【正文】 探測(cè)系統(tǒng)裝置：一個(gè)或者多個(gè)出射狹縫放在成像物鏡的焦平面上分離出多需要的譜線，將這些譜線的能量傳遞到光電元件上，變成電信號(hào)后經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的譜線。測(cè)量精度決定于測(cè)量光程差的精度，干涉條紋每移動(dòng)一個(gè)條紋間距，光程差就改變一個(gè)波長(zhǎng)，所以干涉儀是以光波波長(zhǎng)為單位測(cè)量光程差的，其測(cè)量精度之高是任何其他測(cè)量方法所無法比擬的。要獲得原來的被測(cè)量，就需要從測(cè)得的光信號(hào)中檢測(cè)出光波的漂移。目前用于波長(zhǎng)解調(diào)有很多 種方法，如濾波法、干涉法、光柵色散法、可調(diào)諧窄帶激光器掃描法等。 光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)由激光器，耦合器，光電轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)放大模塊，信號(hào)處理模塊，傳感器組成，光纖聲發(fā)射的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖 31 所示， 圖 31 光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)圖 光纖聲發(fā)射系統(tǒng)的搭建，如圖 32 所示 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 32 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng) 激光器 光源為 1550nm 窄線寬同軸激光光源，型號(hào) 69STLDCDFB1310AFCAPC，這種激光光源具有體積小，穩(wěn)定性好，發(fā)熱量低，造價(jià)低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí) 用的特性，在本次實(shí)驗(yàn)中，為此同軸激光器配備了單獨(dú)的供電電路。當(dāng)光照射在 PN 結(jié)上時(shí)，當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)會(huì)形成光電流，光強(qiáng)度越大，光電流越大。 3pF 并聯(lián)，探頭衰減系數(shù)為 1X， 10X， 100X， 1000X，最大輸入電壓為400V（ PKPK） CAT Ⅱ 圖 38（ a） 示波器 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 圖 38（ b） 示波器軟件 光纖耦合器 單模光纖耦合器：其型號(hào)為 WBC1 2 1 3 / 1 5 5 0 / 5 0? ? ? ，光纖耦合器是光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸 (活動(dòng) )連接的器件，它是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使其介入光鏈路從而對(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小。此類連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作容易，但光纖端面對(duì)微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。由光纖傳感器原理可知反射率越高的傳感器，越靈敏，它的檢測(cè)效果越好。 常規(guī)聲發(fā)射信號(hào)實(shí)驗(yàn) 我們以 12mm 厚鋼板為聲發(fā)射信號(hào)傳輸媒介，將光纖傳感器置于鋼板表面的固定位置，在距離傳感器 15cm 處分別進(jìn)行斷鉛、摩擦、敲擊實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 圖 45 斷鉛信號(hào)的頻譜圖 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 46 摩擦信號(hào)的頻譜圖 圖 47 敲擊信號(hào)的頻譜圖 通過光纖傳感系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的頻譜圖分析：斷鉛、摩擦、敲擊聲發(fā)射信號(hào)的響應(yīng)頻率分別為 100kHz、 80kHz、 150kHz，而實(shí)際對(duì)應(yīng)信號(hào)的的頻率范圍在80130kHz,7090kHz,130160kHz。脈沖激勵(lì)源發(fā)出信號(hào)的能量為 100dB，頻率分別為 100KHz、 150KHz 和 200KHz。 圖 49 固有頻率為 100KHz 圖 410 固有頻率為 150KHz 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 411 固有頻率為 200KHz 圖 412 固有頻率為 100KHz 圖 413 固有頻率為 150Hz 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 414 固有頻率為 200KHz 由頻譜分析可知，針對(duì)以上三種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率分別為 105KHz、 157KHz、 210KHz,傳統(tǒng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率分別為 110KHz、165KHz、 220KHz，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率更加接近真實(shí)值，所以說光纖聲發(fā)射系統(tǒng)與傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)相比，更加真實(shí)的還原了信號(hào)的真實(shí)性。在接 收 AE 信號(hào)時(shí)，波形較為混亂，后期的采集軟件還有待改善，解調(diào)技術(shù)還不是很成熟。