【正文】 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 插入損耗參量。介紹了多種各具特性的光纖，確定了在光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中光纖的選擇，詳細(xì)地討論了聲波與光纖相互作用產(chǎn)生的光彈效應(yīng)，闡述了光纖包層對聲波與光纖相互作用的影響。 本次實(shí)驗(yàn)采用的是基于光譜的探測系統(tǒng)。在Sagnac 光纖聲發(fā)射的傳感系統(tǒng)中，單模光纖環(huán)作為波長調(diào)制型傳感器，被測信息東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 引起激光波長的移動，其被測信息轉(zhuǎn)化為特征波長的移動。本系統(tǒng)由光纖實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號的傳感和測量 ,在被測環(huán)境中只有光纖傳感器的傳感頭 ,光發(fā)射模塊，光學(xué)系統(tǒng)，光接收模塊和信號處理電 路等部件均可放在儀器箱中 ,使得本傳感系統(tǒng)可在任何惡劣的環(huán)境下工作。 2%，與 20pF177。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第 4 章 光纖聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)研究 本章對鍍膜反射率分別為 30%， 50%， 70%， 90%的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 對斷鉛、摩擦和敲擊聲發(fā)射信號采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到的相應(yīng)頻譜圖如下 4 4 47 所示。 應(yīng)用傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號的頻譜圖如下 41 41 414 所示。 通過這次實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo) 。 5th AE World Meeting, Hawaii, USA, 1998: 367373. [15] 魏碧霞 , 楊曉翔 , 郭金泉等．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊風(fēng)險評價技術(shù)的應(yīng)用 [J]．油氣儲運(yùn) , 2021, 28(2)： 2023． [16]Lee B, Review of the present status of optical fiber sensors[C]. Optical Fiber Technology, 2021, 9(2): 5759. [17]Grattan, . and T. Sun, Fiber optic sensor technology an overview[J]. Sensors 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 and Actuators aPhysical, 2021,82(13): 4061. [18]侯俊芳 , 裴麗 , 李卓軒 , 劉超 . 光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用 [D]. 光電技術(shù)應(yīng)用 , 2021, 27(1): p. 4953. [19]畢衛(wèi)紅 , 張 燕君 , 苑寶義 . 基于光散射的分布式光纖溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用 [J].燕山大學(xué)學(xué)報 , 2021, 34(5): . [20] and , Fiber ring Optics[M].1976,15(5): . [21]ZHENG Huaili, GONG Yingkun , Spectroscopy and Spectral Analysis [J].2021, 23(2)： 411． [22]OthonsA, KalliK． Fiber Bragg Gratings[M].Boston我還要鄭重地感謝李英年 師兄，在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)階段師兄給了我很大的幫助。導(dǎo)師不僅在學(xué)術(shù)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷。 （ 2）本次實(shí)驗(yàn)中對一些原理性的概念還不是很熟悉，在以后的學(xué)習(xí)中還要加深了解。與成熟的傳統(tǒng)的壓電式聲發(fā)射傳感器技術(shù)相比較， 光纖聲發(fā)射傳感器具有良好的敏感性和高分辨率，但是， 我們搭建的這套系統(tǒng)還不是特別完善，仍處于研究階段。實(shí)驗(yàn)過程中，將傳統(tǒng)壓電傳感器和光纖傳感器固定于 12mm 鋼板表面，相距 30cm，在兩傳感器中心應(yīng)用激勵源進(jìn)行信號激勵。將光纖傳感器貼附在鋼板表面上的一側(cè)，在本章實(shí)驗(yàn)的過程 中，先對斷鉛信號進(jìn)行檢測，然后與光纖傳感器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。最早， FC 類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式（ FC）。 一般情況下，二極管處于反向工作狀態(tài)。由于光的基本性能都可以收到調(diào)制，因此解調(diào)系統(tǒng)中對應(yīng)的檢測就是光的強(qiáng)度檢測、相位檢測、頻率檢測、偏振態(tài)檢測等。兩束相干光間光程差的任何變化會非常靈敏地導(dǎo)致干 涉條紋的移動，而某一束相干光的光程變化是由它所通過的幾何路程或介質(zhì)折射率的變化引起，所以通過干涉條紋的移動變化可測量幾何長度或折射率的微小改變量，從而測得與此有關(guān)的其他物理量。在實(shí)驗(yàn)的過程中，先后對 AE 信號、摩擦、敲擊這些逐漸增強(qiáng)的信號進(jìn)行檢測，進(jìn)而與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測進(jìn)行對比。再通過對信號的采集與處理，這樣即可實(shí)現(xiàn)聲波信號的檢測。 光纖 Fizeau 傳感器的解調(diào)方式 光纖 Fizeau 傳感器的原理如圖 28 所示，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。在物體中傳播的聲波能夠用這種全光纖且為非接觸式的傳感器來進(jìn)行測量。的光纖與超聲相互作用的有效長度；由于光纖敏感段中反射信號兩次通過相互作用區(qū)域，因此，真實(shí)相互作用的有效長度為 2efl 。其中傳感器一般釆用壓電傳感器 ,用來接收聲發(fā)射信號；傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號非常微弱 ,極易受到其它信號的干擾 ,前置放大器用來對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大 ,提高電信號 的信噪比 ,順便實(shí)現(xiàn)電路中的阻抗匹配；有的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中帶有主放 ,主放是對前放信號得進(jìn)一步放大 ,這樣才能讓數(shù)據(jù)采集卡接受到電信號并進(jìn)行處理。 另外 AE 傳感器還有靜電容型位移計(jì)及光纖傳感器等 。