【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(cè)系統(tǒng)的搭建 ............................................................. ...18 光纖聲發(fā)射探測(cè)系統(tǒng) .............................................. ...錯(cuò)誤 !未定義書簽。 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)，它是聲發(fā)射技術(shù)的重要部分。所以嚴(yán)格地講，聲發(fā)射應(yīng)當(dāng)被稱為應(yīng)力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習(xí)慣于將其稱為聲發(fā)射。需要的只是設(shè)置 AE 探測(cè)器 作業(yè)，即使從 AE 探測(cè)器到缺陷之間也有距離。通過直接分析識(shí)別聲發(fā)射信號(hào)來確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，是目前聲發(fā)射檢測(cè)中最難解決的問題，也是研究熱點(diǎn)。實(shí)際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)也是由大量的突發(fā)型信號(hào)組成的，只不過太密集而不能分辨而已 [4]。 如前所述， AE 探測(cè)方法的長(zhǎng)處之一是沒有了使用 X 線時(shí)的那種限制，對(duì)人體無害。聲發(fā)射檢驗(yàn)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?hào)，然后用電子設(shè)備將電信號(hào)進(jìn)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(yàn)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(yīng)特性的研宄不深入，缺乏理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； (2)光纖聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尚未成熟，還需要進(jìn)一步探索，設(shè)計(jì)出適用于復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境的傳感結(jié)構(gòu)； (3)被測(cè)結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波引起的應(yīng)變一般很小，若要獲取到真實(shí)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(duì)超聲波的響應(yīng)頻率上限主要取決于光纖的柵東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 區(qū)長(zhǎng)度 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)固體傳導(dǎo)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(zhǎng)度必須小于超聲波波長(zhǎng)的一半 [12]。 2021 年， 等人提出了一種毛細(xì)管型光纖布拉格光柵傳感器，可用于溫度檢測(cè)和補(bǔ)償，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的測(cè)量。 2021 年， 等人采用匹配光柵濾波法檢測(cè)到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板上傳播的模擬損傷信號(hào)。 2021 年， G. Wild 等人提出了一種改進(jìn)的窄帶激光解調(diào)法 (Transmit Reflect Detection System,TRDS)，利用兩個(gè)光電探測(cè)器同時(shí)測(cè)量光纖的反射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，兩光強(qiáng)信號(hào)差隨光纖反射波長(zhǎng)呈線性變化，利用該線性關(guān)系進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。 （ 3）系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行了三種信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，并獲 得相應(yīng)的波譜圖，并對(duì)波譜圖進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。 一般使用壓電式 AE 傳感器 ， 將 910? mm 的波動(dòng)振幅變換為約 610? V 的電壓信號(hào) 。 不同的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)外觀可能不同 ,但是檢測(cè)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(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 是埋入內(nèi)部的長(zhǎng)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(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)。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。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。 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。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。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。 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。我們以鋼板作為傳導(dǎo)聲波的介質(zhì)。 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。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)。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。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。在此，向你們表達(dá)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(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，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。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。 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。 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。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。 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。 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。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。基本采用光電系統(tǒng)作為光譜接收、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。 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(cè)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(cè) 聲發(fā)射。若用 L 代表傳感臂光纖的長(zhǎng)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。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來自試件本身的機(jī)械振動(dòng)，另一部分來自材料傳播的信號(hào)，而 4? 則取決于試件自身的機(jī)械振動(dòng)，因此 34??? 所包含的信息就只是由傳播的材料來決定的。對(duì)于這種不敏感性，下面給出一個(gè)簡(jiǎn)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)。相對(duì)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(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)。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖 21 所示 圖 21 傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)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(cè) 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?jī)?nèi)容 本文以光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，針對(duì)目前其在聲發(fā)射波檢測(cè)領(lǐng)域中的