一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器

1.本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器。


背景技术：

2.超声波无损检测技术以其穿透能力强、灵敏度高、内部反射体定位准确、操作安全、设备轻便等优点被广泛应用于工程安全监测、地质勘探、桥梁检测等领域。目前，压电陶瓷换能器(pzt)是主要的超声波检测器件，占据了市场地位，大量应用在超声波医学诊断、结构无损检测、水下声纳等领域，但其内部压电陶瓷材料易受损，声阻抗匹配性有待提高，易受电磁干扰且探测系统体积庞大。光纤超声波传感技术作为近年来发展起来的一种新型传感技术，相较于传统pzt传感器，其响应频带宽、探测灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、信号传输距离远、保真性好等。
3.光纤超声波传感技术主要包括光纤光栅型超声波传感技术、强度型超声波传感技术和干涉型超声波传感技术三种类型。其中，干涉型光纤超声波传感器主要通过超声波引起的光纤中传播光相位的变化来获取超声波信息。相较于另外两种技术，干涉型光纤传感技术不仅在探测灵敏度上有较大优势，同时具有结构灵巧多样、探测参量广泛、解调方式丰富等优点。现有的光纤超声波传感器由于结构设计原因无法检测多方向超声场，而在实际应用中受到制约。特别是对于干涉型的高灵敏光纤超声波传感器，由于干涉结构的限制导致只能检测一个特定方向的超声波信号，同时测量环境中的温度变化也会使传感器工作点发生漂移，从而产生光纤超声波传感器灵敏度降低、信号失真、线性度下降等一系列问题。
4.因此，有必要研究一种灵敏度高、可检测多方向超声信号、抗温度干扰能力强的光纤超声波传感器。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器，干涉型超声波传感器包括第一单模光纤、传感光纤和第二单模光纤，所述第一单模光纤、所述传感光纤和所述第二单模光纤均为圆柱形，其中：
7.所述第一单模光纤、所述传感光纤和所述第二单模光纤依次连接；
8.在所述第一单模光纤、所述传感光纤和所述第二单模光纤均包括包层和中心芯，所述第一单模光纤、所述传感光纤和所述第二单模光纤的中心芯均对应设置在所述包层的中心轴线上，且所述第一单模光纤、所述传感光纤和所述第二单模光纤内设置的中心芯依次连接；
9.并且所述第一单模光纤与所述传感光纤之间、所述传感光纤与所述第二单模光纤之间均通过耦合材料连接。
10.在本发明的一个实施例中，所述耦合材料包括聚碳酸酯或者聚萘二甲酯乙二醇酯。
11.在本发明的一个实施例中，所述传感光纤包括第一双芯光纤，在所述第一双芯光纤内的轴线方向设置有一第一侧面芯，所述第一侧面芯和所述第一双芯光纤的中心芯具有第一预设距离，所述第一预设距离大于零。
12.在本发明的一个实施例中，所述第一双芯光纤的中心芯和所述第一侧面芯的折射率相同，且所述第一双芯光纤的中心芯和所述第一侧面芯的折射率大于所述第一双芯光纤的包层的折射率；所述第一双芯光纤的中心芯的直径小于所述第一侧面芯。
13.在本发明的一个实施例中，所述传感光纤包括第一三芯光纤，在所述第一三芯光纤内的轴线方向设置有一第二侧面芯和第三侧面芯，所述第二侧面芯和所述第三侧面芯不对称的分布在所述第一三芯光纤的中心芯的两侧。
14.在本发明的一个实施例中，所述第一三芯光纤的中心芯、所述第二侧面芯和所述第三侧面芯的折射率相同，且所述第一三芯光纤的中心芯、所述第二侧面芯和所述第三侧面芯的折射率大于所述第一三芯光纤的包层的折射率，所述第二侧面芯和所述第三侧面芯的直径相同且大于所述第一三芯光纤的中心芯的直径，所述第二侧面芯、所述第三侧面芯和所述第一三芯光纤的中心芯同一端的三个端面的中心点构成等腰三角形，且等腰三角形的顶角为120
°
。
15.在本发明的一个实施例中，所述传感光纤包括第二双芯光纤和第二三芯光纤，所述第一单模光纤、所述第二双芯光纤、所述第二三芯光纤和所述第二单模光纤依次连接，且所述第二双芯光纤与所述第二三芯光纤之间通过聚碳酸酯或者聚萘二甲酯乙二醇酯连接；
16.在所述第二双芯光纤内的轴线方向设置有一第四侧面芯，所述第四侧面芯和所述第二双芯光纤的中心芯具有第一预设距离，所述第一预设距离大于零；
17.在所述第二三芯光纤内的轴线方向设置有一第五侧面芯和第六侧面芯，所述第五侧面芯和所述第六侧面芯不对称的分布在所述第二三芯光纤的中心芯的两侧。
18.在本发明的一个实施例中，所述第二双芯光纤的中心芯和第四侧面芯的折射率相同，且所述第二双芯光纤的中心芯和第四侧面芯的折射率大于所述第二双芯光纤的包层的折射率；所述第二双芯光纤的中心芯的直径小于第四侧面芯；
