【正文】 2 致 謝 ....................................................................................................................... 34 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 選題背景及意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,現(xiàn)代機(jī)械裝備、工程建筑結(jié)構(gòu)等已經(jīng)向復(fù)雜化、集成化、大型化方向發(fā)展。 光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng) ................................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 關(guān)鍵詞 ： 聲發(fā)射 ；光纖聲發(fā)射檢測； Sagnac 干涉效應(yīng) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II ABSTRACT Acoustic Emission means the phenomenon that partial fast release energy with the transient elastic wave in different materials, sometimes it is also called stress wave emission. Traditional piezoelectric acoustic emission sensor is large, frequency band is narrow, and have serious electromagic interference, in high temperature environment or in a strong electric field, its effectiveness is limited. The optical fiber AE sensor has the advantages of small volume, wide frequency band, high sensitivity, high damage threshold, not contact the measured object ,suitable for harsh environment. Therefore, the research on optical fiber acoustic emission detection technology has a very important significance. Based on the interference effect of Sagnac, a set of optical fiber acoustic emission sensor system is established, and the system structure and meas uring principle are analyzed. Complete the acquisition and testing of three sound source signals: the signal of lead, the friction and the signal, pulse signal analysis of excitation source The experimental results show that pared with the traditional acoustic emission detection system, the new fiber optic acoustic emission testing system has the advantages of simple operation, simple operation, small equipment etc. Key words: Acoustic emission。因此，光纖聲發(fā)射檢測技術(shù)有很重要的研究意義。東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 聲發(fā)射 ( Acoustic Emission， AE) 是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，有時(shí)又稱作應(yīng)力波發(fā)射。 基于光纖 Sagnac 干涉效應(yīng)，建立一套光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng) ,并分析其系統(tǒng)構(gòu)成和測量原理，建立標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射采集系統(tǒng)并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。 fiber optic acoustic emission detection。 光纖聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)平臺的搭建 ....................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。這些集成化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到大型橋梁 ,電力部門的大型發(fā)電機(jī)組 ,航空航天領(lǐng)域的航天飛機(jī)、空間站 ,核反應(yīng)堆、大型水利工程等環(huán)境中持續(xù)受到各種載荷的作用以及突發(fā)性外在因素的影響 ,隨著時(shí)間的推移其結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)、強(qiáng)度、變形模量等材料學(xué)與力學(xué)參數(shù)不斷惡化 ,結(jié)構(gòu)上開始出現(xiàn)疲勞裂縫、螺變、腐燭等缺陷。