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 本章主要介紹傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測機(jī)理以及光纖聲發(fā)射的檢測機(jī)理，對光彈效應(yīng)進(jìn)行了闡述，分析光纖能夠應(yīng)用于聲發(fā)射檢測上的原因，通過公式計(jì)算探討了光纖包層對檢測的影響。該改進(jìn)解調(diào)法不僅提高了檢測信號強(qiáng)度，同時信號受環(huán)境溫度影響的情況也有所改善。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2021 年， 等人搭建了匹配光柵濾波解調(diào)系統(tǒng)用于斷鉛信號模擬的聲發(fā)射信號的檢測。 2021 年該團(tuán)隊(duì)提出了一種不受外界應(yīng)力影響、可移動式的光纖布拉格光柵超聲波傳感器結(jié)構(gòu)，被測試件外部載荷變化將不會影響聲信號的獲取 [13]。 進(jìn)行聲發(fā)射波下光纖布拉格光柵的響應(yīng)特性的研究，其根本目的是為設(shè)計(jì)出合理的傳感器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。因此，本小節(jié)就針對上述三個問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。如果用多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位 [7]。任何人都可以任意地使用，所以， AE 探測技術(shù)被多方面利用。目前采集和處理聲發(fā)射信號的方法可分為兩大類。迄今為止，人們廣泛采用波形分析技術(shù)、頻譜分析技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)等，均取得了初步成功。只要波到達(dá)了就有效。 AE 的源機(jī)制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展 (裂紋的傳播 )、塑性變形、晶體內(nèi)位錯的移動和位錯在釘扎點(diǎn)上的分離、孿晶邊界的移動、復(fù)合材料內(nèi)基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化 (包括相變 )等。當(dāng)然現(xiàn)在聲發(fā)射技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，比如說它容易受到機(jī)電噪聲的影響；它只能檢測出聲發(fā)射源的位置、活性、強(qiáng)度等，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)部缺陷的性質(zhì)與大小。 光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng) ................................................................................錯誤 !未定義書簽。因此，光纖聲發(fā)射檢測技術(shù)有很重要的研究意義。 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)。 光纖聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)平臺的搭建 ....................................錯誤 !未定義書簽。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。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。根據(jù) AE 波到達(dá)的時間差，可以確定 AE 發(fā)生源的位置。 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。一類是以多個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。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。 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。 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 ,同時聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時呈低應(yīng)變的特征。在整個聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器是首要環(huán)節(jié)。 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。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。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]。同時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)。 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 。有的系統(tǒng)前放跟主放之間還附帶一個帶通濾波器 ,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]。由測量可知光彈系數(shù)C。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]。光纖兩個端點(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 兩個端點(diǎn)發(fā)生反射，在 1 時為小部分反射，大部分發(fā)生透射，而在 2 處所發(fā)生的則為全反射。 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。 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)。測量精度決定于測量光程差的精度，干涉條紋每移動一個條紋間距，光程差就改變一個波長，所以干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的，其測量精度之高是任何其他測量方法所無法比擬的。目前用于波長解調(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。當(dāng)光照射在 PN 結(jié)上時，當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時會形成光電流，光強(qiáng)度越大，光電流越大。此類連接器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。 常規(guī)聲發(fā)射信號實(shí)驗(yàn) 我們以 12mm 厚鋼板為聲發(fā)射信號傳輸媒介，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。脈沖激勵源發(fā)出信號的能量為 100dB，頻率分別為 100KHz、 150KHz 和 200KHz。在接 收 AE 信號時，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。 （ 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。短短三個月的時間，我對自己所設(shè)計(jì)的課題由陌生到熟悉，知識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。 同時，我還要感謝實(shí)驗(yàn)室的其他老師。 Exhibition, Bahrain． 2021:169175. [13] 孫雷 , 沈建民 , 毛國均．壓力容器聲發(fā)射檢測中常見非缺陷信號分析 [J].無損檢測 , 2021, 30(8)：