专利名称：超声波压力传感器及其操作方法
技术领域：
本发明一般涉及超声波压力传感器，并且更具体地涉及超声波压力传感器及其操 作方法。
背景技术：
超声波压力传感器测量超声波压力并将其转换成电压信号。这些传感器被广泛地 用于从材料的无损测试、海洋生物、到医学成像等各种应用。在医学成像中，超声波换能器 (transducer)向组织中发射高频脉冲，并由通常在该换能器上实现的超声波压力传感器来 接收来自组织的声回波。此类脉冲-回波技术可以帮助将组织的机械(或声学)性质的灰 度等级层析图像合成。目前最成功的超声波成像设备之一是血管内超声(intra vascular ultrasound)或 IVUS0诸如锆钛酸铅(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)等压电材料已被用来制造用于许多 应用的超声波压力传感器。PZT是具有本质晶粒度的陶瓷多晶体，该本质晶粒度使其难以加 工和封装至小尺度，除非将其附着于较大基底。作为聚合物的PVDF在其表现出压电性之前 必须将其电气极化(electrically poled)，且其灵敏度低于PZT的灵敏度。此外，压电信号 是经受了传输线损耗和电磁干扰的非常小的电压。对于诸如从导管远端到其近端的长距离 传输，通常必须通过小同轴电缆来屏蔽压电信号并通过在导管的末端附近结合的芯片将其 前置放大。对于将信号屏蔽和前置放大的需要使得难以构造具有非常小的轮廓的压电传感器。多家公司正在开发电容性超声波压力传感器，并且该电容性超声波压力传感器具 有某些引人注意的性质。它们是一种使用在半导体工业中开发的硅处理技术来制造的MEMS 设备。然而，这些设备制造成本高，且可靠性问题与使感测电容器正向偏置的需要相关。全世界的多个科研小组已经提出并研究了光学超声波压力传感器。在2000年 1 月的 IEEE Transactions on Ultrasonics、Ferroelectricsand Frequency Control, Vol. 47, No. 1 43 Beard ^AIiflrW "Characterisation of a Polymer Film Optical Fibre Hydrophone forthe Measurement of Ultrasound Fields for Use in the Range l-30MHz :a Comparison with PVDF Needle and Membrane Hydrophones，，中所描述的设计 中，在光纤的远端上形成薄的法布里-珀罗标准具。激光从光纤的近端被发射到光纤中并 随后被法布里-珀罗标准具反射回来并被光电探测器接收。与光纤远端相互作用的超声波 调制法布里-珀罗标准具的腔长并引起反射光强度的变化。为了使此传感器正确地工作，必须在制造期间将聚合物法布里-珀罗标准具的厚度控制到非常高的精度，这是很难做到 的。此外，诸如温度和压力等应用环境的变化能够显著地改变法布里-珀罗标准具性质并 负面地影响传感器性能。另外，此设计的高频响应受到标准具层的有限厚度的限制，并且该 传感器在横向探测几何结构方面的能力有限。特别地，本领域中所需的是一种解决现有技术中的上述某些缺点的超声波压力传 感器。
发明内容
为了解决现有技术的上述缺陷，本发明的一方面提供一种超声波压力传感器。在 一个实施例中，所述超声波压力传感器包括(1)具有基准臂和包括探测光纤的信号臂的 干涉仪，所述探测光纤在其远端处具有反射涂层并被配置为与远端附近的超声波耦合，所 述干涉仪被配置为接收激光并基于超声波产生两个输出射束；和( 光电探测器，其耦合 到所述干涉仪并被配置为基于所述两个输出射束生成电子信号。本发明的另一方面提供一种检测超声波压力的方法。在一个实施例中，该方法包 括(1)将超声波耦合到干涉仪的探测光纤的远端，所述干涉仪具有基准臂和包括探测光 纤的信号臂，所述探测光纤在远端处具有反射涂层；( 向所述干涉仪提供激光，所述干涉 仪基于所述超声波产生两个输出射束；以及C3)基于所述两个输出射束生成电子信号。前文已概述了本发明的某些方面和实施例，从而使相关领域的技术人员可以更好 地理解本发明的以下详细说明。下面将描述构成本发明的权利要求的主题的其它方面和实 施例。相关领域的技术人员应认识到他们可以容易地使用所公开的各个方面和实施例作为 用于设计或修改用来执行本发明的相同目的的其它结构的基础。相关领域的技术人员还应 认识到此类等效构造不脱离本发明的范围。
