光纤声学透视仪的制作方法
【专利摘要】本发明的光纤声学透视仪属于光纤探测【技术领域】。本发明提供了一种利用光纤布拉格光栅动态声波法检测冰等固体物质的物理-力学性能的光纤声学透视仪，包括探测光纤(1)，法兰(2)，光栅解调模块组(3)，宽带光源(4)，声波发生器(5)，直流电源(6)，主机(7)，示波器(8)，计算机(9)和主环形器(10)。本发明的光纤声学透视仪可以动态监控和记录冰等固体物质的物理-力学参数，具有外形小、灵敏度高、可以精确记录声波在冰中的传播参数、抗外界电磁干扰能力强、便携及可直接用于测量自然状态下的冰的物理力学参数等优点。
【专利说明】
光纤声学透视仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤探测【技术领域】，具体涉及一种利用光纤布拉格光栅动态声波法检测冰等固体物质的物理-力学性能的光纤声学透视仪。
【背景技术】
[0002]自然界冰和冻土层的广泛分布对人类的经济活动具有极大的影响。多年冻土带的总面积占到了陆地总面积的25%。研究冰的力学特性，确定弹性模量参数值及其与刚度范围的联系、冰的塑性特性，以及建立确定这些参数的有效科考仪器和方法对于人类活动的各个领域都是一项重要的科学实践。通过记录声波穿过冰的参数，就可以计算冰的物理力学特性:动态弹性模量；体积粘度；内摩擦系数。弹性参数同刚度和形变特性的关系也有物理依据，目前广泛采用基于磁伸缩及压电原理的各种加速记录器记录声学信号。但是这些传感器外形较大，并且敏感度不够，无法保证在海域和南极实地进行试验的所需条件。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是发明和利用光纤布拉格光栅动态声波法，采用体形很小的光纤传感器高灵敏动态检测冰等固体物质的物理-力学性能。
[0004]为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是，一种基于光纤布拉格光栅动态声波法检测冰等固体物质的物理-力学性能的光纤声学透视仪，包括探测光纤I，法兰2，光栅解调模块组3，宽带光源(ASE) 4，声波发生器5，直流电源6，主机7，示波器8，计算机9和主环形器10 ;其中，法兰2、光栅解调模块组3、宽带光源(ASE)4、直流电源6和主环形器10位于主机7内；所述探测光纤I中含有2?8组不同中心波长的探测光栅20，并通过法兰2与主机7相连；所述光栅解调模块组3由基本模块11和I?7组单光栅解调模块12串联而成；基本模块11由第一环形器13、第一光电探测器14和第一解调光栅15组成,第一环形器13的I号端口与主环形器10的3号端口相连，2号端口与第一解调光栅15相连，3号端口与第一光电探测器14相连,第一解调光栅15的另一端与第一组单光栅解调模块12相连；所有的单光栅解调模块12由第二环形器16、第二解调光栅18和第二光电探测器17组成；第一组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口与基本模块11中的第一解调光栅15相连,2号端口与第二解调光栅18的一端相连,3号端口与第二光电探测器17相连，第二解调光栅18的另一端与下一组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口相连或者置空；第二组?第八组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口与上一组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18相连，最后一组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的另一端置空；法兰2与主环形器10的2号端口相连，宽带光源4与主环形器10的I号端口相连，主环形器10的3号端口与基本模块11相连，单光栅解调模块12串联在基本模块11之后；主环形器10，第一环形器13和所有单光栅解调模块12中的第二环形器16只允许光从I号端口进，从2号端口出，或者从2号端口进，从3号端口出；直流电源6通过电线与第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17相连；第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17通过接线与示波器8相连，第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17并联；计算机9通过数据线与示波器8相连；声波发生器5位于待探测物上，测量时使用；所述直接电流6供给光电探测器和宽带光源(ASE) 