19.所述第二三芯光纤的中心芯、所述第五侧面芯和所述第六侧面芯的折射率相同，且所述第二三芯光纤的中心芯、所述第五侧面芯和所述第六侧面芯的折射率小于所述第二三芯光纤的包层的折射率，所述第五侧面芯和所述第六侧面芯的直径相同且大于所述第二三芯光纤的中心芯的直径，所述第五侧面芯、所述第六侧面芯和所述第二三芯光纤的中心芯同一端的三个端面的中心点构成等腰三角形，且等腰三角形的顶角为120
°
。
20.本发明一个实施例还提供一种传感器封装结构，包括上述任一项实施例所述的干涉型超声波传感器和具有通孔的圆环，所述干涉型超声波传感器穿过所述圆环的通孔。
21.在本发明的一个实施例中，所述圆环的材料包括聚氨酯弹性体。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果：
23.本发明设计的柔性干涉型超声波传感器结构可以接收不同方向的超声信号。整体结构简单、易于制作、成本较低，且由于耦合材料具有较高的弹性和柔性，以及较高的透光率，能够使传感器探测超声频率范围宽，灵敏度高。
24.本发明采用的耦合材料导热性较低，pc/pen的超声应力变化比热膨胀引起的变化大几个数量级；同时由于芯模和包层模的大部分能量位于二氧化硅微纤维中，其具有相近的热光系数，因此传感器的抗温度干扰能力比较强。
25.本发明提供的干涉型超声波传感器是由全光纤组成，光纤超声波传感器是无源设备，因此其克服了传统超声波传感器无法在强烈电磁干扰下工作的缺点。和传统超声波传感器相比，还具有体积小、重量轻的优点。
附图说明
26.图1为本发明实施例提供的一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的另一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图；
28.图3为本发明实施例提供的又一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的不同方向超声波作用传感器的示意图；
30.图5a-图5c分别为本发明实施例提供的传感器超声场仿真总声压场、应力、声压级和位移的结果示意图；
31.图6为本发明实施例提供的传感器封装的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
33.实施例一
34.目前，现有的光纤干涉型超声波传感器由于干涉结构的限制无法检测多方向超声场而在实际应用中受到制约。并且，现有的光纤干涉型超声波传感器受温度影响较大。
35.基于此，请参见图1至图3，图1为本发明实施例提供的一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图，图3为本发明实施例提供的又一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器的结构示意图，本发明实施例提供一种柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器，该干涉型超声波传感器包括第一单模光纤1(单模光纤的英文全称为single mode fiber,简写为smf)、传感光纤和第二单模光纤2，第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2均为圆柱形，其中：
36.第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2依次连接；
37.在第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2均包括包层3和中心芯4，第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2的中心芯4均对应设置在包层3的中心轴线上，且第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2内设置的中心芯依次连接；
38.并且第一单模光纤1与传感光纤之间、传感光纤与第二单模光纤2之间均通过耦合材料连接。
39.进一步的，第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2的包层和纤芯的材料均为
二氧化硅微纤维。
40.进一步的，耦合材料包括聚碳酸酯(polycarbonate，pc)或者聚萘二甲酯乙二醇酯(polyethylene naphthalate two formic acid glycol ester，pen)，也就是说，第一单模光纤1与传感光纤之间、传感光纤与第二单模光纤之间通过聚碳酸酯或者是聚萘二甲酯乙二醇酯连接。
