本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種用于聲納檢漏儀的聲—光—電—聲三級(jí)轉(zhuǎn)換的適配裝置，實(shí)現(xiàn)惡劣、復(fù)雜環(huán)境中對(duì)氣、液體泄漏所引發(fā)的微弱超聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的方法

背景技術(shù)：

目前，油、氣等壓力管道的微泄漏進(jìn)行檢漏是世界性的難題，聲納檢漏儀利用聲納技術(shù)，對(duì)泄漏故障獨(dú)特的微弱聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析及處理，正得到廣泛應(yīng)用。

然而某些特殊場(chǎng)合，設(shè)備或者管道被隔音材料包裹，或浸于腐蝕性油、水、汽中，傳統(tǒng)超聲探頭難以工作。本發(fā)明設(shè)計(jì)的聲納檢漏儀適配系統(tǒng)，可將光柵傳感器接入聲納檢漏儀的適配裝置，通過(guò)光、電、聲兩級(jí)調(diào)制轉(zhuǎn)換，將光柵傳感與聲納檢漏儀方便連接，在不破壞原儀表結(jié)構(gòu)的前提下提供更豐富的傳感形式，從而實(shí)現(xiàn)空間受限、聲波受阻、環(huán)境惡劣條件下的泄漏超聲檢測(cè)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。激光用于氣體檢測(cè)在環(huán)境檢測(cè)和分析以及各種工業(yè)過(guò)程控制等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。

因此，需要一種能如何利用聲納技術(shù)來(lái)精確檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于匹配布拉格光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次連接的帶有絨毛的布拉格光纖光柵、光耦合器、匹配布拉格光纖光柵、光源、光電探測(cè)器、前置信號(hào)放大器、電信號(hào)輸出模塊、電聲輸出模塊以及聲納檢漏儀，其中所述帶有絨毛的布拉格光柵包括柔性聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)基底膜片、貼附于所述基底膜片上的布拉格光纖光柵以及所述布拉格光纖光柵設(shè)置的絨毛層，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈性波對(duì)激光信號(hào)的聲光調(diào)制；

所述光耦合器連接所述布拉格光纖光柵與匹配布拉格光纖光柵的，用于正向輸入基準(zhǔn)激光、反向傳輸傳感激光；

所述光源與所述光耦合器連接，用于產(chǎn)生待調(diào)制的基準(zhǔn)激光信號(hào)；

所述匹配布拉格光纖光柵與所述光耦合器連接，用于與傳感激光進(jìn)行光信號(hào)匹配檢測(cè)；

所述光電探測(cè)器與所述匹配布拉格光纖光柵連接，實(shí)現(xiàn)匹配光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換；

所述前置信號(hào)放大器與所述光電探測(cè)器連接，實(shí)現(xiàn)弱光信號(hào)的調(diào)理、放大；

所述電信號(hào)輸出模塊與所述前置信號(hào)放大器連接，用于產(chǎn)生適合于聲納檢漏儀輸入的多種電信號(hào)形式；

所述電聲輸出模塊與所述前置信號(hào)放大器連接，產(chǎn)生適合于聲納檢漏儀拾音頭檢測(cè)的偽聲源。

優(yōu)選地，信號(hào)轉(zhuǎn)換流程為聲光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、電聲轉(zhuǎn)換三級(jí)轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選地，所述基底膜片采用超薄PVC材料。

優(yōu)選地，采用電紡纖維作為聲匹配材料絨毛結(jié)構(gòu)，吸收透射聲信號(hào)。

優(yōu)選地，采用電紡纖維電紡纖維絨毛結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為1-2mm。

優(yōu)選地，所述電聲輸出模塊采用壓電換能器。

根據(jù)本發(fā)明的基于匹配布拉格光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度高，在不破壞現(xiàn)有聲納檢漏儀結(jié)構(gòu)的前提下，拓展了其在高腐蝕、高濕高溫環(huán)境下的應(yīng)用，易于在多種場(chǎng)合應(yīng)用。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的匹配布拉格光纖光柵式聲納檢漏適配系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的基底膜片結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

