可以根 据需要调整，但都必须满足栅区间隔D = 特点：采集灵活多变，且采集数据 不易受外界噪声的影响，极大地方便了后期信号处理。
【附图说明】
[0031] 图1是光纤布拉格光栅的超声感应系统的整体结构
[0032] 图2是双重边缘滤波解调原理，即超声感应系统的核心
[0033] 图3是光栅传感器环探测原理，即光栅传感器设计的精髓
[0034] 图4是光纤光栅实际设计结构图
[0035] 图中：1-一窄线宽可调激光器，2-环行器，3-光纤光栅传感器，4-平衡检 波器，5 不波器，6 入射光信号，7 反射光信号，8 透射光信号，9 平衡检波后 的最终信号，10 光纤光栅传感器第一环的栅区，11 -光纤光栅传感器第二环的栅区， 12 光纤光栅传感器第三环的栅区，13---光纤光栅传感器第四环的栅区，14 光纤光 栅传感器俯视图栅区的投影效果，15--光纤上第一个栅区的光刻位置，16--光纤上第二 个栅区的光刻位置，17--光纤上第三个栅区的光刻位置，18--光纤上第N个栅区的光刻 位置，19 光纤光输入端，20 光纤光输出端，21 光纤传感器支架
【具体实施方式】
[0036] 图1所不的是整个光纤布拉格光栅的超声感应系统的整体结构实施方式。窄线宽 可调激光器（图中1)发出的入射光（图中6)经过环行器（图中2)，进入光纤光栅传感器 (图中3)，使用平衡检波器（图1和图2中的4)，将反射光（图中7)和透射光（图中8)分 别光电转换成电压信号，经信号相减得最终信号（图1和图2中9所示）。
[0037] 结合图2所示实施方式，系统测量实施步骤如下：
[0038] 步骤一：先将反射信号（图中7)接入平衡检波器，透射信号（图中8)不接入平衡 检波器（图中4)，且不要遮挡其光路，只裸露于稳定环境中。打开激光器（图中1)，记下入 射光的光功率P，并稳定光源功率在P。缓慢调节入射光的波长λ，同时调节示波器，记录其 测量到的电压幅值和功率P2,当P2 = 0. 5P (如图2所示）时，记录下此时的入射光波长，即 为光栅波拉格波长λ B。维持此时的光源功率和入射波长。
[0039] 步骤二：保持之前设置，并接入透射信号（图中8)到平衡检波器，将待测生物组织 或者超声源放在纤光栅传感器（图1和图3中3)圆环的中央。打开示波器并采集电压信 号V。根据公式
[0040] 求出超声应力Ps，即超声幅值大小，
[0041] 其中匕是应变光学系数，E为弹性模量（常数），λ 8是布拉格波长，G是光栅光谱 线性区的斜率（可测量出），Rd是光电二极管的响应系数（常数），P为入射光的功率，g为 光电转换的增益（已知）。
[0042] 图3所示的是光纤光栅结构设计实施方式。将光纤等间隔刻上相同长度的栅区， 各个栅区之间间隔距离D = Lwiii+Lijwi,其中Lwiii是光纤环绕成的螺旋环一个圆环的圆 周长，Lijwi是单个栅区段的长度。图中10为第一环的栅区，光纤环绕一个圆周长后，由于 相邻栅区之间间隔D = +Lireii，那么刚好第二环上的栅区如图中11所示，刚好在透视 空间上位于第一段栅区的后面，依此类推，最终从圆环顶部往下透视，各个环上的栅区互补 重叠，且成一个完整圆，如图中14。最后环绕成的螺旋圆环被设计好的底座固定下来成为光 纤光栅传感器。例如：假设N段栅区投影到底部成完整圆环，且每个圆环上仅有一段栅区， 则L ijwi = 2 π R/N，R为圆环半径。其中设计时圆环半径R要远远大于光纤直径d的N倍， 即R >> N*d。由于目前光纤直径很细，在圆环环数N不是很大时，很容易满足以上条件。
[0043] 图4所示的是光纤光栅传感器实际设计的实例图。光纤（如图中3)上等间隔光 刻栅区，环绕成螺旋状后，每环的栅区在螺旋圆环顶部俯视时，投影到底部为完整圆环（如 图中14)。实例图中16是第二环上的栅区。光从光纤输入端（图中19)进入，输出端（图 中20)输出。
【主权项】
1. 一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统，其特征在于：包括窄线宽激光器，环行 器，光纤光栅传感器，平衡检波器，示波器，数据采集处理等部分组成。其测量超声的技术方 法是：平衡检波器同时将入射光的反射部分和透射部分分别光电转换，得到的信号相减，从 而获得二倍于被测信息的电信号。2. 如权利要求书1所述，系统测量的方法如下： 步骤一：先将反射信号接入平衡检波器，透射信号不接入平衡检波器，且不遮挡其透射 光路，只裸露于稳定环境中。打开激光器，记下入射光的光功率P，并稳定光源功率在P。缓 慢调节入射光的波长，同时调节示波器，记录其测量到的电压幅值和功率P2,当P2 = 0. 5P 时，记录下此时的入射光波长，即为光栅波拉格波长λ B。维持此时的光源功率和入射波长。 步骤二：保持之前设置，并接入透射信号到平衡检波器，将待测生物组织或者超声源放 在纤光栅传感器圆环的中央。打开示波器并采集电压信号，记录电压信号V。则可求出超声 应力Ps，即超声幅值大小。公式如下：其中匕是应变光学系数，E为弹性模量（常数），λ 8是布拉格波长，G是光栅光谱线性 区的斜率（可测量出），Rd是光电二极管的响应系数（常数），P为入射光的功率，g为光电 转换的增益（设备可查）。3. 光栅传感器结构设计，其特征在于：将光纤等间隔刻上相同长度的栅区，并将光纤 环绕成螺旋圆环，每段圆环上刚好只有一段栅区，最后设计好底座将光栅固定下来，从而实 现光栅360度环探测。4. 如权利要求书3所述，每个圆环上仅有一段栅区，每段栅区长L JJgii = 2 π R/N，N为 最终要实现栅区投影到螺旋圆环底部成完整圆的栅区段数，R为圆环半径。设计时，圆环半 径R要远远大于光纤直径d的N倍，即R > > N*d。5. 如权利要求书3所述，概区之间间隔距尚为D = L圆周长+L_长，其中L_长是光纤环 绕成的螺旋环一个圆环的圆周长L0mi= 是单个栅区段的长度。所采集到的电 信号时间间隔t = D/c，其中c为光在光纤中的传播速度。
【专利摘要】本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的超声感应系统及光栅探测器的结构设计。超声感应系统的整体结构特点是：可调的激光源产生窄带光信号，经过环行器，进入设计的特定结构的光栅布拉格探测器，随后同时将透射光和反射光收集，通过光电转换的平衡检波器，产生的电信号与布拉格光栅波长漂移量成线性关系，再结合布拉格光栅传感原理，测量出超声信号。其中光栅布拉格探测器的结构设计能做到环感应物体的发出的超声信号，方便后期的超声信号处理及成像。本发明可以有效地降低入射光功率波动对超声检测的影响，相对与传统的压电陶瓷感应超声具有灵敏度高、成像便捷的特点。
【IPC分类】G01H9/00, G01N29/00
【公开号】CN105157811
【申请号】CN201510367221
【发明人】荣健, 孙建业, 井帅奇, 张能著
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月29日