高速探测（精选四篇）
高速探测 篇1
随着光纤网络的飞速发展,6Gbps及更高速率光传输技术飞速发展。半导体光电探测器是其核心光器件之一,所以研究发展与其相应的封装技术就显得尤为重要。同轴封装具有成本低、损耗小、工艺简单等特点,已逐渐成为各个器件生产商研发生产的热点。由于封装工艺的误差,使得高速PD组件的耦合效率下降,从而导致高速PD的性能指标下降。本文在不考虑寄生参数以及其它因数对高速PD组件耦合效率影响的前提下,分析讨论生产过程中同轴封装工艺误差对高速PD组件耦合效率的影响。
1.高速PD的工作原理
高速PD封装的内部结构如图1所示。光纤传输的光信号经TO透镜聚焦在探测器芯片上,探测器芯片将其转化为电信号并传递至后续光通信系统进行处理。
2.同轴封装误差对高速PD组件耦合效率的影响
高速PD组件同轴封装的光耦合系统结构如图2所示。在不考虑封装误差情况下,经过透镜聚焦后的光束不能有效地聚焦在探测器芯片上会产生的损耗和透镜的像差损耗。生产过程中,同轴封装工艺包括高精度打金丝,高精度贴装探测器芯片,通过金丝将芯片和管脚连接,采用电阻封焊机在氮气保护环境下将带透镜的管帽封焊在管座上等。在这些封装过程中,会不可避免地产生工艺误差,致使高速PD的接收灵敏度下降。
以尾纤型同轴封装半导体光电探测器结构为例,通过ZEMAX绘制耦合光路并分析光场,结合MATLAB软件耦合效率与同轴封装工艺误差之间的关系。其接收灵敏度为-20d Bm;传输速率为6Gbps;PIN-TIA芯片;模场直径为50μm的多模光纤;两种带有球透镜的管帽,其结构参数位为:
管帽1:透镜材料Bk-7;透镜焦距1.03mm透镜直径1.8mm管帽高度4mm透镜孔径1.8mm透镜折射率1.4135。
管帽2:透镜材料Taf-3;透镜焦距0.75mm透镜直径2mm管帽高度3.8mm透镜孔径1.2mm透镜折射率1.7042。
■2.1管帽倾斜误差影响
在不考虑封装误差时,两种管帽的耦合效率理想曲线如图3所示。当管帽倾斜时,聚焦光束的光轴与光纤光轴不重合,就会产生倾斜误差。
当误差为1°~8°时,其耦合效率如图4所示。倾斜误差为8°时,管帽1、2的耦合效率分别下降90%和50%。主要原因有(1)采用电阻封焊机封焊,由于其电极不平整,下压管帽时会在管帽下边缘与管座接触的瞬间产生不均匀受力,引起管帽倾斜;(2)由于管帽的加工精度的影响,使得经透镜聚焦光束与光纤的轴线方向偏离,导致耦合效率降低。为保证耦合效率达90%以上,管帽1、2倾斜误差需满足±1.8°和±3.8°。
■2.2芯片横向偏移误差影响
当芯片与管座的中心位置发生横向偏移时,芯片接收到光束偏离管座中心,产生横向偏移误差。
当误差为1μm~10μm时,其耦合效率如图5所示。横向偏移误差为10μm时,管帽1、2的耦合效率分别下降22%和10%。原因是将高速PD芯片焊接在管座上时,使接收光轴偏离管座中心,从而使经透镜聚焦的光束损耗。为保证耦合效率达90%以上,采用管帽1、2时,高速PD芯片横向偏移误差需满足±μm3.5和±10μm。
