聲聚能器結構,其能有效的將機械振動位移放大并把能量集中在較小的輻射面上。同時為實現超聲聚能器和光纖之間的高效耦合,兩者材料之間需要滿足聲阻抗匹配。圓錐形超聲聚能器頂端的聲阻抗可以表示為:

Zr=crρrAr

(11)

5 實驗與分析

圖7為超聲脈沖導入的FBG的光譜特性研究的實驗裝置圖,使用的FBG中心波長為1559.35 nm,3 dB帶寬為0.05 nm,光柵長度為10 mm,FBG距離脈沖源的水平距離是20 cm。

(b)實驗實物圖 圖7 實驗Fig.7 Experiment

實驗采用的壓縮脈沖頻率為25 kHz(占空周期40 μs),重復周期為1 ms,其超聲脈沖波長為200 mm,滿足脈沖波長遠遠大于光柵長度。光譜采集系統使用30 kHz的采樣頻率,采樣周期為33 μs。

如圖8(a)中所示,壓電陶瓷的脈沖電壓為80 V,在時域上,當一個波長遠大與光柵長度的壓縮脈沖達到FBG,使光柵均勻壓縮,反應在光譜上:光譜形狀未發生變化,光譜向波長小的方向漂移；隨著超聲脈沖向前傳播離開FBG后,FBG光譜恢復初始狀態。如圖8(b)所示,對比超聲脈沖作用前后相鄰3個時刻的反射光譜,矩形壓縮脈沖作用前后的光譜幾乎重疊,只有細微漂移,這是由于試驗中壓縮矩形脈沖在光纖傳播過程中的應力峰值波動造成的,從圖9的中心波長波動也能得到應證。

圖8 FBG反射譜Fig.8 FBG reflection spectrum

如圖9所示,記錄時域上的中心FBG中心波長變化。超聲脈沖的重復周期為1 ms,在這重復周期內CCD解調儀將采集30個點,每一個點間隔33 μs,從圖9可以看出,1 ms的重復周期內,FBG的反射光譜發生一次波長漂移,當電壓為80 V時漂移為171 pm。如圖10所示隨著電壓越高,壓縮脈沖的應變越高,脈沖作用時刻中心波長向較短波長方向移動,呈現成線性變小。這與理論分析一致。

圖9 脈沖電壓為80 V時域中心波長變化Fig.9 When the pulse voltage is 80 V,the central wavelength change in the time domain

圖10 不同電壓脈沖作用時刻中心波長Fig.9 The central wavelength of different voltage pulses at different moments of action

6 結 語

本文提出將超聲波以矩形脈沖波的形式導入FBG,分析超聲脈沖作用于FBG的機理,在此基礎上,設計超聲脈沖發生電路以及超聲換能器,用高電壓脈沖信號驅動堆棧式壓電陶瓷產生沿光纖軸向的壓縮脈沖,采用CCD成像法高速捕捉FBG的光譜時在域上的變化。結果表明:當FBG長度遠小于超聲波長時,FBG的反射光譜有效的發生搬移,只是中心波長發生漂移；隨著壓縮脈沖的應力增加,脈沖作用時刻中心波長向較短方向移動,呈現成線性變小,與原理分析結果相同。為超聲脈沖與波分復用解調技術相結合提供參考。