一种高方向灵敏度光纤F-P超声传感系统设计研究*

单 宁

（武警工程大学装备工程学院，西安 710086）

一种高方向灵敏度光纤F-P超声传感系统设计研究*

单 宁*

（武警工程大学装备工程学院，西安 710086）

针对光纤F-P超声传感器工作点易偏离问题，设计了基于双波长稳定技术的低细度光纤F-P传感系统，建立了双波长光纤F-P传感系统的DE算法数学模型，优化设计了一高正交精度光纤F-P传感系统，建立基于该传感器的激光超声检测系统，实验研究了该传感器探测超声信号的有效性和方向灵敏度。结果表明，该传感器可以有效检测试样中激发出的超声表面波信号。激发源与传感器轴向夹角为0°时，表面波幅值最大。随着激发源与传感器轴向夹角增大，表面波幅值降低。激发源与传感器轴线垂直时，幅值下降达80%，说明该传感器有很强的方向性。

光纤；F-P传感器；微分进化算法；激光超声；表面波

激光超声技术具有激发效率高、衰减小、快速、精确和易于检测等优点，是无损检测领域的研究热点［1-3］。与传统的超声探测装置相比，光纤传感器灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、环境适应性强、频响高、可实现远距离检测，具有广泛的应用前景［4-5］。光纤Fabry-Perot（F-P）传感器在实际超声探测中，由于加工误差和外界环境因素影响，常会引起F-P腔初始腔长的变化，易偏离工作点，造成输出信号衰减，信噪比降低。针对这一问题，传感器的光源须选择超稳定可调谐激光光源［6］，但是其成本太高，对干扰敏感。双波长稳定技术［7］是通过合理设计传感系统两路输出光的波长，使两路输出信号处于正交状态，以保证传感器工作点处于最大灵敏区，该方法容易实现，且操作简单。传统的双波长稳定技术，两路输出光的波长是通过近似方法［8-9］得到的，导致输出信号正交精度低，难以实现双波长的稳定优点。本文设计一双波长光纤F-P超声传感系统，建立其结构优化模型，采用DE算法对传感系统进行结构优化，设计制作了一高正交精度光纤F-P超声传感系统，建立基于该传感系统的激光超声探测装置，研究了该传感器的方向灵敏特性。

1 系统工作原理及优化模型建立

如图1示，传感系统由ASE宽带光源、1×2光纤耦合器（50∶50）、1×2波分复用器（1×2DWDM）、两路光电检测器及F-P传感器组成。其中传感头为一低细度非本征光纤F-P腔，由两段端部抛光的单模光纤同轴对齐，通过CO2激光器熔接在毛细管玻璃中，端面反射率约为4%，反射光纤背端作毛化处理以消除反射光干扰。

图1 传感系统示意图

光源输出具有一定波长范围的光波，光纤耦合器将光波分光后经传导光纤传输到F-P腔，被信号调制后，携带外界信息的干涉光再次通过光纤耦合器传输到波分复用器，波分复用器按设定的波长滤出两路光波，输出两路正交光信号，然后经光电探测器转换成电信号。在两路输出光近似为单色光条件下，与中心波长对应的两路输出光的相位差Δθ为

式中：d为F-P腔的腔长；λ1、λ2分别为两路输出光的波长；n为F-P腔光纤的折射率。

由式（1）可以看出，为了使两路输出光满足正交，只需两路输出光的相位差等于π/2。为此建立优化模型

式中：X（j）o、X（j）l分别为第j个设计变量的下边界和上边界；gu（X）为约束函数，有

微分进化算法DE（Differential Evolution Algorithm）算法全局搜索能力强，鲁棒性好，收敛速度快，能更为简单、有效的解决复杂优化问题［10-11］，得到了广泛应用。其基本思想是：先确定初始化种群个体数目和优化搜索的范围，产生初始化种群，然后对种群中的每个个体从当前种群中随机选择3个点，以其中一个点为基础、其他两个点为参照做一个扰动，所得点与这个个体交叉后进行选择，保留较优者，实现种群的优化，重复选择过程，直到满足精度要求。但是DE算法一般用于求解无约束规划，故采用罚函数把式（2）转化为无约束规划

式中：t为进化代数，T（t）=0.1（t+1）+T（t）为惩罚因子；罚函数

2 传感器优化设计

本文传感系统光源的波长范围为1 525 nm～1 610 nm，假设 F-P腔设计要求的长度范围为15 μm～50 μm。采用DE算法传感系统进行优化设计，参数设置分别为：种群规模N=30；变异因子F= 0.5；杂交概率Pc=0.5，惩罚因子初值T（0）=5，误差e=10-3，与近似方法［8-9］进行比较，结果如表1示。

