基于Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器研究

馬云棟，李英年，薛 為，張 璇

（1.黑龍江省大慶市東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司第六大隊(duì)，黑龍江 大慶 163318）

聲發(fā)射信號(hào)是一種來(lái)自材料內(nèi)部由于突然釋放應(yīng)變能而形成的一種彈性應(yīng)力波，它包含了材料內(nèi)部損傷的信息，因此聲發(fā)射技術(shù)能夠用來(lái)識(shí)別發(fā)生在受載材料中不同類(lèi)型的損傷。傳統(tǒng)聲發(fā)射(AE）檢測(cè)的基本原理是給被檢查對(duì)象施加壓力或其它外部條件（如高溫等），使檢測(cè)對(duì)象中的缺陷或潛在缺陷自動(dòng)發(fā)聲，根據(jù)接收到來(lái)自缺陷的應(yīng)力被推測(cè)缺陷的位置和大小[1,2]。而光纖傳感器是用輕而小的光纖取代了傳統(tǒng)的壓電陶瓷制成的傳感器。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷PZT相比，光纖AE傳感器具有：頻帶寬、不受電磁干擾、靈敏度高、體積小、損壞閥值高、不必與被測(cè)物體接觸及電子設(shè)備與傳感器可以間隔很多等很多優(yōu)點(diǎn)[3]。

本文以Sagnac光纖為研究對(duì)象，采用 Sagnac環(huán)為前端傳感器，并搭建光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。最終通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)將光纖聲發(fā)射傳感器與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試光纖聲發(fā)射檢測(cè)的性能，以滿(mǎn)足對(duì)石油石化行業(yè)大型設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)的要求。

1 基本原理

光纖Sagnac聲發(fā)射傳感器原理如圖1所示。

圖1光纖Sagnac原理圖

光源由LD激光器充當(dāng)，并被光纖所接收，然后經(jīng)由3dB耦合器分為兩束，這樣就形成了干涉儀的兩個(gè)傳感臂和。光經(jīng)過(guò)被傳輸?shù)捷敵龆?，而另一束光則經(jīng)過(guò)也被傳輸?shù)捷敵龆恕１焕p繞成圓環(huán)狀的光纖的作用是感應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)的，當(dāng)信號(hào)作用其上時(shí)，其中光波的位相就會(huì)被調(diào)制[4]。這兩束場(chǎng)強(qiáng)為和的被光探測(cè)器PD所接收到的光可表示為:

其中，A是一常數(shù)，其與3dB耦合器的損耗和入射光的振幅是成正比的，ω則為光波頻率；φs是光波的位相變化；τL和τR分別為這兩束光經(jīng)由傳感臂到達(dá)檢測(cè)器所經(jīng)歷的時(shí)間；而準(zhǔn)1和準(zhǔn)2則分別為兩光束的初位相，是由傳導(dǎo)光纖的長(zhǎng)度所決定的[5]。由上兩式可知光電探測(cè)器所探測(cè)到的光強(qiáng)可用下式表示:

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建和結(jié)果分析

光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括：He-Ne激光光源、FC連接器、3dB單模光纖耦合器、單模光纖偏振控制器、單模光纖環(huán)形傳感器、光電探測(cè)器(PD)與放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡，PC機(jī)和PZT壓電換能器與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)使用一塊鋼板作為聲傳輸介質(zhì)，PZT和傳感光纖被固接在面上。光纖傳感器的探頭部分是由直徑20mm,匝數(shù)為30的單模光纖平面環(huán)構(gòu)成。光源為1 550 nm窄線寬同軸激光光源，波導(dǎo)由一根光纖輸入的光信號(hào)可用它加以等分。Fc連接器采用對(duì)接端面呈球面的插針（PC），而外部結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高，并利用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，所用的光纖聲發(fā)射信號(hào)采集卡型號(hào)為PCI-1802L型高速數(shù)據(jù)采集卡，使用了Labviews軟件進(jìn)行控制，本實(shí)驗(yàn)先后采用了標(biāo)準(zhǔn)AE信號(hào)、摩擦信號(hào)、以及敲擊信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖3-5中左圖為傳統(tǒng)聲發(fā)射采集的波形圖，右側(cè)為采用光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集的波形圖。圖中的文字受軟件的限制字體不能更改。

圖3標(biāo)準(zhǔn)AE信號(hào)的對(duì)比波形圖

圖4摩擦信號(hào)對(duì)比圖

圖5敲擊信號(hào)對(duì)比波形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所構(gòu)建的光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)可以大致完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)，與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)比，光纖聲發(fā)射傳感器克服了傳統(tǒng)壓電式傳感器易受干擾、譜頻響應(yīng)窄的缺點(diǎn)。作為一種強(qiáng)度調(diào)制型傳感器，與其他類(lèi)型的光纖聲發(fā)射傳感器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，設(shè)備體積小，造價(jià)低廉的特點(diǎn)。該傳感系統(tǒng)開(kāi)拓了聲發(fā)射檢測(cè)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

[1]沈功田，戴 光，劉時(shí)風(fēng).中國(guó)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J].無(wú)損檢測(cè)，2003，25(6)：307-307.

[2]梁藝軍.光纖聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[3]Geoffrey A C,Philip JN,Lange-Scale Remotely Interrogated Arrays of Fiber-Optic Interferometer Sensors for Underwater Acoustic Applications[J].IEEE Sensors Journal，2003，3（1）：25-28.

[4]Phil Cole，Jon Watson．Acoustic Emission for Corrosion Detection [C]．3rdMiddle East Nondestructive Testing Conference&Exhibition，Bahrain．2005:169-175.

[5]陳麗潔，藍(lán) 宇，冷建興.壓電諧振式聲發(fā)射接收傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù),2005，33（4）:37-39.