針對(duì)本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。

本發(fā)明提供了一種匹配布拉格光纖光柵式聲納檢漏適配系統(tǒng),通過(guò)聲—光—電—聲三級(jí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)管道微泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的傳感，并為現(xiàn)有聲納檢漏儀提供適配接口，在不破壞現(xiàn)有聲納檢漏儀結(jié)構(gòu)的前提下，拓展了其在高腐蝕、高濕高溫環(huán)境下的應(yīng)用。該方法和系統(tǒng)不僅僅局限于對(duì)管道泄漏的檢測(cè)，也可容易地推廣到對(duì)其它聲納檢漏儀的應(yīng)用領(lǐng)域中。

本發(fā)明提供了一種利用絨毛光柵結(jié)構(gòu)的基于匹配布拉格光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的利用絨毛光柵結(jié)構(gòu)的匹配布拉格光纖光柵式聲納檢漏適配系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。所述系統(tǒng)100包括依次連接的帶有絨毛的布拉格光纖光柵101、光耦合器102、匹配布拉格光纖光柵103、光源104、光電探測(cè)器105、前置信號(hào)放大器106、電信號(hào)輸出模塊107、電聲輸出模塊108以及聲納檢漏儀109。

具體地，帶有絨毛的布拉格光纖光柵101(圖中所示為FBG1 101),所述布拉格光柵101包括柔性聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)基底膜片以及與所述柔性聲發(fā)射基底膜片連接的布拉格光纖光柵，實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈性波對(duì)激光信號(hào)的聲光調(diào)制；布拉格光柵101的具體結(jié)構(gòu)將在下面參考圖2詳細(xì)描述。

光耦合器102連接所述布拉格光纖光柵101與匹配布拉格光纖光柵103，用于正向輸入基準(zhǔn)激光、反向傳輸傳感激光；

光源104與所述光耦合器102連接，優(yōu)選為L(zhǎng)D激光光源，用于產(chǎn)生待調(diào)制的基準(zhǔn)激光信號(hào)；

匹配布拉格光纖光柵103與所述光耦合器102連接，用于與傳感激光進(jìn)行光信號(hào)匹配檢測(cè)；

光電探測(cè)器105與所述匹配布拉格光纖光柵103連接，實(shí)現(xiàn)匹配光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換；

前置信號(hào)放大器106與所述光電探測(cè)器105連接，實(shí)現(xiàn)弱光信號(hào)的調(diào)理、放大；

電信號(hào)輸出模塊107與所述前置信號(hào)放大器106連接，用于產(chǎn)生適合于聲納檢漏儀109輸入的多種電信號(hào)形式；

電聲輸出模塊108與所述前置信號(hào)放大器106連接，產(chǎn)生適合于輸入到聲納檢漏儀109拾音頭檢測(cè)的偽聲源。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，信號(hào)轉(zhuǎn)換流程為聲光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、電聲轉(zhuǎn)換三級(jí)轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選地，所述電聲輸出模塊108采用壓電換能器。

根據(jù)本發(fā)明，布拉格光纖的芯徑由所采用的有源光纖決定，包層芯徑優(yōu)選為125μm，光纖纖芯的芯徑可以選用4μm、8μm或10μm，優(yōu)選為10/125μm。根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例，光纖的類(lèi)型應(yīng)與光源104的泵浦波長(zhǎng)相匹配。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，布拉格光纖選自摻鉺光纖、摻鐿光纖或鉺鐿共摻光纖。

摻鉺光纖所匹配的泵浦波長(zhǎng)可采用980nm或1480nm，摻鐿光纖的泵浦波長(zhǎng)可采用976nm或915nm，鉺鐿共摻光纖的泵浦波長(zhǎng)可采用976nm，根據(jù)波長(zhǎng)和芯徑參數(shù)進(jìn)一步確定光耦合器102的參數(shù)。最終出射的激光波長(zhǎng)在有源光纖一定增益范圍內(nèi)(如1530-1560nm)由布拉格光纖光柵的反射波長(zhǎng)確定。摻鐿光纖的典型出射波長(zhǎng)為1535nm，摻鉺光纖的典型出射波長(zhǎng)為1064nm，鉺鐿共摻光纖的典型出射波長(zhǎng)為1550nm。