表1 结果对比

当腔长变化为0～3 000 nm时，文献［8-9］与DE算法设计的两路输出光正交误差如图2所示。

根据实际加工精度，腔长取值为d=20 500 nm；根据国际电信联盟（ITU）制定的密集波分复用器滤波波长选取标准，取λ1=1 559.39 nm，λ2=1 574.46 nm。

图2 3种结果正交误差对比

3 实验结果

光纤F-P超声探测实验装置，如图3所示。由调Q-Nd：YAG激光器产生的波长为1.06 μm，脉冲宽度为15 ns，最大能量为120 mJ/Pulse的激光脉冲经透镜聚焦后入射到试样表面，激发出超声波，超声信号由试样表面粘贴的光纤F-P传感器接收，经传感系统调制、转换后进入信号处理单元。放大处理后送到TDS220双通道数字式示波器进行采集，并保存数据。

图3 光纤F-P超声探测装置

实验中选用的铝试样尺寸为100 mm×100 mm× 10 mm。传感器和激发源在试样表面同侧，设F-P探头轴向和纵向之间90°均匀分为15°每格的6等份，图4为激发源中心与光纤F-P传感器中心连线和探头纵向之间的夹角。

当激发源中心距传感器中心位置22 mm，激光单脉冲能量为90 mJ时，将PZT压电传感器粘贴在试样表面时，探测到的声表面波如图5所示。令FP探头中心与PZT压电传感器中心重合粘贴，图6为激发源位置改变时探测到的表面波。由图5、图6可以看出设计的光纤F-P传感器能有效探测声表面波。由图6可以看出，随着激发源与传感器轴向夹角的增大，表面波幅值逐渐降低，将表面波的峰峰值取绝对值相加后，可得变化曲线如图7所示。

4 结论

光纤F-P超声传感器在实际应用中受环境干扰，易偏离工作点，造成信号衰减、失真现象，故通常采用双波长稳定技术进行弥补。而传统双波长技术正交精度低，难以体现其优点。本文设计了基于双波长稳定技术的低细度光纤F-P传感系统，建立了双波长光纤F-P传感系统的DE算法数学模型，优化设计了一高正交精度光纤F-P传感系统，建立基于该传感器的激光超声检测系统。图5、图6所示实验结果表明，该传感器可以有效检测试样中激发出的超声表面波信号。图6、图7表明，当激发源与传感器轴向夹角为0°时，表面波幅值最大，随着激发源与传感器轴向夹角增大，表面波幅值逐渐减小；当激发源与传感器轴线夹角为90°时，幅值下降达80%，说明该传感器有很强的方向性。因此，在实际应用中，应尽量保持激光源与F-P探头轴向在一直线，以使超声信号获得较大灵敏度。

图7 表面波幅值随夹角变化曲线

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单 宁（1980-），男，汉族，山东省东明县人，博士（博士后经历），武警工程大学副教授，研究方向为激光超声检测技术及传感器设计，ssnn3193@163.com。

Design and Research of an Optical Fiber F-P Ultrasound Sensor with High Directivity Sensitivity*

SHAN Ning*
（Equipment Engineering College，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086，China）

Optical fiber F-P ultrasound sensor deviates from working point easily in practical applications.The system of low fineness optical fiber F-P sensor is designed based on the technique of dual wavelength stabilization.A dual wavelength optical fiber F-P sensing system mathematical model of DE algorithm is set up.The sensing system with higher quadrature precision is optimized and designed.Laser ultrasound detection system is established based on the sensor.Experimental research on the effectiveness of the sensor to detect ultrasonic signal sensitivity and direction is processed.The results show this sensor can detect ultrasound surface wave signals availably.The amplitude of surface wave is the biggest when the angle between laser source and sensor's axial direction is zero degree. And the amplitude of surface wave decreases along with increasing the angle between laser source and sensor's axial direction.The amplitude descends 80%when the angle between laser source and sensor's axial direction is ninety degree.These demonstrate that the sensor has sensitive directivity.

optical fibers；Fabry-Perot interferometers；differential evolution algorithm；laser ultrasound；surface wave EEACC：7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.006

TN253

A

1004-1699（2015）04-0487-05

项目来源：国家自然科学基金项目（51305458）

2014-10-09 修改日期：2015-01-17