4的电压限定为5V ;第一解调光栅15和所有单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的中心波长与探测光纤I中的探测光栅20的中心波长对应且波长大小相同。
[0005]探测光栅20和光栅解调模块组3中的各个解调光栅是相互配合的，两者数量和中心波长一致。当所述探测光纤I中含有2组不同中心波长的探测光栅20，对应的光栅解调模块组3中含有I组基本模块11和I组单光栅解调模块12，此时仪器应用于测量一维直线上的参数；当所述探测光纤I中含有4组不同中心波长的探测光栅20，对应的光栅解调模块组3中含有I组基本模块11和3组单光栅解调模块12，每两组探测光栅20作为一个单位测量一个维度，此时仪器应用于测量二维平面上的参数；当所述探测光纤I中含有8组不同中心波长的探测光栅20，对应的光栅解调模块组3中含有I组基本模块11和7组单光栅解调模块12，每两组探测光栅20作为一个单位测量一个维度，其中2组探测光栅20置空，用于对比和提高精度，此时仪器应用于测量三维立体的参数。环行器和探测光栅的结构是现有技术。
[0006]本发明建立了一套现代光纤布拉格光栅动态声波法动态检测冰等固体物质的物理-力学性能的系统和方法，动态监控和记录弹性声波特性，除了用于确定冰的力学特性和系列物理参数外，也可测金属块，岩石等固体物质的这类参数。仪器所采用的传感器外形小，敏感度高，可以精确记录声波在冰中的传播参数；传感器的光栅可以放置在超低温冰样中，可以在给冰样施加压力时直接记录声波参数；光纤声学透视仪的记录密度高，可以测量小尺寸冰样；装置紧凑，可以用其直接在自然状态下的冰样上进行测量；在研究客体上建立了一个光纤声学透视仪自动网络，以便测试记录。
[0007]本仪器中我们采用布拉格光纤传感器(FBG)来记录各种力学参数。其中，通过FBG系统可以记录声波穿过冰样的参数，具有精确记录，可以放置在超低温冰样中，在小尺寸冰样上，及直接在自然状态下的冰样上进行测量等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1本发明的主机结构图。
[0009]图2本发明中光栅解调模块组3的结构示意图。
[0010]图3本发明中基本模块11的结构示意图。
[0011]图4本发明中单光栅解调模块12的结构示意图。
[0012]图5本发明测量冰的声学以及物理-力学特性曲线的示意图。
[0013]图6本发明测量分层、各向异性结构的冰的力学特性的示意图。
[0014]图7本发明的第一解调光栅15，第二解调光栅18的结构示意图。
[0015]各图中所含设备及仪器的附图标记:
[0016]I为探测光纤；2为法兰；3为光栅解调模块组；4为宽带光源(ASE) ；5为声波发生器；6为直流电源；7为主机；8为示波器；9为计算机；10为主环形器；11为基本模块；12为单光栅解调模块；13为第一环形器；14为第一光电探测器；15为第一解调光栅；16为第二环形器；17为第二光电探测器；18为第二解调光栅；19为声波(超声波)脉冲；20为探测光栅；21为待测冰样；22为螺旋测微杆；23为金属支架；24为碳纤维薄片；25为含解调光栅的光纤。
【具体实施方式】
[0017]下面以【具体实施方式】说明本发明，但不限于此。
[0018]实施例1