41.本发明提出的光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器包括两根单模光纤(即第一单模光纤和第二单模光纤)和传感光纤，并在两根单模光纤和传感光纤之间利用pc或pen(耦合材料)进行软拼接。当光从第一单模光纤1通过耦合材料注入传感光纤时，由于耦合材料具有较高的透光率且有一定的宽度，光到达耦合材料中会产生散射现象。由于单模光纤和传感光纤的纤芯直径和位置不同，导致纤芯的一部分光进入传感光纤的包层激发出光纤的包层模，另一部分光继续沿着传感光纤的纤芯传输。纤芯基模和包层模在传感光纤中传播一定距离后，再次通过耦合材料传输，最后到达第二单模光纤输出。由于纤芯基模和包层模的有效折射率不同，这导致它们在光纤中传输时存在光程差，从而产生干涉。
42.另外，为了更好的理解本发明，本发明还提供该传感器的制备方法，具体为：在制备时，首先将第一单模光纤1、传感光纤和第二单模光纤2的端面切割平整，并用酒精清洗干净。然后把第一段第一单模光纤1、传感光纤在显微镜下对准，使它们的切面相互接触，在第一单模光纤1与传感光纤的连接点加上一滴pc或者pen溶液，让pc或者pen溶液充分的浸透到第一单模光纤1与传感光纤的接触面，并去除多余溶液。通过加热固化进行软拼接，固化后，pc或者pen具有较高的极限抗拉强度，使得结构具有更好得弹性和柔性，同时仍保持足够的强度用于光纤连接。在传感光纤的另一端用同样的方法和第二单模光纤2进行软拼接，最终形成干涉型超声波传感器。
43.该干涉型超声波传感器的纤芯基模和包层模之间的干涉强度可作如下定义：
[0044][0045]
其中，i
core
是纤芯基模的光强，i
clad
是包层模的光强，δφ是纤芯基模和包层模之间的相位差。
[0046]
纤芯基模和包层模之间的相位差可以表示为：
[0047][0048]
其中，l是传感光纤的长度，λ是光纤中的光波长，δn
eff
是纤芯基模和包层模之间的有效折射率差。
[0049]
当相位差满足δφ＝(2k+1)π,(k＝0,
±
1,
±
2,l)时，干涉强度最小，此时干涉谷波长为：
[0050][0051]
在测量超声信号时，两端的smf部分被固定，由于连接处的耦合材料具有较高的弹性和柔性，因此传感光纤接收任何某一方向的超声信号时都会发生位移，从而导致长度l的变化。同时由于弹性光学效应，传输模式的有效折射率将发生变化，因此纤芯基模和包层模之间的有效折射率差随超声信号而变化，根据公式(2)相位差δφ将会发生变化。因此，可
以通过检测输出干涉光谱的变化来实现超声检测。
[0052]
综上所述，本发明利用pc或者pen材料作为传感器的耦合器，形成干涉型超声波传感器，由于所使用的耦合材料pc或者pen的透光率较高，当光从第一单模光纤通过pc或pen进入传感光纤时，由于纤芯失配会激发出多个包层模，这些包层模和纤芯基模在传感光纤中传输后耦合进入pc或者pen，再经由第二单模光纤输出，形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。传感器两端的smf固定，耦合材料和自由端传感光纤所接收到的超声信号会导致发生应变，从而调制传感器信号的强度或者波长变化。本发明利用pc或者pen的优越弹性和结构的紧凑性，在不需要额外的外部振动接收器的情况下，可以实现多方向的超声检测，使得传感器对外界的超声信号或机械振动高度敏感，而且pc或者pen的低导热性可以消除传感器的温度交叉灵敏影响。
[0053]
实施例二
[0054]
请参见图1，本发明在上述实施例的基础上提供一种具体的柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器，该干涉型超声波传感器的传感光纤为第一双芯光纤5(双芯光纤的英文全称为dual-core fiber,简写为dcf)，即该干涉型超声波传感器通过依次连接的第一单模光纤1、第一双芯光纤5和第二单模光纤2组成，第一单模光纤1与第一双芯光纤5之间通过pc或者pen连接、第一双芯光纤5和第二单模光纤2通过pc或者pen连接。
[0055]
进一步的，第一单模光纤1和第二单模光纤2的中心芯的折射率大于第一单模光纤1和第二单模光纤2的包层的折射率，由此光信号才会在纤芯和包层交界处形成全反射，进行传输。
[0056]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2中心芯的折射率为1.4682、中心芯的直径为9μm。
