基于長(zhǎng)周期光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王桂娜+梁大開

摘要： 研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的基本原理以及光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)的作用機(jī)理，提出了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射；長(zhǎng)周期光纖光柵；信號(hào)檢測(cè)

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號(hào)：TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發(fā)射（acoustic emission，簡(jiǎn)稱AE）是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以應(yīng)力波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種對(duì)結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運(yùn)動(dòng)變化過程中的缺陷進(jìn)行的無損檢測(cè)。聲發(fā)射信號(hào)的分類最早是由德國(guó)人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對(duì)聲發(fā)射認(rèn)識(shí)的加深，正式提出將聲發(fā)射信號(hào)分成突發(fā)型與連續(xù)型兩種。自然界中能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的材料很多，聲發(fā)射源的種類也很繁多，因此聲發(fā)射波的頻率范圍很廣。有的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)，人耳可以直接聽到，有的聲發(fā)射信號(hào)在發(fā)生過程中應(yīng)變比較弱導(dǎo)致人耳聽不到，這就需要專門的聲發(fā)射設(shè)備才能檢測(cè)到。用專用的設(shè)備與軟件檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)、分析處理與顯示聲發(fā)射信號(hào)、由聲發(fā)射信號(hào)的信息反推聲發(fā)射源的狀況統(tǒng)稱為聲發(fā)射技術(shù)[1]。

1 傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理

當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測(cè)結(jié)構(gòu)上后，由于材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料表面時(shí)聲發(fā)射波引起材料表面的振動(dòng)，此時(shí)波的能量轉(zhuǎn)換成材料的振動(dòng)能。而附著在材料表面的聲發(fā)射傳感器可以感受到材料表面的機(jī)械振動(dòng)，然后將材料的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過后續(xù)硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發(fā)射信號(hào)的有用信息，并以此來推斷材料發(fā)生聲發(fā)射的機(jī)制與預(yù)判聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料受到應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發(fā)射傳感器與相關(guān)外圍設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。只要對(duì)記錄與顯示在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，便可預(yù)判材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及下一步需要釆取的針對(duì)性防范措施。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測(cè)結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優(yōu)點(diǎn)是精度與分辨率比較高，其主要缺點(diǎn)是：體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測(cè)物體接觸，不能應(yīng)用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱，在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發(fā)射傳感器具有壓電傳感器沒有的優(yōu)點(diǎn)：本身制作材料是光導(dǎo)纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環(huán)境中；本身體積小質(zhì)量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結(jié)構(gòu)表面也可埋入其中；采用波長(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。因此對(duì)于基于光纖光柵的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)作用機(jī)理

光纖光柵是一種折射率周期調(diào)制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長(zhǎng)被認(rèn)為是光柵中心波長(zhǎng)：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區(qū)的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應(yīng)力作用下，光柵周期和有效折射率受到調(diào)制從而使波長(zhǎng)改變。光纖光柵聲發(fā)射傳感器的基本原理是在聲發(fā)射應(yīng)力波作用下，一方面對(duì)光柵周期進(jìn)行調(diào)制；另一方面對(duì)光柵纖芯有效折射率調(diào)制。兩方面共同作用使波長(zhǎng)改變，光柵中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發(fā)射信號(hào)引起的光柵軸向高頻應(yīng)變，pe為光柵的有效彈光系數(shù)，1-pe即為光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)。對(duì)于1550波段的FBG，應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波的解調(diào)系統(tǒng)[8-9]方案（如圖2所示）。該系統(tǒng)采用的是全光纖結(jié)構(gòu)，無需機(jī)械部件調(diào)諧，其傳感解調(diào)的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間等，適于對(duì)解調(diào)速度要求較高的場(chǎng)合[10]。

寬帶光源經(jīng)耦合器1進(jìn)入傳感點(diǎn)——光纖Bragg光柵（FBG），經(jīng)FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經(jīng)過耦合器1，后接耦合器2將信號(hào)分為2路，一路直接進(jìn)入光電探測(cè)器（PD0），另一路則通過一個(gè)LPFG線性濾波器后再進(jìn)入PD1檢測(cè)。兩路信號(hào)相比可以消除光源波動(dòng)及前面光路連接器等引起的光功率波動(dòng)，隨后對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、濾波處理后，根據(jù)解調(diào)算法即可將變化的物理量解調(diào)出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號(hào)，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)原理，研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的方案。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠?qū)β暟l(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確可靠，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)系統(tǒng)的集成化、小型化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《國(guó)防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì)編，楊明緯主編.聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學(xué).光纖傳感器對(duì)煤巖體聲發(fā)射的檢測(cè)[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國(guó)，荷風(fēng)云.數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時(shí).光纖聲傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長(zhǎng)周期光纖光柵邊沿濾波線性解調(diào)新方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及改進(jìn)[J].應(yīng)用光學(xué)， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學(xué)光，王若暉等，基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調(diào)系統(tǒng)[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的基本原理以及光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)的作用機(jī)理，提出了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射；長(zhǎng)周期光纖光柵；信號(hào)檢測(cè)