[0019]如附图1?4所不,一种基于光纤布拉格光栅动态声波法检测冰的物理-力学性能的光纤声学透视仪，包括探测光纤1，法兰2，光栅解调模块组3，宽带光源(ASE)4，声波发生器5，直流电源6，主机7，示波器8，计算机9和主环形器10 ;其中，法兰2、光栅解调模块组3、宽带光源(ASE)4、直流电源6和主环形器10位于主机7内；所述探测光纤I中含有2组不同中心波长的探测光栅20，并通过法兰2与主机7相连；所述光栅解调模块组3由基本模块11和I组单光栅解调模块12串联而成；基本模块11由第一环形器13、第一光电探测器14和第一解调光栅15组成，第一环形器13的I号端口与主环形器10相连，2号端口与第一解调光栅15相连,3号端口与第一光电探测器14相连,第一解调光栅15的另一端与单光栅解调模块12相连；单光栅解调模块12由第二环形器16、第二解调光栅18和第二光电探测器17组成；第二环形器16的I号端口与基本模块11中的第一解调光栅15相连，2号端口与第二解调光栅18的一端相连,3号端口与第二光电探测器17相连,第二解调光栅18的另一端置空；法兰2与主环形器10的2号端口相连，宽带光源4与主环形器10的I号端口相连，主环形器10的3号端口与基本模块11相连，单光栅解调模块12串联在基本模块11之后；主环形器10，第一环形器13和单光栅解调模块12中的第二环形器16只允许光从I号端口进，从2号端口出，或者从2号端口进，从3号端口出；直流电源6通过电线与第一光电探测器14和单光栅解调模块12中的第二光电探测器17相连；第一光电探测器14和单光栅解调模块12中的第二光电探测器17通过接线与示波器8相连，第一光电探测器14和单光栅解调模块12中的第二光电探测器17并联；计算机9通过数据线与示波器8相连；声波发生器5位于待探测物上，测量时使用；所述直接电流6供给光电探测器和宽带光源(ASE)4的电压限定为5V ;第一解调光栅15和第二解调光栅18的中心波长与探测光纤I中的2组探测光栅20的中心波长一一对应且波长大小相同。
[0020]实施例2
[0021]一种基于光纤布拉格光栅动态声波法检测冰的物理-力学性能的光纤声学透视仪，包括探测光纤1，法兰2，光栅解调模块组3，宽带光源(ASE)4，声波发生器5，直流电源6，主机7，示波器8，计算机9和主环形器10 ;其中，法兰2、光栅解调模块组3、宽带光源(ASE)4、直流电源6和主环形器10位于主机7内；所述探测光纤I中含有4组不同中心波长的探测光栅20，并通过法兰2与主机7相连；所述光栅解调模块组3由基本模块11和3组单光栅解调模块12串联而成；基本模块11由第一环形器13，第一光电探测器14和第一解调光栅15组成，第一环形器13的I号端口与主环形器10相连，2号端口与第一解调光栅15相连,3号端口与第一光电探测器14相连,第一解调光栅15的另一端与第一组单光栅解调模块12相连；所有的单光栅解调模块12由第二环形器16，第二解调光栅18和第二光电探测器17组成；第一组单光栅解调模块12中第二环形器16的I号端口与基本模块11中的第一解调光栅15相连,2号端口与第二解调光栅18的一端相连,3号端口与第二光电探测器17相连，第二解调光栅18的另一端与第二组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口相连；第二组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口与第一组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18相连，第二组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的另一端与第三组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口相连，第三组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的另一端置空；法兰2与主环形器10的2号端口相连，宽带光源4与主环形器10的I号端口相连，主环形器10的3号端口与基本模块11相连，单光栅解调模块12串联在基本模块11之后；主环形器10，第一环形器13和所有单光栅解调模块12中的第二环形器16只允许光从I号端口进，从2号端口出，或者从2号端口进，从3号端口出；直流电源6通过电线与第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17相连；第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17通过接线与示波器8相连，第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17并联；计算机9通过数据线与示波器8相连；声波发生器5位于待探测物上，测量时使用；所述直接电流6供给光电探测器和宽带光源(ASE)4的电压限定为5V ;第一解调光栅15和三组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的中心波长与探测光纤I中的4组探测光栅20的中心波长一一对应且波长大小相同。