在某些特殊的場合，比如說大型油罐的在役檢測，聲發(fā)射檢測成為唯一可靠的檢測手段，因此聲發(fā)射技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信號處理技術(shù)的發(fā)展迅速成為一種新型的無損檢測技術(shù)，未來的二十年內(nèi)，隨著人類對聲發(fā)射源和聲發(fā)射波傳播過程的更深入認(rèn)識以及各種強(qiáng)大儀器的問世，聲發(fā)射技術(shù)將會獲得 更高層次的發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多釆用的是諧振式壓電傳感器 ,是將被測結(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。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，近來，其外延已進(jìn)一步擴(kuò)大，比如說泄漏聲音、軸承的滑動聲音、木材干燥時(shí)產(chǎn)生的聲音、甜瓜莖中的流體的聲音等也都被稱為 AE，這些廣義解釋的 AE 情形較多，而且研究成果也非常多 [2]。不同的源機(jī)制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的 AE 信號。正因?yàn)檫@樣， AE 探測技術(shù)是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有力工具，也是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。根據(jù) AE 波到達(dá)的時(shí)間差，可以確定 AE 發(fā)生源的位置。源的嚴(yán)重性程度是對聲發(fā)射源進(jìn)行的定量評價(jià)，目前基本上以各種聲發(fā)射信號參數(shù)來加以衡量，如以信號的幅度、能量和計(jì)數(shù)等東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 來衡量源的強(qiáng)度，以產(chǎn)生聲發(fā)射信號的反射頻率和能量釋放速率來衡量源的活度，或者綜合評定聲發(fā)射信號的幅度、能量等參數(shù)隨載荷或時(shí)間的變化等。 通過對探測到的聲發(fā)射信號進(jìn)行處理和分析，可以得到被探測材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)聲發(fā)射源的大量信息。如果信號由區(qū)別于背景噪聲的脈沖組成，且在時(shí)間上可以分開，那么就叫突發(fā)型聲發(fā)射信號 。一類是以多個(gè)簡化的波形特征參數(shù)來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對其進(jìn)行分析和處理；另一類為存儲和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進(jìn)行頻譜分 析。 聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用范圍已覆蓋航空、航天、石油化工、鐵路、汽車、建筑、電東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 力等領(lǐng)域。不用說在金屬、巖石、混凝土、陶瓷、 FRP、木材，甚至在超導(dǎo)、人體、植物等廣泛的范圍也引起了人們的興趣。這樣考慮的話， AE 探測技術(shù)對于改善今后的嚴(yán)酷的地球環(huán)境、支持豐富的 21 世紀(jì)來說都將越來越重要 [6]。 20 世紀(jì) 70 年代初， Dunegan 等人開展了現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制，他們把試 驗(yàn)頻率提高到 100kHz～ 1MHz，這是聲發(fā)射試驗(yàn)技術(shù)的重大進(jìn)展，現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制成功，為聲發(fā)射技術(shù)從試驗(yàn)室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)用創(chuàng)造了條件。國外在全數(shù)字式聲發(fā)射儀的研制上發(fā)展很快，典型代表是美國 PAC 公司的 Mistras2021，德國 Vallen 公司的 AMSY4 和美國數(shù)字波形公司東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ DWC）的 F4000 聲發(fā)射檢測儀等，其聲發(fā)射特征量全由數(shù)字信號提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號在到達(dá)各種處理器之前首先被數(shù)（ 458 中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2021 年第 5 期）字化 ，由于全部信號處理是對離散信號完成的，系統(tǒng)有很高的信噪比和很寬的動態(tài)范圍 [9]。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國外研究現(xiàn)狀 聲發(fā)射波的傳播路徑、波形模式受聲波頻率和傳導(dǎo)介質(zhì)的影響很大 ,同時(shí)聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時(shí)呈低應(yīng)變的特征。 2021 年， 等人通過仿真得出結(jié)論 ,當(dāng)超聲波長與光纖的柵長的比值減小時(shí)，光纖反射譜的波長響應(yīng)靈敏度會下降，當(dāng)超聲波的能量較高且超聲波的波長與光纖的柵區(qū)長度相等時(shí)，光纖的光譜將發(fā)生明顯的變形 [10]。在整個(gè)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器是首要環(huán)節(jié)。