■2.3芯片倾斜误差影响
当光束的接收方向偏离光轴,致使高速PD芯片接收的光束经透镜折射不能有效聚焦在探测器芯片上,产生高速PD芯片倾斜误差。
当误差为1°~10°时,耦合效率如图6所示。从图中可以看出,当高速PD芯片的倾斜误差到10°时,管帽1、2的耦合效率分别下降5.5%和5%。原因是管座的上表面不够平整或压焊的焊料不够均匀,使芯片接收的光不再与耦合透镜和光纤同轴。
3.生产工艺对耦合效率的影响
生产过程中需通过设计巧妙的耦合夹具将加工精密的光学、电子学和金属元器件按照一定的顺序进行准直和装配来提高耦合效率。
其工艺流程如下:一,采用金丝键合机在芯片载体上打金线。二,采用贴片机将探测器芯片焊接在载体上,芯片电极与管脚通过金丝连接,再用封帽机将带有透镜的管帽与管座在氮气保护环境下密封。三,采用储能焊机在氮气环境下封焊金属管体和管座,用专用耦合夹具将封焊好的探测器TO与套有金属插针的多模光纤耦合端面耦合在一起。
管帽倾斜角误差为8°、横向偏移误差为10μm、芯片倾斜角误差为10°时,采用管帽1、2的接收灵敏度分别为-8d Bm、-15d Bm、-18.6d Bm和-10 d Bm、-17 d Bm、-18.9d Bm、可见,管帽倾斜误差对组件耦合效率影响最大,其次,芯片横向偏移误差,芯片倾斜误差对耦合效率影响较小。
4.减少高速PD同轴封装工艺误差的措施
根据上述分析,在实际生产过程中应采取如下措施:
(1)精确控制打金线和芯片定位的精度及金丝焊接的稳定性,可以减小高速PD芯片横向偏移误差。
(2)精确控制陶瓷基片和焊盘的平整度并清洁焊料,可以减小高速PD芯片倾斜误差。
(3)严格控制管帽的加工精度,达到0.001mm,以减小管帽封焊过程带来的管帽形变,即减小高速PD管帽倾斜误差。
5.结论
本文详细分析了管帽倾斜、芯片横向偏移、芯片倾斜对高速PD组件耦合效率的影响,并得出结论:管帽的倾斜误差和芯片的横向偏移误差对高速PD组件耦合效率的影响较大,这个结果在生产中得以验证,并提出解决工艺误差的措施。
摘要：由于同轴封装工艺误差对高速半导体光电探测器(Photoelectron Diode,PD)组件耦合效率的影响,会导致高速PD的接收灵敏度下降。为了减少同轴封装工艺的误差,分析了同轴封装工艺误差对高速PD耦合效率的影响,从而得出结论:高速PD组件中管帽倾斜、芯片横向偏移和芯片倾斜这三种情况产生的误差对高速PD组件耦合效率都有影响,其中管帽倾斜误差影响最大。
关键词：耦合效率,同轴封装,芯片横向偏移,芯片倾斜,管帽倾斜
参考文献
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高速探测 篇2
管波探测法在广梧高速公路灰岩区桥梁桩基工程中的应用
介绍物探新技术管波探测法的探测机理和工作原理.结合广梧高速公路河口至平台段工程实践,介绍了管波探测法在桩基溶洞勘察方面的`应用与具体操作方法,并对几种物探技术进行了比较分析.