为了更全面地理解本发明，现在对结合附图进行的以下说明进行参考，在附图 中图1示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器的一个实施例的示意图；图2示出可以在根据本发明的原理构造的超声波压力传感器的各种实施例中使 用的平衡光电探测器的一个实施例的示意图；图3示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器的一个实施例的示意图，其 中借助于反馈环路来控制干涉仪相位；图4示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器的另一实施例的示意图，其 中控制干涉仪相位漂移；图5A C示出可以在干涉仪的基准臂中实现且根据本发明的原理的光学移相器 的各种实施例；图6A E示出根据本发明的原理的可以将超声波耦合到探测光纤的各种方式；以 及图7示出根据本发明的原理执行的检测超声波压力的方法的一个实施例的流程 图。
具体实施例方式图1示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器100的一个实施例的示意 图。超声波压力传感器100采用迈克尔逊干涉仪的结构。来自激光器101的激光穿过光学 循环器(optical circulator) 102、分束器104和聚焦透镜112并耦合到光纤120中。光 纤120充当用于超声波压力传感器100的探针；为此，在本文中将光纤120称为探测光纤 120。分束器104还将激光的一部分分离，并引导其通过光学移相器106并从镜108反射。 探测光纤120的远端IM在其尖端处具有反射涂层，使得到达远端124的激光基本上被反 射回来。来自镜108和来自光纤远端IM的光的两个反射射束向回传播并在分束器104中 被组合。分束器104反射组合射束的一部分(产生输出射束13 并使组合射束的另一部 分通过，该部分组合射束其后进入光学循环器102并随后被路由到其出口(产生输出射束 134)。光学循环器102可以是市售光学隔离器(例如来自新泽西州Newton的Thorlabs公 司的OFR分公司的型号I0-3-532-VHP，其“reject (排出)”端口充当出口)。平衡光电探 测器130接收输出射束132、134两者。信号处理器140获取、调节并存储或显示来自平衡 光电探测器130的信号。图中还示出了用于光学移相器106的驱动器110。如上所述，超声波压力传感器100采用迈克尔逊干涉仪的结构。干涉仪的信号臂 包括分束器104、聚焦透镜112和探测光纤120。干涉仪的基准臂包括分束器104、光学移相 器106和镜108。干涉仪的两个输出是两个输出射束132、134。与探测光纤120的任意部 分相互作用的超声波能够引起折射率和探测光纤120的一部分上的光学路径长度中的任 何一个或两者的变化。这导致信号臂中的相位变化或相移。现在将使用简化模型来解释超声波压力传感器100的理论操作。所述简化模型并 不意味着是所涉及的物理学的完整或精确描述，而是作为对相关原理的本质的说明。两个 干涉仪输出射束132、134的电磁场振幅可以分别写为Ea = {Er exp(/Or) + Es εχρ(/Φ5 + Φ )}/(1)和Eb = {Er exp(/Or) - Esexp(iOs + iOu)}/4 ,(2)其中，fe是输出射束132的场振幅，而肪是输出射束134的场振幅。Er是基准臂 中的光束的场振幅，而&是信号臂中的光束的场振幅。Φι·是基准臂的光学相位，而是 不包括任何超声波导致的相位变化的信号臂的光学相位。Φιι表示由任何超声波贡献的那 部分光学相位。根据等式(1)和O)，两个干涉仪输出射束132、134各自的强度是Ia = (Ir 十 Λ) / 2 + ^Ms cos(0 - Φμ)(3)和Ib = (Jr + Is)/2- 41rTs cos(0 - Φ )(4)其中φ = φι·_φ8，称为干涉仪相位(或相位偏置)，其为基准臂与信号臂之间的
