【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳輸譜 反射譜 外 因 引 起波長(zhǎng)移動(dòng) 圖 3— 3 Bragg光纖光柵傳感原理 窄帶光匹配解 調(diào) 窄帶光 反射光 漂移后的反射光 ? B? ? ? ? B? B? B???? 14 第 4 章 光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建 光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)和解調(diào) 系統(tǒng)。其中探測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)用到光纖光柵傳感器的詢問技術(shù)即精確測(cè)量波長(zhǎng)漂移的技術(shù)。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) FP（ FabryPerot）的濾波器的探測(cè)系統(tǒng)等。本文簡(jiǎn)單介紹這幾個(gè)探測(cè)系統(tǒng)： 本次實(shí)現(xiàn)采用的是基于光譜的探測(cè)系統(tǒng)。光譜儀基本采用光電系統(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(guò)放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的譜線。應(yīng)用到光電探測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)大了能夠檢測(cè)的工作光譜范圍：提高了測(cè)量的精度、靈敏度和速度；隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，光譜儀實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和自動(dòng)化。 從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)行器到達(dá)傳感光纖光柵時(shí)，只有以 Bragg 波長(zhǎng)為中心的窄帶光才會(huì)被光柵所反射，經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入光譜儀，可直接從光譜儀中觀察反射光譜的特性，如帶寬、峰值位置、譜的形狀等等。當(dāng)傳感光柵受到外部微擾時(shí)，反射光譜的特性就會(huì)發(fā)生變化，如峰值位置的移動(dòng)、譜形的變化等。因此從光譜儀的光的反射光譜特性的變化就可以獲得傳感光柵上所受外 部擾動(dòng)的信息?；驹韴D如圖 4— 1 所示 【 12】 。 寬帶激光器 耦合器 光譜儀 傳感光柵 圖 4— 1 基于光譜的探測(cè)系統(tǒng)原理圖 15 光柵 聲發(fā)射檢測(cè)的解調(diào)系統(tǒng) 光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測(cè) 和 信號(hào) 處理兩個(gè)部分。在光纖 Bragg 光柵的傳感系統(tǒng)中， 光纖布拉格光柵作為波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器 ，被測(cè)信息 引起 Bragg反射波長(zhǎng)的移動(dòng)， 其被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為特征波長(zhǎng)的移動(dòng) 。 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)出布拉格波長(zhǎng)的漂移 ， 實(shí)現(xiàn)光纖光柵的解調(diào) 。 信號(hào)解調(diào)是傳感器系統(tǒng)總的關(guān)鍵技術(shù)，它的作用主要是能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的提取信號(hào)幅值的大小并無(wú) 是真的在線被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化過(guò)程 【 13】 。因此， 光纖光柵解調(diào)系的檢測(cè)精度也往往決定著整個(gè)系統(tǒng)的傳感精度 .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(duì)應(yīng)的檢測(cè)就是光的強(qiáng)度檢測(cè)、相位檢測(cè)、頻率檢測(cè)、偏振態(tài)檢測(cè)等。 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。本次 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 使用的是窄帶激光器 匹配法 解調(diào) 。 圖 4— 2 為窄帶激光器 匹配 解調(diào)原理圖。 其基本原 理是用窄帶光源取代寬帶光源，輸出波長(zhǎng)與光纖光柵的光譜接近 且譜線寬度小于 Bragg 反射光譜寬度的光，窄帶光 輸出的 光經(jīng)過(guò)耦合器 進(jìn)入傳感光纖光柵（ FBG）。 當(dāng) 傳感光纖反射 光譜發(fā)生變化時(shí)， 光電轉(zhuǎn)換模塊 的接收光強(qiáng)變化反映了激光器的輸出光譜及傳感光纖光柵反射譜的匹配狀況。理論上講，當(dāng)激光器與傳感器光纖光柵的 反射光 中心波長(zhǎng)達(dá)到完全匹配時(shí)， 窄帶光與反射光譜完全重疊，陰影部分面積最大，光電轉(zhuǎn)換模塊 接收到的光功率達(dá)到極大值 。當(dāng) Bragg 波長(zhǎng)受外界信 號(hào) 即聲發(fā)射信號(hào) 調(diào)制發(fā)生偏移時(shí)， 由窄帶 激光器產(chǎn)生的光與反射光譜重疊的部分就會(huì)減少，光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化，最終經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡顯示在上位機(jī)上。 窄帶激光器 環(huán)行器 光電轉(zhuǎn)換模塊 前置放大器 數(shù)據(jù)采集卡 上位機(jī) 圖 4— 2窄帶激光器 匹配濾波 解調(diào)系統(tǒng)原理圖 光纖光柵傳感器 鋁板，作為傳播介質(zhì) 激勵(lì)源 16 第 5 章 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)論和分析結(jié)論 5． 