作 者：李海青 林才奎 LI Hai-qing LIN Cai-kui 作者单位：李海青,LI Hai-qing(广东省长大公路工程有限公司,广州,510620;中南大学,长沙,410083)林才奎,LIN Cai-kui(广东省长大公路工程有限公司,广州,510620)
刊 名：广东公路交通 英文刊名：GUANGDONG HIGHWAY COMMUNICATIONS 年，卷(期)： “”(2) 分类号：U446.3 关键词：管波探测法 桩基 溶洞高速探测 篇3
对于地下水的超前预报, 可采用的方法也较多。目前多采用的方法有TSP超前地质预报, 地质雷达、瞬变电磁的方法。地质雷达作为一种短距离的探测方法, 其同其他方法相比具有探测方便, 探测精度高等特点。目前地质雷达技术得到了巨大的发展, 成为最好的探水方法之一, 已广泛应用于地下水的探测中。本文根据昌宁高速雩山隧道现场实际情况, 针对多个洞段存在渗漏水的情况, 开展地质雷达超前探水, 现场应用结果表明, 地质雷达是一种有效探测地下水的方法, 可起到指导施工的作用。
1 探地雷达的工作原理
地质雷达技术是当今国际上最先进的地球物理勘探手段之一, 具有仪器便携、无损探测等特点。地质雷达探测的基本原理如图1所示。由发射天线发出的短脉冲电磁波进入探测岩体内, 电磁波遇到介电常数差异体, 会产生反射波。产生的反射波被接收天线接收后, 再经过相应的处理, 形成地质雷达解译伪彩色图。通过对解译图的分析就可以判断地下异常体的性质。
2 地质雷达探水原则
地质雷达探水的基本原则主要利用介质之间介电常数的差异性来进行探测。一般岩石的介电常数为8左右, 而水的介电常数为81, 所以在探测时遇到水会表现为明显的强反射。探水的原则可总结为以下几点:1) 岩石和水的介电常数差异很大, 表现为明显的强反射。2) 在反射界面上发生相位反转, 相位相反。3) 电磁波通过含水体后, 能量衰减大, 高频成分衰减的更明显。
3 工程应用
3.1 工程概况
雩山隧道为一分离式隧道, 隧道长度为5 420 m, 净空宽×高为10.75 m×5 m。隧道地形地貌为中低山丘陵地貌, 隧道洞身最高点高程约1 160 m, 地形起伏大, 山势较陡峻, 隧道进出洞口地形较陡, 植被发育, 出洞口风化层厚。该隧道区内地表冲沟常年流水, 水量较丰富, 受季节影响大。
根据隧道区内的地形地貌和水文地质条件, 区内地下水主要为构造裂隙水, 主要接受大气降水垂直向下渗透补给, 水文地质条件较复杂。据钻孔揭露隧道区内钻孔水位在钻进过程中变化较大, 故隧道区内地下水主要沿节理裂隙运动, 连通性较好。区内地下水一般沿基岩裂隙、构造破碎带等在地势低洼处排泄。
3.2 地质雷达探测及参数设置
雩山隧道开挖至YK191+613时, 隧道掌子面出现多个渗水点, 为探查掌子面前方的含水情况, 采用美国SIR 3000地质雷达进行了超前探水。雷达主要参数设置如下:采用100 MHz雷达屏蔽天线, 采样窗口长度可达400 ns, 有效探测深度20 m, 现场测量采用连续测量。
3.3 现场应用
由于岩体结构对地质雷达电磁波的影响较大, 在现场探测结束之后, 需要对采集到的数据进行后处理, 以减少干扰对现场正确识别的影响, 处理后的雷达解译伪彩色图如图2所示。
从图2可以看出, 在掌子面前方8 m和18 m出现两处强反射, 相位发生反转, 能量衰减快, 初步判断这两处为裂隙富水带。实际开挖后出现股流水, 边墙出现不同程度的渗水。可见预报情况和实际出水情况较吻合。
4 结语
本文通过对昌宁高速雩山隧道多次地质雷达裂隙水的现场探测, 得出以下几点结论:
1) 地质雷达是一种有效的短距离超前地质预报的方法, 可有效的预报掌子面前方的不良地质, 从而保证隧道的安全施工。
2) 地质雷达在裂隙水探测中表现的反射信号为很强的正反射, 波形的振幅发生反转, 其富水岩体对地震波的能量有很强的吸收作用, 强度衰减快。
3) 地质雷达在现场探测过程中受施工现场环境的影响较大, 特别是有大型的金属。为保证地质雷达在裂隙水探测中的精度, 建议在探测过程中, 需将掌子面附近的台车至少移出30 m远。
参考文献
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[4]杜树春.地质雷达及其在环境地质中的应用[J].物探与化探, 1996, 20 (5) :384-392.