[0057]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2包层的折射率为1.4628、包层的直径为125μm。
[0058]
进一步的，在第一双芯光纤5内的轴线方向设置有一第一侧面芯6，第一侧面芯6和第一双芯光纤5的中心芯4具有第一预设距离，第一预设距离大于零。
[0059]
可选的，第一预设距离为36.5μm。
[0060]
进一步的，第一双芯光纤5的中心芯4和第一侧面芯6的折射率相同，且第一双芯光纤5的中心芯4和第一侧面芯6的折射率大于第一双芯光纤5的包层3的折射率，由此光信号才会在纤芯和包层交界处形成全反射，进行传输；第一双芯光纤5的中心芯4的直径小于第一侧面芯6。
[0061]
可选的，第一双芯光纤5的中心芯4和第一侧面芯6的直径分别为5.5μm和8.5μm。
[0062]
可选的，第一双芯光纤5的中心芯4和第一侧面芯6的折射率为1.457。
[0063]
可选的，第一双芯光纤5的包层直径为125μm，折射率为1.444。
[0064]
本发明利用pc或者pen材料作为传感器的耦合器，形成干涉型超声波传感器，由于所使用的耦合材料pc或者pen的透光率较高，当光从第一单模光纤通过pc或pen进入第一双芯光纤时，由于纤芯失配会激发出多个包层模，这些包层模和纤芯基模在传感光纤中传输后耦合进入pc或者pen，再经由第二单模光纤输出，形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。传感器两端的单模光纤固定，耦合材料和自由端传感光纤所接收到的超声信号会导致发生应变，从而调制传感器信号的强度或者波长变化。本发明利用pc或者pen的优越弹性和结构的紧凑
性，在不需要额外的外部振动接收器的情况下，可以实现多方向的超声检测，使得传感器对外界的超声信号或机械振动高度敏感，而且pc或者pen的低导热性可以消除传感器的温度交叉灵敏影响。
[0065]
实施例三
[0066]
请参见图2，本发明在上述实施例的基础上提供一种具体的柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器，该干涉型超声波传感器的传感光纤为第一三芯光纤7(三芯光纤的英文全称为three-core fiber,简写为3cf)，即该干涉型超声波传感器通过依次连接的第一单模光纤1、第一三芯光纤7和第二单模光纤2组成，第一单模光纤1与第一三芯光纤7之间通过pc或者pen连接、第一三芯光纤7和第二单模光纤2通过pc或者pen连接。
[0067]
进一步的，第一单模光纤1和第二单模光纤2的中心芯的折射率大于第一单模光纤1和第二单模光纤2的包层的折射率，由此光信号才会在纤芯和包层交界处形成全反射，进行传输。
[0068]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2中心芯的折射率为1.4682、中心芯的直径为9μm。
[0069]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2包层的折射率为1.4628、包层的直径为125μm。
[0070]
进一步的，在第一三芯光纤7内的轴线方向设置有一第二侧面芯8和第三侧面芯9，第二侧面芯8和第三侧面芯9不对称的分布在第一三芯光纤7的中心芯4的两侧。
[0071]
第一三芯光纤7的中心芯4、第二侧面芯8和第三侧面芯9的折射率相同，且第一三芯光纤7的中心芯4、第二侧面芯8和第三侧面芯9的折射率大于第一三芯光纤7的包层3的折射率，由此光信号才会在纤芯和包层交界处形成全反射，进行传输；第二侧面芯8和第三侧面芯9的直径相同且大于第一三芯光纤7的中心芯4的直径，第二侧面芯8、第三侧面芯9和第一三芯光纤7的中心芯4同一端的三个端面的中心点构成等腰三角形，且等腰三角形的顶角为120
°
。
[0072]
可选的，第一三芯光纤7的包层3的直径为125μm，第一三芯光纤7的中心芯的直径为5.5μm，第二侧面芯8和第三侧面芯9的直径为8.1μm。
[0073]
可选的，第一三芯光纤7的中心芯与第二侧面芯8之间的距离、第一三芯光纤7的中心芯与第三侧面芯9之间的距离为31.5μm，第二侧面芯8和第三侧面芯9之间的距离为54.5μm。
[0074]
可选的，第一三芯光纤7的包层3的折射率为1.447，第一三芯光纤7的中心芯、第二侧面芯8和第三侧面芯9的折射率为1.457。
[0075]
超声波作用下，传感器信号的强度或者波长变化主要有两个原因。一是超声波信号引起的耦合材料的形变。当从某一方向发射超声信号作用到传感器时，由于耦合材料具有较高的弹性和柔性，会发生轻微形变。这里以图2传感结构为例，介绍传感器的传感原理，其他传感器可参考该原理。如图4所示，当超声从a或者f方向作用传感器时，