相比而言，光纖聲發(fā)射傳感器具有壓電傳感器沒有的優(yōu)點(diǎn)：由于其制作材料是光纖，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，即可粘貼在結(jié)構(gòu)表面也可埋入其中；采用波長解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。 同年， 等人利用可移動式光纖傳感器對不銹鋼板的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。其中最簡單、使用較為普遍的為匹配光纖濾波法，它分為反射式和透射式兩種，該解調(diào)方法的原理類似于被動式波長比率解調(diào)法，利用了匹配光柵的反射譜特性，入 射光在特定的波長范圍內(nèi)才會被反射，并與入射譜和反射譜重疊的面積有關(guān)，重疊部分越多 ,反射光越強(qiáng)，也就是檢測到的光強(qiáng)為兩者光譜函數(shù)的卷積。綜上所述 ,采用匹配光柵濾波法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實(shí)現(xiàn)容易。 2021 年， 等人將可調(diào)窄帶激光解調(diào)法用于不銹鋼板裂紋擴(kuò)展情況的檢測。與上述的匹配光柵濾波解調(diào)法相比，可調(diào)窄帶激光解調(diào)法 具有更高的靈敏度及更高的信噪比，且分辨率較高，是一種很可取的方案 [18]。 本課題的主要研究內(nèi)容 本文以光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)為主要研究對象，針對目前其在聲發(fā)射波檢測領(lǐng)域中的一些熱點(diǎn)問題進(jìn)行了理論及應(yīng)用性研宄 ,主要研宄以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： (1) 介紹了光纖聲發(fā)射發(fā)展及研究應(yīng)用現(xiàn)狀；總結(jié)了光纖傳感方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展及水平；總結(jié)歸納了基于光纖聲發(fā)射傳感方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。同時(shí)將不同種纖傳感器的解調(diào)方式進(jìn)行介紹，為光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)選取合適的光纖傳感器提供了 依據(jù)。聲發(fā)射檢測原理如圖 21 所示 圖 21 傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測原理圖 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 聲發(fā)射檢測 系統(tǒng) 由 AE 傳感器、前置放大器、主振幅器、帶通濾波器組成。 靜電容性探 頭用于觀測絕對位移量 ， 是由美國 NIST (National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的 ， 該傳感器是基于電容器容量與電極板間隔成比例而設(shè)計(jì)的 ， 在對理論波形的確認(rèn)以及對 AE 傳感器的靈敏度進(jìn)行校正等方面較為有效 ， 但由于其靈敏度較低并且使用性差等缺點(diǎn) ， 在一般測量中難以廣泛應(yīng)用 。 從圖 21 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。有的系統(tǒng)前放跟主放之間還附帶一個(gè)帶通濾波器 ,根據(jù)所測材料發(fā)生的聲發(fā)射信號的頻率來選擇合適的頻率窗口 ,對夾雜在聲發(fā)射信號中的噪聲起過濾作用 [22]。相對光彈常數(shù)可定義為： 12C C C?? （ 21） 光纖在均勻分布的外力作用下，由于光纖芯和包層的楊氏模量和波松比都基本相同，因此可將光纖近似地看作是均勻的電介質(zhì)棒 [23]。由測量可知光彈系數(shù)C。對于這種不敏感性，下面給出一個(gè)簡單的解釋 :超聲壓力波作用到基體材料上 (如混凝土 )使軟包層發(fā)生應(yīng)變，由于包層材料的楊氏模量小，因此傳遞給玻璃光纖的應(yīng)力很小，軟包層不僅減小了作用到玻璃光纖上的應(yīng)變，同時(shí)也抑制了高頻響應(yīng)。光源是由 LD 激光器來充當(dāng)?shù)?，并被光纖所接收，然后被 3dB 耦合器分為兩束光繼續(xù)傳輸，這樣就形成了傳感臂和參考臂 [14]。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來自試件本身的機(jī)械振動，另一部分來自材料傳播的信號，而 4? 則取決于試件自身的機(jī)械振動，因此 34??? 所包含的信息就只是由傳播的材料來決定的。光纖兩個(gè)端點(diǎn) 1 和 2 之間的部分為光纖傳感臂，由光纖耦合器出來的激光經(jīng)過傳感臂在 1 和 2 兩個(gè)端點(diǎn)發(fā)生反射，在 1 時(shí)為小部分反射，大部分發(fā)生透射，而在 2 處所發(fā)生的則為全反射。若用 L 代表傳感臂光纖的長度，則在第一個(gè)傳感臂的出射端，有的光被反射，有的被透射。 用于聲發(fā)射檢測光纖傳感器還有很多種，就不一一詳細(xì)闡述了。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第 3 章 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的搭建 本章搭建了一套由 Sagnac 干涉原理構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)，用來檢測 聲發(fā)射。 光纖聲發(fā)射探測系統(tǒng) 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，探測系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。基本采用光電系統(tǒng)作為光譜接收、