高速探测 篇4
永古高速公路为贯穿中国东西部的主干道连云港至霍尔果斯国道甘肃境内永登—古浪区段(以下均简称永古高速),该高速公路段位于青藏高原东北缘,总体呈N5°E方向波状展布,横跨祁连山断褶带北祁连褶皱系。公路地处北祁连山地震多发区,山势陡峻,沿线穿越了金强河南缘隐伏断裂F1、乌鞘岭南麓断裂F2、毛毛山南麓活动断裂F3、小柳树沟—北岭沟断裂F4、毛毛山北麓活动断裂F5、古浪活动断裂F6等多条区域性活动断层(图1),地震地质与工程地质条件之复杂在同类工程中居首。
该公路段总体设计以特长隧道和高架桥为主,线路初选的乌鞘岭隧道北洞口位于毛毛山南麓活动断裂F3最新活动断面附近,安远隧道南洞口区段约呈65°夹角穿过了毛毛山北麓断裂F5全新世左旋正走滑断裂区段(图1)。由于该区洞口附近村民农舍建筑、耕地的改造及冲洪积物覆盖,断裂最新活动断面的准确位置已不易辨认,而活动断层展布特征及最新活动面的位置对于隧道洞口的安全性评价起着决定作用,因此,采用高密度电法对两洞口进行了探测,以期为隧道的稳定性评价提供准确可靠的依据。
2 探测方法
高密度电阻率法作为一种简单易行的无损探测方法,在工程领域已有广泛应用[1],在隐伏断裂探测方面也有很多应用实例和探讨[2,3],并取得了很好的效果,特别是本工程中,已有相当多的钻孔作为资料解译的参考,更增加了探测结果的可靠度和解译精度。
探测仪器:采用重庆奔腾数控技术研究所最新研制开发的WDJD-3多功能数字直流激电仪为工程电测主机,配以该所研制的WDZJ-2多路电极转换器构成高密度电阻率测量系统。
探测参数:测量中使用α电极排列方式(温纳装置AMNB),电极距5m,最大隔离系数38。
数据反演:对测试数据采用国际上较优秀的高密度电阻率数据2维反演软件RES2DINV,使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演,得到各测线电阻率直观剖面,通过对剖面电阻率变化规律的解译确定地下地层结构及隐伏断层位置与性质。
3 乌鞘岭隧道北洞口探测结果
乌鞘岭隧道北洞口地处北祁连中山区内的兰泉沟右岸I级冲洪积阶地后缘缓坡,坡度20～30°,高出兰泉沟沟底约9m。甘肃省交通规划设计院钻孔资料揭露,乌鞘岭隧道北洞口附近08号、01号及02号钻孔均位于F3断裂影响带上(图2),01号钻孔及02号钻孔分别位于隧道上行线出口以北约95m及189m的兰泉村中间土路附近;由此推测F3断裂晚更新世最新活动的断面应在02号钻孔以北,距上行线出口以北大于189m处。
钻孔揭示,北洞口附近上部为全新统冲洪积卵石土厚5～6m,碎石土厚5～6m;下伏地层为中—上奥陶统变质岩构成的F3断裂影响带,由灰褐色、黄褐色压碎岩、角砾岩构成,岩体破碎呈散体状。根据场地条件,高密度电法测线Gm1—Gm1’沿兰泉沟右岸乡间土路布设(图2),测线方向N10°E,穿过01号及02号钻孔,总长750m。地形南高北低,最大高差约15m。
图4a为测线Gml—Gml’反演电阻率断面。从剖面图并结合01号及02号钻孔资料可以看出,该测线揭示的地电阻率基本分为三层,界面稳定清晰,从地表向下呈现低阻—高阻—低阻的变化。分层深度在测线方向上可以划分为3段:
测线起点～280m区段,由上而下3～5m为低阻层,地电阻率值约50Ω·m左右,应由全新统冲洪积圆砾土构成;5～20m为高阻层,地电阻率值约500Ω·m左右,应由上更新统冲洪积碎石土构成;20m以下为低阻层,地电阻率值为100Ω·m左右,应为F3挤压破碎带及其影响带,宽度300m左右。
测线280～410m区段,由上而下5～10m为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应由全新统冲洪积圆砾土构成;10～55m为高阻层,地电阻率值约200～300Ω·m左右,应由上更新统冲洪积碎石土构成;55m以下为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应为F3强烈挤压破碎带,宽度约115m左右。