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號(hào)：TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發(fā)射（acoustic emission，簡(jiǎn)稱AE）是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以應(yīng)力波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種對(duì)結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運(yùn)動(dòng)變化過程中的缺陷進(jìn)行的無損檢測(cè)。聲發(fā)射信號(hào)的分類最早是由德國(guó)人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對(duì)聲發(fā)射認(rèn)識(shí)的加深，正式提出將聲發(fā)射信號(hào)分成突發(fā)型與連續(xù)型兩種。自然界中能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的材料很多，聲發(fā)射源的種類也很繁多，因此聲發(fā)射波的頻率范圍很廣。有的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)，人耳可以直接聽到，有的聲發(fā)射信號(hào)在發(fā)生過程中應(yīng)變比較弱導(dǎo)致人耳聽不到，這就需要專門的聲發(fā)射設(shè)備才能檢測(cè)到。用專用的設(shè)備與軟件檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)、分析處理與顯示聲發(fā)射信號(hào)、由聲發(fā)射信號(hào)的信息反推聲發(fā)射源的狀況統(tǒng)稱為聲發(fā)射技術(shù)[1]。

1 傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理

當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測(cè)結(jié)構(gòu)上后，由于材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料表面時(shí)聲發(fā)射波引起材料表面的振動(dòng)，此時(shí)波的能量轉(zhuǎn)換成材料的振動(dòng)能。而附著在材料表面的聲發(fā)射傳感器可以感受到材料表面的機(jī)械振動(dòng)，然后將材料的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過后續(xù)硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發(fā)射信號(hào)的有用信息，并以此來推斷材料發(fā)生聲發(fā)射的機(jī)制與預(yù)判聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料受到應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發(fā)射傳感器與相關(guān)外圍設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。只要對(duì)記錄與顯示在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，便可預(yù)判材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及下一步需要釆取的針對(duì)性防范措施。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測(cè)結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優(yōu)點(diǎn)是精度與分辨率比較高，其主要缺點(diǎn)是：體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測(cè)物體接觸，不能應(yīng)用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱，在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發(fā)射傳感器具有壓電傳感器沒有的優(yōu)點(diǎn)：本身制作材料是光導(dǎo)纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環(huán)境中；本身體積小質(zhì)量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結(jié)構(gòu)表面也可埋入其中；采用波長(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。因此對(duì)于基于光纖光柵的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)作用機(jī)理

光纖光柵是一種折射率周期調(diào)制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長(zhǎng)被認(rèn)為是光柵中心波長(zhǎng)：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區(qū)的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應(yīng)力作用下，光柵周期和有效折射率受到調(diào)制從而使波長(zhǎng)改變。光纖光柵聲發(fā)射傳感器的基本原理是在聲發(fā)射應(yīng)力波作用下，一方面對(duì)光柵周期進(jìn)行調(diào)制；另一方面對(duì)光柵纖芯有效折射率調(diào)制。兩方面共同作用使波長(zhǎng)改變，光柵中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發(fā)射信號(hào)引起的光柵軸向高頻應(yīng)變，pe為光柵的有效彈光系數(shù)，1-pe即為光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)。對(duì)于1550波段的FBG，應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波的解調(diào)系統(tǒng)[8-9]方案（如圖2所示）。該系統(tǒng)采用的是全光纖結(jié)構(gòu)，無需機(jī)械部件調(diào)諧，其傳感解調(diào)的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間等，適于對(duì)解調(diào)速度要求較高的場(chǎng)合[10]。

寬帶光源經(jīng)耦合器1進(jìn)入傳感點(diǎn)——光纖Bragg光柵（FBG），經(jīng)FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經(jīng)過耦合器1，后接耦合器2將信號(hào)分為2路，一路直接進(jìn)入光電探測(cè)器（PD0），另一路則通過一個(gè)LPFG線性濾波器后再進(jìn)入PD1檢測(cè)。兩路信號(hào)相比可以消除光源波動(dòng)及前面光路連接器等引起的光功率波動(dòng)，隨后對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、濾波處理后，根據(jù)解調(diào)算法即可將變化的物理量解調(diào)出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號(hào)，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)原理，研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的方案。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠?qū)β暟l(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確可靠，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)系統(tǒng)的集成化、小型化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《國(guó)防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì)編，楊明緯主編.聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學(xué).光纖傳感器對(duì)煤巖體聲發(fā)射的檢測(cè)[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國(guó)，荷風(fēng)云.數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時(shí).光纖聲傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長(zhǎng)周期光纖光柵邊沿濾波線性解調(diào)新方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及改進(jìn)[J].應(yīng)用光學(xué)， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學(xué)光，王若暉等，基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調(diào)系統(tǒng)[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的基本原理以及光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)的作用機(jī)理，提出了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射；長(zhǎng)周期光纖光柵；信號(hào)檢測(cè)