5相对相位，不包括来自超声波的任何贡献。图2示出图1的平衡光电探测器130的一个实施例的示意图。平衡光电探测器通 常由一对匹配良好的光电二极管和跨阻抗放大器(trans-impedance amplifier)构成。由 于可以构造平衡光电探测器的方式在本领域中众所周知，所以这里将不再对其进行进一步 描述。光电探测器130接收干涉仪输出射束132、134两者，并在其输出端口 136处产生与强 度Ia成比例的电压信号Va，且在其输出端口 138处产生与强度Λ成比例的电压信号Vb。 从等式C3)和(4)显而易见的是Va和Vb两者均通过相移Φ !包含关于超声波的信息。然 而，背景激光强度(等式C3)或(4)的右侧的第一项))由于激光强度中的固有噪声而对测 量呈现出显著的噪声。为此及由于其它原因，平衡光电探测器130还在输出端口 139处生 成与两个强度Ia和Λ之间的差成比例的第三信号Vd,即Vd 二 2γ/ ^cqs(^ - Φιι)(5)其中Υ是由诸如光电二极管响应性和平衡光电探测器的跨阻抗增益等因素确定 的比例常数。等式(5)显示本质上从差分输出Vd中去除了激光强度波动的附加项，从而改 善了检测灵敏度。然而，应注意的是相对简单的上述模型及由此得到的等式( 未考虑引 起激光强度以随机方式波动的众所周知的量子噪声(常常称为“散粒噪声(shotnoise)”)。 实际上，除等式(5)所示的信号项之外，差分输出Vd还包含散粒噪声。当干涉仪相位偏置Φ是π /2时，等式(5)可以近似为Vd = Iy^MsOu(6)其中假设超声波导致的相移Φ ! << 1，情况通常是这样。从等式(6)显而易见的 是差分信号Vd与超声波导致的相移成比例。检测灵敏度最终受到激光散粒噪声的限制。干涉仪相位偏置Φ可能受到诸如基准和信号臂中的温度、振动、机械应力和气流 等许多不确定因素的影响。在不受控制的情况下，Φ可以在相对较慢的时间尺度上随机地 漂移。一般而言，当Φ不是η/2时，发生与等式(6)所给出的不同的检测灵敏度变化。如 下文所解释的，存在多种控制干涉仪相位漂移的方式。图3示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器300的一个实施例的示意 图，其中借助于反馈环路来控制干涉仪相位。超声波压力传感器300具有额外的放大器/ 信号处理器310和低通滤波器312，低通滤波器312的输出连接到光学移相器106的驱动器 110的控制输入端。来自平衡光电探测器130的差分输出139被额外的放大器/信号处理 器310放大、被低通滤波器312过滤、并控制由移相器106产生的相移的量。端口 139处的 非零输出表示干涉仪相位偏置Φ与期望的η/2值的偏差或误差；此误差信号被传送到移 相器106，从而产生基准臂中的反相位变化化以补偿该误差。通常，放大器增益和滤波器时 间常数被调整为使反馈环路响应最优化。当此反馈环路被激活并适当地调谐时，干涉仪相 位偏置可以被“锁定”至非常接近于η/2的值。这里应注意的是通过在任意一个干涉仪输 出射束132、134中提供不同量的衰减，图3所示的反馈环路还可以将干涉仪相位偏置锁定 到除η/2之外的值，这可能是其它信号检测应用所需要的。可选技术采用移相器106的小 振幅高频“抖动”以及锁定放大器来检测相位误差信号，并随后使用同一移相器来补偿相位 误差。用于锁相干涉仪的其它技术在本领域中是公知的，这里将不再对其进行进一步描述。
图4示出根据本发明的原理构造的超声波压力传感器400的另一实施例的示意 图，其中控制干涉仪相位漂移。在图4的实施例中，主动监视干涉仪相位偏置，但不一定始 终进行控制。其适合于由脉冲来触发超声波感测的脉冲回波成像及其它应用。超声波压力 传感器400具有监视并控制脉冲回波成像的控制器410。控制器410还接收将在平衡光电 探测器130的输出端口 136、138处产生的其将被恢复的Va和Vb。控制器410还向移相器 驱动器110发送命令信号413，其促使移相器106产生相移。命令信号413可以是例如扫描 干涉仪相移以便连续地扫过一组值的周期性三角形斜坡信号。通过在主动地扫描干涉仪相 移的同时监视干涉仪输出射束，控制器410 “询问”干涉仪并得到相位偏置值。一旦达到正 确的相位偏置，控制器410暂时中止扫描并发送信号415以触发超声波脉冲发生器(未示 出)来发射适当的超声波脉冲。