测线410～750m区段,由上而下5～10m为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应由全新统冲洪积圆砾土构成;10m以下为高阻层,地电阻率值约500Ω·m左右,应由上更新统冲洪积碎石土构成。
根据电阻率层在不同区段的差异表现,测线280m附近两侧地电阻率所揭示的挤压破碎带埋深差异处及测线410m处两侧地电阻率揭示的挤压破碎带断逝和上更新统冲洪积层厚度的明显差异处,应是F3断裂晚更新世活动断面的位置(图4a)。断裂由两个活动断面组成,两条活动断面呈阶梯式向北陡倾。根据断裂的地貌特征判定,高速公路附近F3晚更新世活动断面产状约N70°W/NE∠75～80°,乌鞘岭隧道上行出口场地应位于F3断裂最新活动断面南侧约264m及399m的断裂下盘影响带上。乌鞘岭隧道下行进口场地应位于F3断裂最新活动断面南侧约284m及419m的断裂下盘影响带上。
4 安远隧道南洞口探测结果
拟建安远隧道南洞口地处北祁连中高山—中山区内安远拉分盆地北缘雷公山东南麓山前I级冲洪积阶地后缘,坡度10～25°。位于隧道上行线进口以北约55.4m的01号钻孔,地面高程为2730.2m,钻孔揭示了隧道南洞口附近晚第四纪冲洪积次生黄土厚度约4m,角砾土、块石碎石土厚度约22m;下伏由下志留统绢云千枚岩构成的F5断裂破碎带。
由于F5断裂该段为正走滑断裂区段,推测断层呈锯齿状,方向不易控制,加之对比线路相距较远,根据场地条件,我们在安远隧道南洞口附近完成了3条高密度测线(图3),以控制断层的空间展布。其中Gm2—Gm2’沿寺坡根村中间一条北西向土路布设,测线方向大致为S50°E,测线长600m,地形北西高,南东低,最大地形比差约85m;Gm3—Gm3'沿安远隧道南洞口西侧寺坡村头一条田间小路布设,测线方向S75°E,测线长750m,地形北西高东南低,最大地形比差约125m;Gm4—Gm4’沿杨家湾西沟右岸布设,测线方向0～220m区段为S45°E,220～600m区段为S70°E,测线长600m,地形北西高南东低,最大地形比差43m。
图4b、4c、4d为各测线反演地电阻率断面及断层解译图,可以看出各断面揭示的地电阻率低阻及高阻层界面清晰稳定,清晰地反映了地下岩体及断层破碎带的特征。
(1) Gm2—Gm2’测线探测结果
测线0～250m区段,由上而下0～10m为极低阻层,地电阻率值约50Ω·m左右,应由全新统坡洪积—冲洪积圆砾土、亚砂土构成;10m以下为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应为下志留统变质岩构成的F5强烈挤压破碎带,宽度约150m。
测线250～600m区段,由上而下0～15m为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应由全新统冲洪积圆砾土、亚砂土、耕土构成;15m以下为高阻层,地电阻率值大于300Ω·m,应由上更新统冲洪积碎石土夹亚砂土构成。
根据电阻率差异,测线在250m附近南北两侧地电阻率所揭示的挤压破碎带断逝及其上覆晚第四纪沉积物厚度的明显差异处,应是F5最新活动断面的位置。断面向南陡倾,倾角约75°。安远隧道上行进口即位于F5最新活动断面北侧约45m的断裂下盘强烈挤压破碎带上。
(2)Gm3—Gm3’测线探测结果
测线0～160m区段,由上而下0～5m为极低阻层,地电阻率约50Ω·m左右,应由全新统冲洪积含碎石亚砂土构成;5m以下在山边宽度约40m左右为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应为下志留统变质岩构成的F5断裂强烈挤压破碎带,在山体内为高阻层,地电阻率值约300Ω·m,应为下志留统变质岩构成的F5断裂影响带。