①
处的耦合材料收缩，
②
处的耦合材料拉伸；当超声从c或者d方向作用传感器时，
①
处的耦合材料拉伸，
②
处的耦合材料收缩；当超声从b作用传感器时，
①
处和
②
处的耦合材料上侧收缩，下侧拉伸；当超声从e作用传感器时，
①
处和
②
处的耦合材料上侧拉伸，下侧收缩；二是超声波信号可通过耦合剂水直接作用到传感光纤上，传感光纤产生轻微形变。同时由于弹性光学效应，
传输模式的有效折射率将发生变化，因此纤芯基模和包层模之间的有效折射率差随超声信号而变化。
[0076]
为了说明本发明的干涉型超声波传感器的效果，利用有限元软件对传感器进行声学仿真，以模拟该超声波传感器的性能。这里以传感光纤为第一三芯光纤为例，相应的模拟结果分别如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示。图5(a)为球形总声压场的xz截面图，可以很明显看出声波是从哪个方向入射到域内的。图5(b)为该传感器结构对应超声信号的应力图，由于两端单模被固定，中间的传感光纤部分受到一定的应力，大约在1pa左右，对应入射超声波信号的压力幅值。图5(c)为球形声场的声压级以及传感器对应的位移图，结果显示在两侧的耦合材料处位移较大，最大位移约为8
×
10-8
mm。两侧的耦合材料部分还具有集中的声压级，声压级最大可达120db,这说明相对于光纤材料，pc/pen更容易探测到超声信号。当传感器结构接收超声信号时，pc/pen的形变会影响到公式(2)中l的变化以及传输模式的有效折射率的变化，从而检测输出光谱的变化。
[0077]
综上，本发明利用pc或者pen材料作为传感器的耦合器，形成干涉型超声波传感器，由于所使用的耦合材料pc或者pen的透光率较高，当光从第一单模光纤通过pc或pen进入第一三芯光纤7时，由于纤芯失配会激发出多个包层模，这些包层模和纤芯基模在传感光纤中传输后耦合进入pc或者pen，再经由第二单模光纤输出，形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。传感器两端的单模光纤固定，耦合材料和自由端传感光纤所接收到的超声信号会导致发生应变，从而调制传感器信号的强度或者波长变化。本发明利用pc或者pen的优越弹性和结构的紧凑性，在不需要额外的外部振动接收器的情况下，可以实现多方向的超声检测，使得传感器对外界的超声信号或机械振动高度敏感，而且pc或者pen的低导热性可以消除传感器的温度交叉灵敏影响。
[0078]
实施例四
[0079]
请参见图3，本发明在上述实施例的基础上提供一种具体的柔性光纤马赫-曾德尔干涉型超声波传感器，该干涉型超声波传感器的传感光纤为第二双芯光纤10和第二三芯光纤11,，即该干涉型超声波传感器通过依次连接的第一单模光纤1、第二双芯光纤10、第二三芯光纤11和第二单模光纤2组成，第一单模光纤1与第二双芯光纤10之间、第二双芯光纤10与第二三芯光纤11之间、第二三芯光纤11与第二单模光纤2之间均通过pc或者pen连接。
[0080]
进一步的，第一单模光纤1和第二单模光纤2的中心芯的折射率大于第一单模光纤1和第二单模光纤2的包层的折射率，由此光信号才会在纤芯和包层交界处形成全反射，进行传输。
[0081]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2中心芯的折射率为1.4682、中心芯的直径为9μm。
[0082]
可选的，第一单模光纤1和第二单模光纤2包层的折射率为1.4628、包层的直径为125μm。
[0083]
进一步的，在第二双芯光纤10内的轴线方向设置有一第四侧面芯12，第四侧面芯12和第二双芯光纤10的中心芯4具有第一预设距离，第一预设距离大于零。
[0084]
可选的，第一预设距离为36.5μm。
[0085]
进一步的，第二双芯光纤10的中心芯4和第四侧面芯12的折射率相同，且第二双芯光纤10的中心芯4和第四侧面芯12的折射率大于第二双芯光纤10的包层3的折射率；第二双
芯光纤10的中心芯4的直径小于第四侧面芯12。
[0086]
可选的，第二双芯光纤10的中心芯4和第四侧面芯12的直径分别为5.5μm和8.5μm。
[0087]
可选的第二双芯光纤10的中心芯4和第四侧面芯12的折射率为1.457。
[0088]
可选的，第二双芯光纤10的包层直径为125μm，折射率为1.444。
[0089]
进一步的，在第二三芯光纤11内的轴线方向设置有一第五侧面芯13和第六侧面芯14，第五侧面芯13和第六侧面芯14不对称的分布在第二三芯光纤11的中心芯4的两侧。
[0090]