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號(hào)：TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發(fā)射（acoustic emission，簡(jiǎn)稱AE）是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以應(yīng)力波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種對(duì)結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運(yùn)動(dòng)變化過程中的缺陷進(jìn)行的無損檢測(cè)。聲發(fā)射信號(hào)的分類最早是由德國(guó)人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對(duì)聲發(fā)射認(rèn)識(shí)的加深，正式提出將聲發(fā)射信號(hào)分成突發(fā)型與連續(xù)型兩種。自然界中能夠產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的材料很多，聲發(fā)射源的種類也很繁多，因此聲發(fā)射波的頻率范圍很廣。有的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)，人耳可以直接聽到，有的聲發(fā)射信號(hào)在發(fā)生過程中應(yīng)變比較弱導(dǎo)致人耳聽不到，這就需要專門的聲發(fā)射設(shè)備才能檢測(cè)到。用專用的設(shè)備與軟件檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)、分析處理與顯示聲發(fā)射信號(hào)、由聲發(fā)射信號(hào)的信息反推聲發(fā)射源的狀況統(tǒng)稱為聲發(fā)射技術(shù)[1]。

1 傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理

當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測(cè)結(jié)構(gòu)上后，由于材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料表面時(shí)聲發(fā)射波引起材料表面的振動(dòng)，此時(shí)波的能量轉(zhuǎn)換成材料的振動(dòng)能。而附著在材料表面的聲發(fā)射傳感器可以感受到材料表面的機(jī)械振動(dòng)，然后將材料的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過后續(xù)硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發(fā)射信號(hào)的有用信息，并以此來推斷材料發(fā)生聲發(fā)射的機(jī)制與預(yù)判聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料受到應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發(fā)射傳感器與相關(guān)外圍設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。只要對(duì)記錄與顯示在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，便可預(yù)判材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及下一步需要釆取的針對(duì)性防范措施。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測(cè)結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優(yōu)點(diǎn)是精度與分辨率比較高，其主要缺點(diǎn)是：體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測(cè)物體接觸，不能應(yīng)用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱，在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發(fā)射傳感器具有壓電傳感器沒有的優(yōu)點(diǎn)：本身制作材料是光導(dǎo)纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環(huán)境中；本身體積小質(zhì)量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結(jié)構(gòu)表面也可埋入其中；采用波長(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。因此對(duì)于基于光纖光柵的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發(fā)射信號(hào)作用機(jī)理

光纖光柵是一種折射率周期調(diào)制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長(zhǎng)被認(rèn)為是光柵中心波長(zhǎng)：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區(qū)的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應(yīng)力作用下，光柵周期和有效折射率受到調(diào)制從而使波長(zhǎng)改變。光纖光柵聲發(fā)射傳感器的基本原理是在聲發(fā)射應(yīng)力波作用下，一方面對(duì)光柵周期進(jìn)行調(diào)制；另一方面對(duì)光柵纖芯有效折射率調(diào)制。兩方面共同作用使波長(zhǎng)改變，光柵中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發(fā)射信號(hào)引起的光柵軸向高頻應(yīng)變，pe為光柵的有效彈光系數(shù)，1-pe即為光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)。對(duì)于1550波段的FBG，應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波的解調(diào)系統(tǒng)[8-9]方案（如圖2所示）。該系統(tǒng)采用的是全光纖結(jié)構(gòu)，無需機(jī)械部件調(diào)諧，其傳感解調(diào)的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間等，適于對(duì)解調(diào)速度要求較高的場(chǎng)合[10]。

寬帶光源經(jīng)耦合器1進(jìn)入傳感點(diǎn)——光纖Bragg光柵（FBG），經(jīng)FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經(jīng)過耦合器1，后接耦合器2將信號(hào)分為2路，一路直接進(jìn)入光電探測(cè)器（PD0），另一路則通過一個(gè)LPFG線性濾波器后再進(jìn)入PD1檢測(cè)。兩路信號(hào)相比可以消除光源波動(dòng)及前面光路連接器等引起的光功率波動(dòng)，隨后對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、濾波處理后，根據(jù)解調(diào)算法即可將變化的物理量解調(diào)出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號(hào)，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)原理，研究了聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的方案。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠?qū)β暟l(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確可靠，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)FBG解調(diào)系統(tǒng)的集成化、小型化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《國(guó)防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì)編，楊明緯主編.聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學(xué).光纖傳感器對(duì)煤巖體聲發(fā)射的檢測(cè)[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國(guó)，荷風(fēng)云.數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時(shí).光纖聲傳感器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].光子學(xué)報(bào)，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長(zhǎng)周期光纖光柵邊沿濾波線性解調(diào)新方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長(zhǎng)周期光纖光柵線性濾波解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究及改進(jìn)[J].應(yīng)用光學(xué)， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學(xué)光，王若暉等，基于長(zhǎng)周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調(diào)系統(tǒng)[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.