超声激发光纤节点及其制造方法

本发明涉及超声激发器，具体地指一种超声激发光纤节点及其制造方法。

背景技术：

1、超声换能器作为超声无损检测领域的关键部件，其性能是衡量无损检测能力的重要指标。传统的超声换能器主要为压电超声换能器，压电超声换能器具有灵敏度高、造价低等优点，但是存在易受电磁干扰、体积较大、难以对非平面结构检测等问题。

2、光纤超声换能器由于体积小、布设灵活和抗电磁干扰的特点，于近年开始被研究。光纤超声换能器指在光纤上或光纤端面上制备的光声转换设备。现有的光纤超声换能器以端面制备的单点式超声换能器为主，主要应用于医学成像、结构健康检测等领域，但是这类光纤超声换能器难以进行分布式超声激发。分布式超声激发指多点、大范围的超声激发方式，通过分布式超声激发能有效拓宽超声检测系统的检测范围，弥补光纤超声换能器的短板。

技术实现思路

1、本发明的目的就是要提供一种超声激发光纤节点及其制造方法，本发明的超声激发光纤节点，能解决压电超声换能器易受电磁干扰、体积较大和难以对非平面结构检测的问题，有效拓宽了光纤超声换能器的检测范围。

2、为实现此目的，本发明所设计的超声激发光纤节点，其特征在于：它包括两条裸光纤段和两球形裸光纤相交段，一条裸光纤段与两球形裸光纤相交段中一侧的球面一体式连接，另一条裸光纤段与两球形裸光纤相交段中另一侧的球面一体式连接，两球形裸光纤相交段中两球形半径相等，两球形裸光纤相交段中两球形公共弦d由两球形裸光纤相交段中的球形半径r和两球形裸光纤相交段中球形半径r与弦心距的差l确定。

3、一种超声激发光纤节点的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

4、步骤1：将两段裸光纤的端面切割平整，所述裸光纤的纤芯直径为200～1000um；

5、步骤2：将两段裸光纤的端面研磨并抛光；

6、步骤3：将研磨并抛光后的两段裸光纤进行清洗；

7、步骤4：使用电弧对清洗后的裸光纤端面放电，使两段裸光纤端面熔融9～10s，冷却后两段裸光纤端面形成球形端面，球形端面中球形的半径为裸光纤纤芯半径的1～1.5倍；

8、步骤5：将两段裸光纤相对的两个球形端面对齐，两个球形端面贴合，并且，两段裸光纤位于同一条直线上，使用电弧对两段裸光纤相对的两个球形端面放电，使两段裸光纤相对的两个球形端面进入预熔接状态，持续4～6s，然后，使用电弧继续对两段裸光纤相对的两个球形端面放电熔接，持续1～3s，并在对两段裸光纤相对的两个球形端面放电熔接的同时，将两段裸光纤同时向熔接方向推进相同距离，每段裸光纤的推进距离均等于两球形裸光纤相交段中球形半径r与弦心距的差l，冷却后得到第一个超声激发光纤节点。

9、本发明的有益效果：

10、本发明提供的超声激发光纤节点，较压电超声换能器，解决了其易受电磁干扰、体积较大和无法对非平面结构检测等问题，光纤具有较好的可弯曲特性，可以对非平面结构进行检测；

11、本发明使用了大芯径光纤(纤芯半径范围均为100～500um)作为激发光纤，其横截面积更大，单位面积承载的能量更小，所以具有损伤阈值较高的特点，较现有的光纤超声换能器，可以激发更强烈的超声信号；

12、本发明较现有的光纤超声换能器，实现了多点分布式激发与均衡激发(通过改变r、l和d，控制超声激发的强度)，使其激发的超声信号有高的一致性和更大的超声覆盖范围。

技术特征：

1.一种超声激发光纤节点，其特征在于：它包括两条裸光纤段(1.1)和两球形裸光纤相交段(1.2)，一条裸光纤段(1.1)与两球形裸光纤相交段(1.2)中一侧的球面一体式连接，另一条裸光纤段(1.1)与两球形裸光纤相交段(1.2)中另一侧的球面一体式连接，两球形裸光纤相交段(1.2)中两球形半径相等，两球形裸光纤相交段(1.2)中两球形公共弦d由两球形裸光纤相交段(1.2)中的球形半径r和两球形裸光纤相交段(1.2)中球形半径r与弦心距的差l确定。

2.根据权利要求1所述的超声激发光纤节点，其特征在于：所述两球形裸光纤相交段(1.2)中两球形公共弦d满足如下公式：

3.根据权利要求1所述的超声激发光纤节点，其特征在于：两球形裸光纤相交段(1.2)中球形的半径r为裸光纤段(1.1)纤芯半径的1～1.5倍。

4.根据权利要求1所述的超声激发光纤节点，其特征在于：每条裸光纤段(1.1)的纤芯半径范围均为100～500um。

5.一种超声激发光纤节点的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的超声激发光纤节点的制造方法，其特征在于：所述步骤5中，每段裸光纤向熔接方向推进的距离均为10～150um。

7.根据权利要求5所述的超声激发光纤节点的制造方法，其特征在于：所述步骤2中，将两段裸光纤的端面研磨并抛光的具体方式为：依次使用600目、1200目、3000目和10000目的砂纸将两段裸光纤的端面进行研磨，并用二氧化硅抛光片对研磨后的端面抛光。

8.根据权利要求5所述的超声激发光纤节点的制造方法，其特征在于：所述步骤5后还包括步骤6：分别对第一个超声激发光纤节点的裸光纤中的非球形端面和研磨并抛光并清洗后的一段新裸光纤的端面放电熔融9～10s，冷却后第一个超声激发光纤节点中的非球形端面和一段新裸光纤的端面均形成球形端面；

9.一种权利要求1所述超声激发光纤节点的安装方法，其特征在于，它包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的超声激发光纤节点的安装方法，其特征在于：所述环氧树脂和石墨混合粘合剂的制备方法为：按照1000：2.5的质量比例将环氧树脂与200～1000目微粉石墨搅拌混合，搅拌过程中持续添加石墨至无明显粉末状石墨析出，然后加入与环氧树脂体积比例为1：1的固化剂，搅拌均匀，得到环氧树脂和石墨混合粘合剂。

技术总结
本发明公开了一种超声激发光纤节点，它包括两条裸光纤段和两球形裸光纤相交段，一条裸光纤段与两球形裸光纤相交段中一侧的球面一体式连接，另一条裸光纤段与两球形裸光纤相交段中另一侧的球面一体式连接，两球形裸光纤相交段中两球形半径相等，两球形裸光纤相交段中两球形公共弦d由两球形裸光纤相交段中的球形半径r和两球形裸光纤相交段中球形半径r与弦心距的差l确定。本发明能解决压电超声换能器易受电磁干扰、体积较大和难以对非平面结构检测的问题，有效拓宽了光纤超声换能器的检测范围。

技术研发人员：李政颖,吴玉梁,傅雪蕾
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15