第二三芯光纤11的中心芯4、第五侧面芯13和第六侧面芯14的折射率相同，且第二三芯光纤11的中心芯4、第五侧面芯13和第六侧面芯14的折射率小于第二三芯光纤11的包层3的折射率，第五侧面芯13和第六侧面芯14的直径相同且大于第二三芯光纤11的中心芯4的直径，第五侧面芯13、第六侧面芯14和第二三芯光纤11的中心芯4同一端的三个端面的中心点构成等腰三角形，且等腰三角形的顶角为120
°
。
[0091]
可选的，第二三芯光纤11的包层3的直径为125μm，第二三芯光纤11的中心芯的直径为5.5μm，第五侧面芯13和第六侧面芯14的直径为8.1μm。
[0092]
可选的，第二三芯光纤11的中心芯与第五侧面芯13之间的距离、第二三芯光纤11的中心芯与第六侧面芯14之间的距离为31.5μm，第五侧面芯13和第六侧面芯14之间的距离为54.5μm。
[0093]
可选的，第二三芯光纤11的包层3的折射率为1.447，第二三芯光纤11的中心芯、第五侧面芯13和第六侧面芯14的折射率为1.457。
[0094]
本发明利用pc或者pen材料作为传感器的耦合器，形成干涉型超声波传感器，由于所使用的耦合材料pc或者pen的透光率较高，当光从第一单模光纤通过pc或pen依次进入第二双芯光纤10、第二三芯光纤11时，由于纤芯失配会激发出多个包层模，这些包层模和纤芯基模在传感光纤中传输后耦合进入pc或者pen，再经由第二单模光纤输出，形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。传感器两端的单模光纤固定，耦合材料和自由端传感光纤所接收到的超声信号会导致发生应变，从而调制传感器信号的强度或者波长变化。本发明利用pc或者pen的优越弹性和结构的紧凑性，在不需要额外的外部振动接收器的情况下，可以实现多方向的超声检测，使得传感器对外界的超声信号或机械振动高度敏感，而且pc或者pen的低导热性可以消除传感器的温度交叉灵敏影响。
[0095]
实施例五
[0096]
本发明在上述实施例的基础上还提供一种传感器封装结构，该传感器封装结构包括上述任一项实施例所述的干涉型超声波传感器和具有通孔的圆环，干涉型超声波传感器穿过圆环的通孔。例如，请参见图6，其干涉型超声波传感器为图3所示的结构。其中
①
端为入射光波，连接可调谐波长激光器。
②
端为出射光波，连接光电二极管，以及电流-电压转换高速放大电路，示波器等。
③
结构为圆环封装结构。
[0097]
本发明主要是利用透光率高、耐热性能高，柔性好的耦合材料(聚碳酸酯(pc)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen))在两根单模光纤之间软拼接其他传感光纤制成，利用一定宽度的pc/pen材料当做干涉系统的耦合器，最终形成smf-(pc/pen)-(dcf/3cf/dcf+3cf)-(pc/pen)-smf的干涉结构。封装模块设计为圆环结构，圆环结构的厚度为5μm，圆环结构的直径等于两侧耦合材料的宽度和传感光纤的长度之和，圆环的两个孔直径分别为126μm，稍大于单模的包层直径125μm。圆环结构既可以固定传感器的单模部分，还可以带动传感器共同
360
°
转动，接收不同方向的超声信号。整体结构简单、易于制作、成本较低，且由于耦合材料具有较高的弹性和柔性，以及较高的透光率，能够使传感器探测超声频率范围宽，灵敏度高。
[0098]
封装模块中的圆环结构所用材料为聚氨酯弹性体，聚氨酯弹性体的透声性能比较好，可以使超声波入射到圆环结构时无反射、无损耗地通过。同时聚氨酯弹性体具有特性声阻抗与水匹配性好、声衰减常数低的特点，完全满足水声透声材料设计的基本要求，使得传感器在水下也能运行，增加了传感器的应用场景。单模光纤和圆环孔连接处用环氧树脂固定，能够使传感器吸收残余的超声场，应用场景范围大。
[0099]
本发明提供的干涉型超声波传感器是由全光纤组成，其直径由125μm的二氧化硅微纤维(干涉型超声波传感器的包层和纤芯的材料均为二氧化硅微纤维)构成，而且圆环结构的直径可根据实际超声检测环境调整大小。因此其不仅具有较高的空间分辨率，同时满足狭小空间的测量要求。
[0100]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0101]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0102]
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。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。