[0022]实施例3
[0023]一种基于光纤布拉格光栅动态声波法检测冰的物理-力学性能的光纤声学透视仪，包括探测光纤1，法兰2，光栅解调模块组3，宽带光源(ASE)4，声波发生器5，直流电源6，主机7，示波器8，计算机9和主环形器10 ;其中，法兰2、光栅解调模块组3、宽带光源(ASE) 4和直流电源6和主环形器10位于主机7内；所述探测光纤I中含有8组不同中心波长的探测光栅20，并通过法兰2与主机7相连；所述光栅解调模块组3由基本模块11和7组单光栅解调模块12串联而成；基本模块11由第一环形器13，第一光电探测器14和第一解调光栅15组成，第一环形器13的I号端口与主环形器10相连，2号端口与第一解调光栅15相连,3号端口与第一光电探测器14相连,第一解调光栅15的另一端与第一组单光栅解调模块12相连；所有的单光栅解调模块12由第二环形器16，第二解调光栅18和第二光电探测器17组成；第一组单光栅解调模块12中第二环形器16的I号端口与基本模块11中的第一解调光栅15相连,2号端口与第二解调光栅18的一端相连,3号端口与第二光电探测器17相连，第二解调光栅18的另一端与下一组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口相连或者置空；第二组?第八组单光栅解调模块12中的第二环形器16的I号端口与上一组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18相连，最后一组单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的另一端置空；法兰2与主环形器10的2号端口相连，宽带光源4与主环形器10的I号端口相连，主环形器10的3号端口与基本模块11相连，单光栅解调模块12串联在基本模块11之后；主环形器10，第一环形器13和所有单光栅解调模块12中的第二环形器16只允许光从I号端口进，从2号端口出，或者从2号端口进，从3号端口出；直流电源6通过电线与第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17相连；第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17通过接线与示波器8相连，第一光电探测器14和所有单光栅解调模块12中的第二光电探测器17并联；计算机9通过数据线与示波器8相连；声波发生器5位于待探测物上，测量时使用；所述直接电流6供给光电探测器和宽带光源(ASE)4的电压限定为5V ;第一解调光栅15和所有单光栅解调模块12中的第二解调光栅18的中心波长与探测光纤I中的8组探测光栅20的中心波长一一对应且波长大小相同。
[0024]实施例4
[0025]如附图5所示:将探测光纤I呈直线状粘贴于待测冰样21上，并将声波发生器5的探头紧贴于冰的一侧，开启主机7和示波器8，调节基本模块11和所有单光栅解调模块12中的各个解调光栅使其中心波长与所对应的探测光栅的中心波长相一致，之后通过计算机9发出指令给声波发射器5，使其向待测冰样21发出声波脉冲19，由探测光纤I接收到包含待测冰样21物理力学信息的信号并传递给主机7进行解调，解调后的信号由示波器8进行信号的模数转换，转换后的信号经计算机9处理得到和显示待测冰样21的一维物理力学信息。
[0026]实施例5
[0027]如附图6所示:将探测光纤I呈垂直的两轴状粘贴于待测冰样21上，并将声波发生器5的探头紧贴于冰的一侧，开启主机7和示波器8，调节基本模块11和所有单光栅解调模块12中的各个解调光栅使其中心波长与所对应的探测光栅的中心波长相一致，之后通过计算机9发出指令给声波发射器5，使其向待测冰样21发出声波脉冲19，由探测光纤I接收到包含待测冰样21物理力学信息的信号并传递给主机7进行解调，解调后的信号由示波器8进行信号的模数转换，转换后的信号经计算机9处理得到和显示待测冰样21的二维物理力学信息。
[0028]实施例6
