【正文】 ..........................................................11 光纖 Michelson 傳感器的解調(diào)方式 ................................................12 光纖 Fizeau傳感器的解調(diào)方式 ......................................................14 本章小結(jié) ....................................................................................................17 第 3 章 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的搭建 ............................................................. ...18 光纖聲發(fā)射探測系統(tǒng) .............................................. ...錯誤 !未定義書簽。 聲發(fā)射檢測 是一種對結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運動變化過程中的缺陷進行的無損檢測，它是聲發(fā)射技術(shù)的重要部分。所以嚴格地講，聲發(fā)射應當被稱為應力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習慣于將其稱為聲發(fā)射。需要的只是設置 AE 探測器 作業(yè)，即使從 AE 探測器到缺陷之間也有距離。通過直接分析識別聲發(fā)射信號來確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，是目前聲發(fā)射檢測中最難解決的問題，也是研究熱點。實際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號也是由大量的突發(fā)型信號組成的，只不過太密集而不能分辨而已 [4]。 如前所述， AE 探測方法的長處之一是沒有了使用 X 線時的那種限制，對人體無害。聲發(fā)射檢驗技術(shù)的基本原理是利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后用電子設備將電信號進行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的特性參數(shù)，通過分析檢驗過程中聲發(fā)射儀器所得的各種參數(shù)，即可知道材料內(nèi)部的缺陷情況。其中包括： (1)聲發(fā)射波作用下光纖光柵的響應特性的研宄不深入，缺乏理論和實驗驗證； (2)光纖聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)的設計尚未成熟，還需要進一步探索，設計出適用于復雜檢測環(huán)境的傳感結(jié)構(gòu)； (3)被測結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波引起的應變一般很小，若要獲取到真實的聲發(fā)射波，需要確保光纖布拉格 光柵解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)速度和靈敏度滿足要求。 2021 年， .Lee 等人也證明光纖對超聲波的響應頻率上限主要取決于光纖的柵東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 區(qū)長度 ,實驗結(jié)果表明，對固體傳導介質(zhì)，為保證光纖不受超聲波的非均勾作用力的影響，光纖的柵區(qū)長度必須小于超聲波波長的一半 [12]。 2021 年， 等人提出了一種毛細管型光纖布拉格光柵傳感器，可用于溫度檢測和補償，同時可實現(xiàn)聲信號的測量。 2021 年， 等人采用匹配光柵濾波法檢測到碳纖維增強復合板上傳播的模擬損傷信號。 2021 年， G. Wild 等人提出了一種改進的窄帶激光解調(diào)法 (Transmit Reflect Detection System,TRDS)，利用兩個光電探測器同時測量光纖的反射光強和透射光強，兩光強信號差隨光纖反射波長呈線性變化，利用該線性關(guān)系進行聲發(fā)射檢測。 （ 3）系統(tǒng)搭建完成后，進行了三種信號的實驗，并獲 得相應的波譜圖，并對波譜圖進行分析，與傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進行對比，得出結(jié)論。 一般使用壓電式 AE 傳感器 ， 將 910? mm 的波動振幅變換為約 610? V 的電壓信號 。 不同的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)外觀可能不同 ,但是檢測原理以及內(nèi)部構(gòu)造基本類似。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，在纖芯中主應力的分量 fx? 和 fy? 的關(guān)系可近似表示為： 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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 是埋入內(nèi)部的長度為 z。 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。在對所接收的信號進行處理研究就能夠得到所檢測信號頻率的性質(zhì)。探測用的光纖被聲波信號所作用，在不將折射率變化對光波相位影響計算在內(nèi)時，則只會引起光纖長度的變化，進而引起光波相位和輸出干 涉光強度的變化。將光纖傳感器貼附在鋼板表面上的一側(cè)，一個壓電式換能器（ 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 的振動導致鋼板中有聲波的傳播。 利用干涉原理測量光程之差從而測定有關(guān)物理量的光學儀器。因此，光纖 Sagnac 解調(diào)系統(tǒng)的檢測精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度。是整套實驗系統(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。 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本科生畢業(yè)設計（論文） 24 加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。我們以鋼板作為傳導聲波的介質(zhì)。 脈沖激勵源信號實驗 應用脈沖激勵源發(fā)出穩(wěn)定脈沖信號，分別應用傳統(tǒng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)和光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)進行信號采集，并對數(shù)據(jù)進行對比分析。在實驗的過程中，傳感器都可以檢測出這三種信號。在今后的研究中，應該將著力解決以下問題： （ 1）研究信號解調(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。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染激勵了我。在此，向你們表達我心中最真摯的感謝。 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. 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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)，在國內(nèi)還鮮有報道，本次畢業(yè)設計的題目更是一門跨學科的課題 ，對實驗方案的確定和采購，都經(jīng)歷了很多波折和 艱辛，在此向幫助過我和指導過我的各位老師表達我心中最真摯的感謝之情。在與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測對比之后，發(fā)現(xiàn)這套 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點與缺點，優(yōu)點是整體簡單，操作簡易，設備體積小，造價低廉，分辨率高。 圖 49 固有頻率為 100KHz 圖 410 固有頻率為 150KHz 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 30 圖 414 固有頻率為 200KHz 由頻譜分析可知，針對以上三種標準信號，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應頻率分別為 105KHz、 157KHz、 210KHz,傳統(tǒng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應頻率分別為 110KHz、165KHz、 220KHz，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應頻率更加接近真實值，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，更加真實的還原了信號的真實性。 圖 45 斷鉛信號的頻譜圖 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 27 圖 46 摩擦信號的頻譜圖 圖 47 敲擊信號的頻譜圖 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)射信號的響應頻率分別為 100kHz、 80kHz、 150kHz，而實際對應信號的的頻率范圍在80130kHz,7090kHz,130160kHz。由光纖傳感器原理可知反射率越高的傳感器，越靈敏，它的檢測效果越好。 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 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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行可拆卸 (活動 )連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，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系統(tǒng)造成的影響減到最小。 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，信號放大模塊，信號處理模塊，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 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 圖 32 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng) 激光器 光源為 1550nm 窄線寬同軸激光光源，型號 69STLDCDFB1310AFCAPC，這種激光光源具有體積小，穩(wěn)定性好，發(fā)熱量低，造價低廉，經(jīng)濟實 用的特性，在本次實驗中，為此同軸激光器配備了單獨的供電電路。要獲得原來的被測量，就需要從測得的光信號中檢測出光波的漂移?；静捎霉怆娤到y(tǒng)作為光譜接收、探測系統(tǒng)裝置：一個或者多個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，變成電信號后經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強隨波長變化的譜線。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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。若用 L 代表傳感臂光纖的長度，則在第一個傳感臂的出射端，有的光被反射，有的被透射。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來自試件本身的機械振動，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。對于這種不敏感性，下面給出一個簡單的解釋 :超聲壓力波作用到基體材料上 (如混凝土 )使軟包層發(fā)生應變，由于包層材料的楊氏模量小，因此傳遞給玻璃光纖的應力很小，軟包層不僅減小了作用到玻璃光纖上的應變，同時也抑制了高頻響應。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]。 從圖 21 可以看出 ,借助聲發(fā)射傳感器與相關(guān)外圍設備可以實時獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。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 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（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。 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