例如，在本實(shí)施例中，若選用芯徑為10/125μm摻鉺光纖作為增益介質(zhì)。光源104輸出波長(zhǎng)976nm，F(xiàn)BG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。實(shí)驗(yàn)中若選用芯徑為10/125μm摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，LD尾纖需選取同樣型號(hào)芯徑。LD為915nm單模輸出，F(xiàn)BG選取1064nm附近，可在該范圍內(nèi)獲得激光輸出。

圖1示出的根據(jù)本發(fā)明的利用絨毛光柵結(jié)構(gòu)的匹配布拉格光纖光柵式聲納檢漏適配系統(tǒng)的工作原理如下：

光源104發(fā)出激光，通過(guò)光耦合器102耦合到帶有絨毛的布拉格光纖光柵101，投射到要探測(cè)的對(duì)象上，激光經(jīng)探測(cè)對(duì)象返回至布拉格光纖光柵101，然后經(jīng)光耦合器102耦合到匹配布拉格光纖光柵103。匹配布拉格光纖光柵103調(diào)制輸出的光信號(hào)被輸入到光電探測(cè)器105轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)前置信號(hào)放大器106的放大，輸入到電信號(hào)輸出模塊107和電聲輸出模塊108，再輸入到聲納檢漏儀109進(jìn)行檢測(cè)。

圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的利用絨毛光柵結(jié)構(gòu)的匹配布拉格光纖光柵式聲納檢漏適配系統(tǒng)中帶有絨毛的布拉格光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，帶有絨毛的布拉格光纖光柵101包括布拉格光纖光柵201、絨毛層202以及基底膜片203。該基底膜片203例如可以采用柔性PVC基片，其上貼附有布拉格光纖光柵201，在布拉格光纖光柵201上設(shè)置有絨毛層202，絨毛層202優(yōu)選地可以采用電紡纖維絨毛結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的絨毛層202可以通過(guò)下列工藝制成，以形成在布拉格光纖光柵201上。例如，通過(guò)噴射裝置中裝滿了充電的聚合物溶液或熔融液。在外加電場(chǎng)作用下,受表面張力作用而保持在噴嘴處的高分子液滴,在電場(chǎng)誘導(dǎo)下表面聚集電荷,受到一個(gè)與表面張力方向相反的電場(chǎng)力。當(dāng)電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)時(shí),噴嘴處的液滴由球狀被拉長(zhǎng)為錐狀,形成所謂的泰勒錐。而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加至一個(gè)臨界值時(shí),電場(chǎng)力就會(huì)克服液體的表面張力,從泰勒錐中噴出。噴射流在高電場(chǎng)的作用下發(fā)生震蕩而不穩(wěn),產(chǎn)生頻率極高的不規(guī)則性螺旋運(yùn)動(dòng)。在高速震蕩中,噴射流被迅速拉細(xì),溶劑也迅速揮發(fā),最終形成直徑納米級(jí)的纖維,并以隨機(jī)的方式散落在收集裝置上,形成纖維絨毛層。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的基底膜片采用超薄PVC材料，極大降低對(duì)待測(cè)表面的影響，例如厚度為10nm-100mm之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的基底膜片利用電紡纖維作為聲匹配材料，吸收透射聲信號(hào)。電紡纖維采用與基底膜片相同的PVC，通過(guò)高壓靜電拉絲形成納米級(jí)絨毛，對(duì)基底的透射聲波進(jìn)行吸收，防止出現(xiàn)多次反射而引發(fā)聲發(fā)射信號(hào)的拖尾現(xiàn)象。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電紡纖維絨毛結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為1-2mm。

根據(jù)本發(fā)明的基于匹配布拉格光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度高，在不破壞現(xiàn)有聲納檢漏儀結(jié)構(gòu)的前提下，拓展了其在高腐蝕、高濕高溫環(huán)境下的應(yīng)用，易于在多種場(chǎng)合應(yīng)用。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。