控制器410还发送另一信号411以触发信号处理器140开 始传感器数据获取。以上控制序列在比干涉仪中可能发生显著相位漂移的时间尺度短得多 的时间间隔内完成。在一个实施例中，可以在从约10微秒至约10毫秒范围内的任意点施 行所述控制序列。一旦被触发，可以根据特定的应用在例如小于约1至约100微秒的时间 内获取所述超声波回波信号。图5A C示出可以在干涉仪的基准臂中实现且根据本发明的原理的光学移相器 的各种实施例。图5A示出移相器106的电光调制器实现方式。如本领域中已知的那样，电 光调制器可以由晶体制成，该晶体的折射率根据在其两端施加的电压而变。在另一实施例 中，还可以使用液晶单元作为图5A中的移相器106。图5B示出通过将镜510附着于压电堆 叠520而实现的移相器。施加在压电堆叠两端的电压促使镜510朝向或远离入射光移动， 因此改变基准臂的光学相位。图5C示出通过使用聚焦透镜550将基准臂中的光耦合到光 纤530(在本文中称为基准光纤530)中来实现的移相器。基准光纤530的远端531具有反 射涂层，使得到达远端的光基本上被反射回来。基准光纤530的一部分绕压电卷轴540缠 绕。通过改变施加于压电卷轴540的电压，可以向基准光纤530施加不同量的应力，导致基 准臂的光学相位的变化。图6A E示出根据本发明的原理、可以将超声波耦合到探测光纤(例如图1的探 测光纤120)的各种方式。出于解释耦合机制的目的，更详细地示出探测光纤120的远端 124。图6A示出内窥镜探测技术的实施例，其中超声波600从大致上沿着探测光纤的纵 轴的方向入射。在探测光纤120的远端124中传播的光610被镜表面620反射回来，镜表 面620可以是沉积在探测光纤120的远端IM上的一层反射涂层。现在将使用简化模型来解释针对图6A的内窥镜探测技术的实施例如何可以将超 声波耦合到探测光纤120中。该简单模型并不意味着是所涉及的物理学的完整或精确描 述，而是作为对相关原理的说明。按照以下近似关系，超声波600被耦合到探测光纤120的 远端124中Pf = P0 · 2Zf/(Z0+Zf)(7)和δ = (λ J 2 π ) Pf/Bf,(8)
其中Pf是耦合到探测光纤120的远端IM中的超声波压力振幅，P。是入射到探测 光纤120上的超声波压力振幅，而。和、分别是探测光纤120和周围介质的声阻抗。δ是 镜表面620由于超声波耦合而经历的位移振幅，Xu是探测光纤120中的超声波波长，而~ 是探测光纤120的体积模量(bulk modulus)。因此，在干涉仪的信号臂中超声波导致的相 移近似为Ou = 2 δ · (2 π η/λ )，(9)其中，η是探测光纤120的折射率，且λ是光学波长。图6Β示出内窥镜探测技术的另一示例实施例。在探测光纤120的远端124与镜 表面620之间沉积有一薄层的柔性材料630，诸如适当的聚合物。层630优选地具有与探测 光纤120的折射率匹配的折射率和大致等于其自身中的超声波波长的四分之一的厚度。层 630的低体积模量和四分之一波长厚度均可以帮助增大镜表面620中超声波导致的位移并 因此改善超声波灵敏度。图6C示出横向探测技术的示例实施例，其中超声波从与探测光纤120的远端IM 的纵轴近似垂直的方向入射。超声波600或601从侧部被耦合到探测光纤120的远端IM 中，引起探测光纤120的芯与包层之间的中间层中的少量位移和/或折射率变化。由于探 测光纤120中的光610在传播期间被芯/包层中间层有效地全内反射许多次，所以对芯/ 包层中间层的任意扰动调制光610的光学相位。在横向探测技术中超声波耦合到干涉仪中 的基本物理过程与前文在内窥镜探测技术中所讨论的类似。然而，在实际应用中，横向探测 技术与内窥镜探测技术相比具有几个重要优点。此技术的超声波灵敏度通常高于内窥镜技 术。这是因为光610即使在非常短的距离内也被芯/包层中间层多次反射，因此界面扰动 对光学相位的影响相应地倍增，结果得到更高的灵敏度。另一重要优点是横向探测技术使 得同一探测光纤120能够在与探测光纤120的远端IM的纵轴近似垂直的平面中感测沿着 不同方向传播的多个超声波。因此，在横向探测技术中，探测器在垂直于其纵轴的平面中全 向地工作。图6D示出横向探测技术的可选实施例。此几何结构可能对其中将探测光纤120 嵌入诸如导管或引导线等细长圆柱形物体中的应用有用。