在與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn)這套 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是整體簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，設(shè)備體積小，造價(jià)低廉，分辨率高。 （ 3）本次實(shí)驗(yàn)中，電路之間的焊接全部為手工焊接，儀器之間的連接也不是很緊固，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較為脆弱，應(yīng)使用同一廠家的成套定制設(shè)備，避免手工焊接影響實(shí)驗(yàn)效果。 London： Aneeh House , 12(2):4041． [23]廖延 , 彪黎敏 , 光纖傳感器的今日與發(fā)展 [D].傳感器世界 .2021, 10(2). 612. 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 致 謝 光纖聲發(fā)射技術(shù)是近幾年內(nèi)開始興起的一門新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目更是一門跨學(xué)科的課題 ，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的確定和采購(gòu)，都經(jīng)歷了很多波折和 艱辛，在此向幫助過我和指導(dǎo)過我的各位老師表達(dá)我心中最真摯的感謝之情。短短三個(gè)月的時(shí)間，我對(duì)自己所設(shè)計(jì)的課題由陌生到熟悉，知識(shí)的獲取渠道由課堂學(xué)習(xí)到自學(xué)鉆研，我得到的不僅僅是一篇論文，更是一筆使我終身受益的寶貴財(cái)富。在此，向你們表達(dá)我心中最真摯的感謝。 同時(shí)，我還要感謝實(shí)驗(yàn)室的其他老師。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染激勵(lì)了我。 Exhibition, Bahrain． 2021:169175. [13] 孫雷 , 沈建民 , 毛國(guó)均．壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)中常見非缺陷信號(hào)分析 [J].無損檢測(cè) , 2021, 30(8)： 550552． [14] Kwon OhYang, Joo YongChan. Source location in plate by using wavelet transform of AE signals[C]. 14th International AE Symposium amp。在今后的研究中，應(yīng)該將著力解決以下問題： （ 1）研究信號(hào)解調(diào)技術(shù)，編寫更加完善的采集軟件，提高采集精度，完 善采集功能。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 結(jié)論 本文主要研究了光纖聲發(fā)射檢測(cè)原理以及對(duì)光纖聲發(fā)射檢測(cè)平臺(tái)的搭建，采購(gòu)所需要的設(shè)備，完成光纖聲發(fā)射檢測(cè) 系統(tǒng)的搭建，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成了對(duì)斷鉛、摩擦和敲擊信號(hào)的采集，以及激勵(lì)源脈沖信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，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，完成對(duì)光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的性能的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)的過程中，傳感器都可以檢測(cè)出這三種信號(hào)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 48 脈沖信號(hào)實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號(hào)的頻譜圖如下 4 4 411 所示。 脈沖激勵(lì)源信號(hào)實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用脈沖激勵(lì)源發(fā)出穩(wěn)定脈沖信號(hào)，分別應(yīng)用傳統(tǒng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)和光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。這與傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng) 對(duì)以上三種信號(hào)的分析相一致，從而驗(yàn)證了光纖聲發(fā)射系統(tǒng)具有一定的可行性。我們以鋼板作為傳導(dǎo)聲波的介質(zhì)。 Q9 的接頭 圖 310 Q9 接頭 本章總 結(jié) 本章主要研究了光纖聲發(fā)射系統(tǒng)的搭建，在光纖聲發(fā)射檢測(cè)的理論基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了光彈效應(yīng)和光纖包層的影響，并以此為理論基礎(chǔ)構(gòu)建光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，將必要的硬件和軟件設(shè)備進(jìn)行連接，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 圖 39 光纖耦合器 FC 連接器 Fc 連接器：由日本 NTT 研制， FC 是 Ferrule Connector 的縮寫，表明其外部東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。 