测线160～750m区段,由上而下0～10m为低阻层,地电阻率约150Ω·m,应由全新统冲洪积含碎石亚砂土、耕土构成;10～40m为高阻层,地电阻率值大于300Ω·m,应由上更新统冲洪积碎石土构成;40m以下为低阻层,地电阻率值约150Ω·m左右,应由中—上更新统冲洪积碎石土构成。
测线在160m附近南北两侧地电阻率所揭示的挤压破碎带断逝及其上覆晚第四纪冲洪积物厚度的明显差异,应是F5全新世断裂最新活动断面的位置,断面向南陡倾,倾角约80°。断层面对应地表恰好位于山前I级冲洪积扇断崖陡坎处(图3)。
由Gm3—Gm3’测线及Gm2—Gm2’测线探测的F5断裂最新活动断面位置及结合微地貌特征判定,F5最新活动断裂在隧道南洞口附近产状为N80°E/SE∠70～80°,强烈挤压破碎带宽40～150m。推荐线下行出口穿过了F5断裂最新活动断面,上行进口即位于F5最新活动断面北侧最近距离约45m的断裂下盘强烈挤压破碎带上,上覆厚5m左右的全新统冲洪积物;比较线南洞口(下行出口)则位于F5最新活动断面北侧最近距离约100m的断裂下盘强烈挤压破碎带上。
(3)Gm4—Gm4’测线探测结果
测线0～135m区段,由上而下0～10m为极高阻层,地电阻率值约300Ω·m左右,应由全新统冲洪积碎石土构成;10m以下为低阻层,地电阻率值约100Ω·m左右,应由下志留统变质岩构成的F5断裂强烈挤压破碎带构成,宽度约100～120m。
测线135～600m区段,由上而下0～15m为低阻层,地电阻率约1500·m,应由全新统圆砾土及亚砂土构成;15～65m区段为高阻层,地电阻率值约500Ω·m左右,应由上更新统碎石土构成;65m以下为低阻层,地电阻率值约150Ω·m左右,可能由中—上更新统含水碎石土及亚砂土构成。
可见测线在135m附近南北两侧地电阻率所揭示的挤压破碎带断逝及上覆晚第四纪冲洪积物厚度明显差异处,应是F5全新世断裂最新活动断面的位置,断面向南陡倾,倾角约85°。该点附近见Ⅱ级及Ⅲ级冲洪积阶地形成较明显的陡坎地貌。据电探资料及微地貌特征推测,F5断裂在杨家湾西沟口附近产状大致已转成为N50°E/SE∠85°。
5 结论
根据高密度探测结合钻孔资料,F3断裂晚更新世活动具有向安远拉分盆地方向迁移的阶梯式拉张特点,乌鞘岭隧道北洞口场地位于F3断裂下盘的影响带上,隧道上行出口场地位于F3断裂最新活动断面南侧最近距离约264m及399m处,隧道下行进口场地位于F3断裂最新活动断面南侧最近距离约284m及419m处,地震时不致于在北洞口场地产生新的断错而影响洞口的安全。但由于F3区域性断裂在地质历史上多期活动,造成隧道岩体破碎带较宽,在地震影响下,可能产生局部坍塌等工程地质问题,需加强防护。
F5断裂晚第四纪以来的活动具有向安远拉分盆地方向迁移的阶梯式拉张正断裂特点,安远隧道推荐线下行出口穿过了F5全新世左旋正走滑活动断裂,不能排除地震发生时沿F5最新活动的断面产生地表位错的可能,工程建设中必须采取防震抗断处理措施,防患于未然。推荐线上行进口及比较线下行出口分别位于F5断裂最新活动断面北侧最近距离约45m及100m的断裂下盘挤压破碎带上;地震时会造成洞口岩体坍塌,不排除洞口及附近地带产生地表裂缝的可能性,需加强防护。因此,比较线的南洞口工程地震条件将优于推荐线南洞口的工程地震条件。但比较线南洞口以北约600m区段可能穿过了F5断裂影响带及其上覆较厚的Ⅱ—Ⅲ级冲洪积阶地碎石土层,局部夹有淤泥层,成洞条件不利。
实际上,根据探测结果,安远隧道线路最后又作了大的调整,隧道南洞口区段采取以地堑形式跨越比较线东侧Ⅱ级阶地,然后进入山洞的方案,既避免洞口距离F5活动断裂太近,又适当避开了一些不利工程地质条件。
参考文献
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