新型高性能光纤超声波传感器研究

发布时间：2020-05-22 19:37

【摘要】：在地震勘探中,高效采集地质信息,科学认知地层结构,探明油气藏分布规律,是开发和利用油气资源的重要前提和保障。地震物理模型光纤超声波成像技术,通过多类型物理模型模拟现场地震勘探,可在近乎理想的模型条件下反演及预测油气藏地球物理波场的传输规律及特征,如“桥梁”作用连接地震勘探现场与理论计算。光纤超声波传感器,是采集地震物理模型结构信息的核心元件,相比于常规压电换能器具有独特优势(如宽频响应及信号高保真传输等)。本文基于光纤光栅型超声波传感器和干涉型超声波传感器的基本结构和响应机制,研制了四种新型高性能光纤超声波传感器。相比于课题组前期工作,本文在传感器响应灵敏度、空间分辨率、成像方式等方面均有大幅提升。同时,搭建了地震物理模型超声波检测实验样机,利用所设计的四种光纤超声波传感器,均实现了对系列复杂地震物理模型的高质量检测及成像。具体内容包括:(1)从理论方面阐述了光纤超声波传感的基本机理,包括超声波的传播特性(声发射)和光纤超声波传感器的基本原理(声接收)。主要介绍了超声波场的波动方程和特征参量,建模分析了压电圆片式超声波换能器的纵波声场特性,并详细阐述了光纤光栅型超声波传感器和干涉型超声波传感器的结构特征和传感机理。此部分工作为本文光纤超声波传感器的设计及表征奠定了理论基础。(2)针对常规裸纤与超声波之间“点式”或“线式”等直接耦合方式的不足,提出了一类基于声耦合锥的光纤光栅超声波传感器。声耦合锥具有聚焦效果,可将超声波能量高效聚焦于传感光纤,从而大幅增加传感器灵敏度;结合封装壳体结构,提高了传感器机械强度。从不同的传感元件、不同的锥与光纤耦合方式,以及不同的锥体材料三个方面,组合研制了八款高灵敏声耦合锥型光纤超声波传感器,并从理论模拟和实验测试对比优化了此八款传感器。使用优化后的传感结构分别对分层型、半圆柱型、阶梯型和凹陷型物理模型进行了点对点扫描,根据渡越时间法,获得了系列物理模型的高质量二维剖面图像。(3)利用相位调制干涉型光纤传感器高灵敏度的本质优势,提出了一类基于金膜的高灵敏Fabry-Perot干涉超声波传感器。基于不同的传感光纤(单模或多模光纤),结合超薄金膜,研制了两款传感结构;基于多模光纤的光准直效应,传感器灵敏度更优。二者实现了空气中分层型、凹陷型、半圆柱型地震物理模型的扫描成像。相比于上一章工作,此类传感器结构更紧凑,灵敏度更高,可检测空气中的弱超声场,实现了空气中地震物理模型的扫描成像,简化了成像系统。(4)空间分辨率是决定地震物理模型成像精度的关键因素,为此提出了一种基于悬芯光纤的高空间分辨率超声波传感器,仅需将柚子型光纤经酸腐蚀成自由悬芯结构即得。超细的悬芯结构既有利于提高传感器空间分辨率,同时也可保证传感器具有较高的响应灵敏度。传感器可高灵敏响应宽频带超声波,并实现了对半圆柱型和级联半圆柱型物理模型的高空间分辨率成像(2.5mm(300kHz)~151.05μm(5MHz))。就空间分辨率、响应灵敏度和器件制作三方面综合而言,在地震物理模型超声波检测中,悬芯光纤传感器是比较合适的选择。(5)区别于地震物理模型超声波成像线性机械扫描方式,提出了基于集成式内窥镜探头的物理模型光纤超声波内窥镜成像方法。通过集成超声波发射源和传感器接收端,内窥镜探头包括金膜型光纤传感器、压电换能器和旋转式声反射镜,三者共轴装配,可提供360度全方位侧向扫描。探头可嵌入管式物理模型内部,对其内壁进行周向扫描,重建模型内壁结构图像。此集成式探头提供了一种重构模型内部结构特征的内窥镜成像新方法,且系统更高效、稳定性更好、结构更紧凑、装配更方便且成本较低,提升了超声波光纤检测系统的整体声学性能。(6)搭建了“地震物理模型光纤超声波检测实验样机”系统平台。光纤超声波检测实验样机基本实现了地震物理模型超声波检测的小型化、集成化及仪器化,提高了各部分的关联性和整体的稳定性,满足不同实验环境数据采集的需求。配合自适应系统,该样机既可实现超声波单点检测,也能够利用外部平移导轨或直流齿轮电机,实现对多个物理模型的高分辨率扫描成像。
【图文】：

干涉图,光耦合器,参考臂,光纤传感器

继而改变反射光束的相位差，最终导致输出的干涉光强发生变化。（2）Mach-Zehnder 干涉和 Michelson 干涉图2.2.3 (a) MZI和(b) MI光纤传感器结构原理图。基于 MZI 的光纤超声波传感器如图 2.2.3(a)所示，主要由两个 3dB、1×2 的光耦合器级联而成。光源经过第一个耦合器分成等强度的两束光，分别经传感臂和参考臂光纤传输至第二个光耦合器，由于双臂之间的长度差异，到达第二个光耦合器的两路光存在相位差异，发生干涉现象。与 MZI 传感结构不同的是，MI光纤传感器为反射式结构，如图 2.2.3(b)所示，只使用一个 3dB、2×2 的光耦合器。传输光经光耦合器分为两束光，分别导入传感臂与参考臂光纤，然后经过两

干涉图,光路,光纤环路

最终导致传感器输出的干涉特征变化，从而实现超声波感测。（3）Sagnac 干涉图2.2.4 Sagnac干涉结构原理图。如图 2.2.4 所示，Sagnac 干涉结构为闭合光路。光源经由 3dB、2×2 的光耦合器分别导入光纤环路，相向传输。通常在光纤环路中熔入一段 PMF，基于 PMF内光传输的慢轴与快轴差异，相向传输的两束光出现相位差，在重新耦合回光耦合器时干涉。一般情况下，环内接入 PMF 的 Sagnac 干涉结构，其输出的光强为cos sin2TI , (2.2.21)其中，2 BL , (2.2.22) 为两相向传输光的相位差，为传输光与 PMF 双折射轴的夹角
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

【参考文献】