光纤光栅超声传感器及其在材料非线性无损检测中的机理及应用研究

This Project mainly focus on the mechanism of fiber Bragg grating (FBG) ultrasonic sensors and its applications in materials non-destructive testing. Fiber Bragg Gratting (FBG) is a new type sensor. With the characteristics of wide bandwidth, high sensitivity, and robustness, it has been widely studied and applied. Recently, its applications in high frequency acoustic fields are recognized more and more. This Project mainly focus on the mechanism of fiber Bragg grating (FBG) ultrasonic sensors and its applications in materials non-destructive testing. We will study the interaction between acoustic waves and an FBG by the theory of elastic waves and three-dimensional finite element method together with transfer matrix method. Then we study the effects of different package structures on the sensitivity, bandwidth and directivity of FBG with three-dimensional finite element method. The relationship between an FBG and package structures is to be discovered. The parameters for the design of FBG sensors will be determined from the theoretical and numerical analysis. According to the parameters, FBG ultrasonic sensors with wide bandwidth and high sensitivity will be made and tested, respectively. Signal testing methods, demodulation technologies and calibrating methods of FBG sensors will be developed. Then the FBG sensors will be applied to study on materials nonlinear non-destructive testing, on the nonlinear properties of biological tissues coupled with liquid, and on the nonlinear properties of micro bubbles.

光纤光栅传感器（FBG）是一种新型的传感器，具有高灵敏度、微型、宽带、可集成性和鲁棒性等特点，近年来得到了广泛的研究和应用。国内外关于FBG的早期研究主要集中在低频领域，近年来对FBG在高频领域的应用研究已越来越受到关注。本项目拟开展FBG在高频领域的传感机理研究及其在非线性无损检测方面的应用研究。首先应用弹性波理论和三维有限元方法结合传递矩阵法研究声波与FBG的相互作用，接着应用三维有限元方法研究FBG传感器的封装结构对传感器的灵敏度、频带和指向性等参数的影响，探索FBG超声传感器的这些关键参数与传感器封装结构之间的关系，确定用于高频声场检测的FBG超声传感器的设计参数，研制出宽带、高灵敏度的FBG超声传感器，并开发相应的信号检测和解调技术。应用所研制的宽频带、高灵敏度FBG超声传感器深入开展固体材料中的非线性无损检测研究、液体耦合的生物组织以及液体中微泡的非线性特性研究。

随着当今社会的快速发展，超声传感技术需求在快速增加，传统的压电传感器已逐渐不能胜任很多高端应用需求，而分布反馈式光纤激光超声传感器在进行超声传感时表现出高灵敏、高带宽的卓越性能，具有良好的应用前景。基于此，本项目开展了针对分布反馈式光纤激光超声传感器的传感机理及其应用研究，完成了波长调制机理分析、超声传感解调方法实现、超声传感特性研究，并搭建了一套传感实验系统，完成多个传感应用实验。具体包括：.（1）将基于弹性波散射模型的波长调制机理和多层膜模型的光谱分析方法结合起来，建立了超声平面波-光纤应变-折射率分布之间的映射关系，获得了超声波作用下分布反馈式光纤激光器输出波长偏移特性，并通过数值模拟证明了该波长调制机理的可行性。.（2）研究了不同入射角、不同频率的超声平面波作用下，分布反馈式光纤激光超声传感器的空间响应，绘制出频率-角度空间响应分布图。研究结果表明，入射角为15°~90°、超声频率为0MHz~3.5MHz时，空间响应较大。其余情况空间响应较小。除此之外，空间响应也受到光栅长度因素的影响，当其它条件相同时，光栅长度越长，空间响应越小。利用空间响应归纳出了分布反馈式光纤激光超声传感器的指向性特点。.（3）研究了非平衡马赫-曾德尔干涉解调方法以及反正切解调算法，搭建了一套传感实验系统平台。基于此实验平台，应用该传感器分别开展了超声三维精密定位、30MHz高频声波接收测量、功率超声探头非线性声场测试等实验研究，均取得良好的实验结果，也证明该传感器具有非常良好和极其广阔的应用前景。