[0029]如附图7所示:螺旋测微杆22和碳纤维薄片24固定在金属支架23上，通过环氧树脂胶将含解调光栅的光纤25的解调光栅部分-第一解调光栅15 (第二解调光栅18)的两端紧密粘贴在碳纤维薄片24向下一侧的中间，碳纤维薄片24向上一侧的中间正对着螺旋测微杆22，根据示波器8所示图形来调节螺旋测微杆22的旋钮，迫使第一解调光栅15(第二解调光栅18)和碳纤维薄片24随之发生形变，从而达到探测光栅和解调光栅匹配的目的。
[0030]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种光纤声学透视仪，包括探测光纤(1)，法兰(2)，光栅解调模块组(3)，宽带光源(4)，声波发生器(5)，直流电源(6)，主机(7)，示波器(8)，计算机(9)和主环形器(10);其中，法兰⑵，光栅解调模块组⑶，宽带光源⑷和直流电源(6)位于主机(7)内；所述探测光纤(I)中含有2?8组不同中心波长的探测光栅(20)，并通过法兰(2)与主机(7)相连；所述光栅解调模块组(3)由基本模块(11)和I?7组单光栅解调模块(12)串联而成；基本模块(11)由第一环形器(13)、第一光电探测器(14)和第一解调光栅(15)组成,第一环形器(13)的I号端口与主环形器(10)相连,2号端口与第一解调光栅(15)相连,3号端口与第一光电探测器(14)相连，第一解调光栅(15)的另一端与第一组单光栅解调模块(12)相连；所有的单光栅解调模块(12)由第二环形器(16)、第二解调光栅(18)和第二光电探测器(17)组成；第一组单光栅解调模块(12)中的第二环形器(16)的I号端口与基本模块(11)中的第一解调光栅(15)相连，2号端口与第二解调光栅(18)的一端相连,3号端口与第二光电探测器(17)相连，第二解调光栅(18)的另一端与下一组单光栅解调模块(12)中的第二环形器(16)的I号端口相连或者置空；除第一组外的其他单光栅解调模块(12)中的第二环形器(16)的I号端口与上一组单光栅解调模块(12)中的第二解调光栅(18)相连，最后一组单光栅解调模块(12)中的第二解调光栅(18)的另一端置空；法兰(2)与主环形器(10)的2号端口相连，宽带光源(4)与主环形器(10)的I号端口相连，主环形器(10)的3号端口与基本I吴块(11)相连，单光棚解调I吴块(12)串联在基本I吴块(11)之后；主环形器(10)，第一环形器(13)和所有单光栅解调模块(12)中的第二环形器(16)只允许光从I号端口进，从2号端口出，或者从2号端口进，从3号端口出；直流电源(6)通过电线与第一光电探测器(14)和所有单光栅解调模块(12)中的第二光电探测器(17)相连；第一光电探测器(14)和所有单光栅解调模块(12)中的第二光电探测器(17)通过接线与示波器(8)相连，，第一光电探测器(14)和所有单光栅解调模块(12)中的第二光电探测器(17)并联；计算机(9)通过数据线与示波器(8)相连；声波发生器(5)位于待探测物上，测量时使用；所述直接电流(6)供给光电探测器和宽带光源(4)的电压限定为5V ;第一解调光栅(15)和所有单光栅解调模块(12)中的第二解调光栅(18)的中心波长与探测光纤(I)中的探测光栅(20)的中心波长一一对应且波长大小相同。
2.—种权利要求1所述的光纤声学透视仪，其特征是，所述探测光纤(I)中含有2组不同中心波长的探测光栅(20)，所述光栅解调模块组(3)中含有I组基本模块(11)和I组单光栅解调模块(12)。
3.—种权利要求1所述的光纤声学透视仪，其特征是，所述探测光纤(I)中含有4组不同中心波长的探测光栅(20)，所述光栅解调模块组(3)中含有I组基本模块(11)和3组单光栅解调模块(12)。
4.一种权利要求1所述的光纤声学透视仪，其特征是，所述探测光纤(I)中含有8组不同中心波长的探测光栅(20)，所述光栅解调模块组(3)中含有I组基本模块(11)和7组单光栅解调模块(12)。
【文档编号】G01N29/04GK104267101SQ201410579186
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】马科夫·阿列克谢, 郭耀, 崔洪亮, 达拉拉伊·帕维尔, 郭明义, 李刚, 古班诺娃·娜塔莉亚, 赵恩才 申请人:吉林大学