导管或引导线中的其它物体的存 在可能妨碍探测光纤120感测来自所有期望方向的超声波。在图6D中，探测光纤120的远 端IM在导管640的外径附近缠绕，使得可以由同一探测光纤120来感测诸如超声波600 或601等来自多个方向的超声波。探测光纤120的远端IM类似地具有沉积在其上面的镜 表面620。在图6Ε中，示出横向探测技术的可选实施例，其中探测光纤120的远端IM绕导 管640缠绕多次，使得超声波灵敏度被近似乘以线圈中的匝数。图7示出根据本发明的原理执行的检测超声波压力的方法的一个实施例的流程 图。该方法在起始步骤710开始。在步骤720中，将超声波耦合到干涉仪的探测光纤的远 端中，所述干涉仪具有基准臂和包括探测光纤的信号臂。所述探测光纤在远端处具有反射 涂层。在步骤730中，向干涉仪提供激光。在步骤740中，干涉仪基于所述超声波产生两个 输出射束。在步骤750中，基于所述两个输出射束生成电子信号。所述电子信号因此是基 于所述超声波的。在一个实施例中，所述电子信号包括与两个输出射束的强度成比例的两 个电压信号和与所述强度之间的差成比例的另一电压信号。
在步骤760中，可以使由移相器产生的相移扫过一系列的值，且可以监视电子信 号以确定超声波压力传感器的相位偏置。在步骤770中，超声波压力传感器可以以间歇的 方式操作。可以促使超声波压力传感器用耦合光电探测器和驱动器的控制器来感测超声 波。该方法在结束步骤780结束。本发明所涉及的领域的技术人员将认识到在不脱离本发明的范围的情况下可以 对所述实施例进行其它和进一步的添加、删除、替换和修改。
权利要求
1.一种超声波压力传感器，包括干涉仪，其具有基准臂和包括探测光纤的信号臂，所述探测光纤在其远端处具有反射 涂层并被配置为耦合到所述远端附近的超声波，所述干涉仪被配置为接收激光并基于所述 超声波产生两个输出射束；以及光电探测器，其耦合到所述干涉仪并被配置为基于所述两个输出射束生成电子信号。
2.如权利要求1所述的超声波压力传感器，其中，所述超声波从由以下各项组成的组 中选择的方向入射到所述远端基本上沿着所述探测光纤的纵轴；以及基本上垂直于所述纵轴。
3.如权利要求1所述的超声波压力传感器，其中，所述光电探测器是平衡光电探测器， 该平衡光电探测器生成与所述两个输出射束的强度成比例的两个电压信号和与所述强度 之间的差成比例的另一电压信号。
4.如权利要求1所述的超声波压力传感器，还包括光学循环器，所述基准臂包括具有 与之耦合的驱动器的光学移相器且所述信号臂还包括聚焦透镜。
5.如权利要求4所述的超声波压力传感器，还包括反馈环路，该反馈环路包括低通滤 波器且耦合所述光电探测器和所述驱动器，并被配置为控制由所述移相器产生的相移。
6.如权利要求4所述的超声波压力传感器，还包括控制器，该控制器耦合所述光电探 测器和所述驱动器，并被配置为促使由所述移相器产生的相移扫过一系列的值，监视所述 电子信号以确定所述超声波压力传感器的相位偏置并随后促使所述超声波压力传感器感 测超声波。
7.如权利要求1所述的超声波压力传感器，其中，所述移相器选自由以下各项组成的组电光调制器，耦合到压电堆叠的镜，以及聚焦透镜，其耦合到位于压电卷轴周围的基准光纤。
8.如权利要求1所述的超声波压力传感器，还包括介于所述探测光纤的所述远端与所 述反射涂层之间的一层柔性材料。
9.如权利要求8所述的超声波压力传感器，其中，所述探测光纤和所述柔性材料具有 匹配的折射率，并且所述探测光纤具有所述超声波的波长的约四分之一的厚度。
10.如权利要求1所述的超声波压力传感器，其中，所述探测光纤绕细长圆柱形物体缠 绕至少一次。
全文摘要
一种超声波压力传感器和检测超声波压力的方法。在一个实施例中，超声波压力传感器包括(1)干涉仪，其具有基准臂和包括探测光纤的信号臂，所述探测光纤在其远端处具有反射涂层并被配置为耦合到远端附近的超声波，所述干涉仪被配置为接收激光并基于所述超声波产生两个输出射束；以及(2)光电探测器，其耦合到所述干涉仪并被配置为基于所述两个输出射束生成电子信号。
文档编号G01L1/25GK102080997SQ20091022583
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者周敢 申请人:周敢