【正文】 fz fxz fz fx fyn C Cn C Cn C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 這里 n? 和 0n 分別是有和沒有壓力作用時(shí)的折射率； f?? 表示光纖芯中心附近的，沿 ?? 方向的主應(yīng)力； 1C 和 2C 分別表示定向光彈常數(shù)和橫向光彈常數(shù)。目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料收到 應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法[20]。 2021 年， 等人構(gòu)建了該解調(diào)法中超聲應(yīng)變和輸出電壓間的關(guān)系式，后來(lái)該團(tuán)隊(duì)還提出了基于該方法的解調(diào)系統(tǒng)的波分復(fù)用形式 [17]。但由于壓電式傳感器體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求較高、頻帶較窄且必須與被測(cè)結(jié)構(gòu)接觸 ,因此 ,不能應(yīng)用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱 ,在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下其有效性受到很大制約。我國(guó)在聲發(fā)射儀器的研制和生產(chǎn)上起步并不算太晚，已研制和生產(chǎn)了各種雙通道、 4 通道、 8 通道和更多通道（ 32 通道）的聲發(fā)射，基本上屬于模擬聲發(fā)射儀器的范疇。聲發(fā)射理論和技術(shù)研究主要圍繞聲發(fā)射源識(shí)別和聲發(fā)射源評(píng)價(jià)正、反方面的兩個(gè)問(wèn)題，研究?jī)?nèi)容概括為 (1)不同聲發(fā)射源模式或物理機(jī)制的理論與實(shí)驗(yàn)研究； (2)聲發(fā)射波在固體材料中的傳播 理論； (3)聲發(fā)射信號(hào)特性與材料微觀力學(xué)特性、斷裂特性之間的關(guān)系； (4)研制多參量、多功能、高速度和實(shí)時(shí)分析的數(shù)字式新型聲發(fā)射檢測(cè)分析儀 (包括新型高靈敏度和多用途換能器的研制 )； (5)聲發(fā)射信號(hào)處理 (如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)聲發(fā)射源特性進(jìn)行模式識(shí)別、模糊綜合評(píng)價(jià)等 )的新理論、新方法； (6)聲發(fā)射檢測(cè)、監(jiān)控及評(píng)價(jià)的新方法與標(biāo)準(zhǔn)； (7)聲發(fā)射含義的廣義化與擴(kuò)展新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域； (8)聲發(fā)射技術(shù)用于結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)和可靠性分析等。 聲發(fā)射信號(hào)處理的最終目的是得到對(duì)聲發(fā)射源的描述，其主要內(nèi)容是源的性質(zhì)、源的位置和源的嚴(yán)重性程度。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 傳統(tǒng)聲發(fā)射的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 聲發(fā)射 (Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱 AE)是指物體在受到變形或外界作用時(shí)，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的物理現(xiàn)象。 關(guān)鍵詞 ： 聲發(fā)射 ；光纖聲發(fā)射檢測(cè)； 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。 fiber optic acoustic emission detection。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，近來(lái)，其外延已進(jìn)一步擴(kuò)大，比如說(shuō)泄漏聲音、軸承的滑動(dòng)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]。源的嚴(yán)重性程度是對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行的定量評(píng)價(jià)，目前基本上以各種聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)來(lái)加以衡量，如以信號(hào)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(lái)衡量源的強(qiáng)度，以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的反射頻率和能量釋放速率來(lái)衡量源的活度，或者綜合評(píng)定聲發(fā)射信號(hào)的幅度、能量等參數(shù)隨載荷或時(shí)間的變化等。 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。國(guó)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(guó) PAC 公司的 Mistras2021，德國(guó) Vallen 公司的 AMSY4 和美國(guó)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(cè)儀等，其聲發(fā)射特征量全由數(shù)字信號(hào)提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號(hào)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(hào)處理是對(duì)離散信號(hào)完成的，系統(tǒng)有很高的信噪比和很寬的動(dòng)態(tài)范圍 [9]。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(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。 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(cè)。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。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]。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來(lái)自試件本身的機(jī)械振動(dòng)，另一部分來(lái)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(lái)決定的。 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(lái)檢測(cè) 聲發(fā)射。要獲得原來(lái)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。 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(lái)，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。 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(guò)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。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。在此，向你們表達(dá)我心中最真摯的感謝。在今后的研究中，應(yīng)該將著力解決以下問(wèn)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。 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。 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。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。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。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)。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。 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) 。 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)。 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