圖 35 結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)光電轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)原理，我們制作出了相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)物圖如圖36 所 示， 圖 36 光電轉(zhuǎn)換模塊 通過測(cè)定得到其相應(yīng)的功能特性曲線 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 37 特性曲線 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)釆集用的是 HDS1021M 利普手持示波器，帶寬為 200MHz，實(shí)時(shí)采樣率為 100MS/s，上升時(shí)間 ≤ ，為單通道，輸入阻抗 為 1MΩ177。是整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中不可或缺的重要部分，如圖 35 所示，為光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。 光纖聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建 傳感系統(tǒng)的工作原理為 :光源發(fā)出的光經(jīng) 2xl 光纖禍合器輸出進(jìn)入光纖 EFPI傳感器 ,傳感器將待測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為光的相位差的變化并形成反射光傳回至光纖耦合器 ,耦合器的輸出經(jīng)波分復(fù)用器后分別進(jìn)入兩個(gè)光接收模塊 ,兩束輸出光在經(jīng)過進(jìn)一步的處理得到待測(cè)量。因此，光纖 Sagnac 解調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)精度也往往決定著整個(gè)系統(tǒng)的傳感精度。 光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng) Sagnac 光纖聲發(fā)射傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測(cè)和信號(hào)處理兩個(gè)部分。 利用干涉原理測(cè)量光程之差從而測(cè)定有關(guān)物理量的光學(xué)儀器。常見的探測(cè)系統(tǒng)有：基于線性邊帶濾波器的探測(cè)系統(tǒng)、基于光譜儀的探測(cè)系統(tǒng)、基于可調(diào)聲光濾波器的探測(cè)系統(tǒng)、基 于 WDM光纖耦合器的探測(cè)系統(tǒng)、基于可調(diào) 光纖 （ FabryPerot）的濾波器的探測(cè)系統(tǒng)等。將光纖傳感器貼附在鋼板表面上的一側(cè)，一個(gè)壓電式換能器（ PZT)被固結(jié)在鋼板上的另一側(cè)作為模擬的聲發(fā)射源， PZT 的振動(dòng)導(dǎo)致鋼板中有聲波的傳播。 本章小結(jié) 在這一章中，首先，簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)的機(jī)理。探測(cè)用的光纖被聲波信號(hào)所作用，在不將折射率變化對(duì)光波相位影響計(jì)算在內(nèi)時(shí)，則只會(huì)引起光纖長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而引起光波相位和輸出干 涉光強(qiáng)度的變化。這樣由 1和 2 處反射回來的光就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，并最終經(jīng)過 3dB 光纖耦合器被光電探測(cè)器所接收到 [17]。在對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理研究就能夠得到所檢測(cè)信號(hào)頻率的性質(zhì)。那么這四束反射光再由 3dB 耦合器后就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，且輸出光強(qiáng) outI 可用下式表示 : 1 2 3 4 12 13 14 23 24 34( ) ( )outI I I I I I I I I I I? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 25） 1? 和 2? 則分別表示 1I 和 2I 到達(dá)檢測(cè)裝置時(shí)的位相，而 3? 和 4? 則分別 表示 3I 和4I 到達(dá)檢測(cè)裝置時(shí)的位相。 光纖傳感器的解調(diào)方式 光纖 Michelson 傳感器的解調(diào)方式 光纖 Michelson 傳感器原理如圖 26 所示。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 22 壓力波作用于光纖的等效體系示意圖 圖 23 主應(yīng)力 x? 和 y? 相應(yīng)于 11HE 模的兩個(gè)正交偏振面的方向 光纖包層的影響 對(duì)于帶有軟包層 (硅樹脂或聚丙烯 )的光纖埋入剛性基體材料中，例如圖 24 所示的混凝土基體。在這種沿 x? 軸的均勻分布的外部壓力作用于光纖的情況下，在纖芯中主應(yīng)力的分量 fx? 和 fy? 的關(guān)系可近似表示為： 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3fx fy???? （ 22） 則在 x 軸和 y 軸方向兩正交的線偏振光的模式雙折射可表示為： ()x y fx fyB n n C ??? ? ? ? （ 23） 由式 24 可知，圖 23 所示的 11HE 模在 x 軸和 y 軸方向兩正交的線偏振光之間的相位差可以近似表示如下： 2 effl??? ? ? （ 24） 0002( )22 ( )83x y e ffe ffe ff fx fye ff fxlk B lk l Ck l C??????????? 這里， x? 和 y? 分別表示 11HE 模在 :軸和 Y 軸方向的相位常數(shù)； effL