1 實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單介紹 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用到了第四部分所提到的光纖光柵聲發(fā)射探測(cè)系統(tǒng)以及解調(diào)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的是基于光譜儀的探測(cè)系統(tǒng)，如圖 4— 1 所示，使用的是窄帶激光器 匹配 解調(diào)系統(tǒng)，如圖 4— 2 所示。實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)如圖 5— 4 所示，將傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器與光纖光柵聲發(fā)射傳感器至于同一個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，研究其是否能夠完成對(duì)正弦信號(hào)、斷鉛信號(hào)、紡錘信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射檢測(cè)作對(duì)比。其中用到的儀器有光譜儀、耦合器、環(huán)行器、光電轉(zhuǎn)換 模塊、法蘭盤、激勵(lì)源、鋁板、 鉛筆等。 下面簡(jiǎn)單介紹各儀器 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)用： （ 1） 光譜儀： 光譜儀基本采用光電系統(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，辦成電信號(hào)后經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的譜線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)行器到達(dá)傳感光纖光柵時(shí)，只有以 Bragg波長(zhǎng)為中心的窄帶光才會(huì)被光柵所反射，經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入光譜儀，可直接從光譜儀中觀察反射光譜的特性，如帶寬、峰值位置、譜的形狀等等。當(dāng)傳感光柵受到外部微 擾時(shí)，反射光譜的特性就會(huì)發(fā)生變化，如峰值位置的移動(dòng)、譜形的變化等。 （ 2） 光纖耦 合器 光纖耦合器 (Coupler)又稱分歧器 (Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路 /合路，或用于延長(zhǎng)光纖鏈路的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域 。一般是一種具有 Y 型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號(hào)可用它加以等分。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 使用的是 這種光纖耦合器 。其功能相當(dāng)于環(huán)行器，但是光功率損耗較大。 （ 3） 環(huán)行器 光環(huán)行器是利用法拉第旋轉(zhuǎn)磁光效應(yīng)和雙折射晶體的偏振光學(xué)特性制成的多端口單向傳輸非互易光無(wú)源器件。 光環(huán)行器的工作原理如 圖 5— 2 所示，從端口 1 輸入的光信號(hào)只能在端口 2 輸出，端口 2 對(duì)端口 1 反向隔離；從端口 2 輸 17 入的光信號(hào)只能在端口 3 輸出，端口 3 對(duì)端口 2 反向隔離。 三個(gè)端口的功率相差不多，但成本比光纖耦合器高。 （ 3） 法蘭盤 光纖適配器 (又名法蘭盤 ),也叫光纖連接器，是 光纖活動(dòng)連接器 對(duì)中連接部件 。一般 應(yīng)用于光纖通信設(shè)備 、儀器等，其 性能 穩(wěn)定可靠 ，但會(huì)損耗光功率 。 光纖之間是由適配器通過(guò)其內(nèi)部的開口套管連接起來(lái)的，以保證 光纖跳線 之間的最高連接性能。 光纖適配器有 SC， FC， ST 之分。 SC 代表 Standard Connector，ST 代表 Straight Tip， FC 代表 Fiber Connector。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用到的是 FC/APC法蘭盤。 （ 4） 光電轉(zhuǎn)換 原理 如圖 5— 3 所示，為光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。一般情況下，二極管處于反向工作狀態(tài)。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。因此，最終通過(guò)電阻、放大器等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。 （ 5） 激勵(lì)源 激勵(lì)源可分為噪聲源、連續(xù)波源和脈沖波源三種類型。屬于噪聲源的有氦氣續(xù)波源可以由壓電傳感器、電磁超聲傳感斷裂和激光脈沖等產(chǎn)生。傳播介質(zhì)可以是鋼、鋁或其它材料的棒、板和塊。 實(shí)驗(yàn)N P 光纖 光 信號(hào)功率 放大器 R 電信號(hào)電流 I 圖 5— 3 光電轉(zhuǎn)換 原理 光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子、空穴對(duì) 端口 2 端口 1 端口 3 圖 5— 2 光環(huán)行器工作原理 18 過(guò)程中主要用 激勵(lì)器 來(lái)提供連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)和 AE信號(hào)，即連續(xù)信號(hào)和紡錘信號(hào) ，鉛筆芯斷裂來(lái)提供斷鉛信號(hào)，使用的傳播介質(zhì)是鋁板。 5． 2 實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果及分析 按照實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖連接各儀器，進(jìn)行光柵光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)性能的測(cè)試，同時(shí)與傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作比較。實(shí)驗(yàn)所得如圖 5— 4 所示 。 實(shí) 驗(yàn)過(guò)程中有激勵(lì)原來(lái)提供連續(xù)信號(hào)即正弦信號(hào) 和 AE 信號(hào) ， 各 參數(shù)設(shè)置為 未寫 。 下面三個(gè)圖片為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò) 上位機(jī)獲得 所測(cè)得的三種信號(hào)的 相 對(duì)應(yīng)的電壓 — 時(shí)間、功率 — 頻率、幅值 — 時(shí)間圖。在圖 5— 5— 5— 7 中為光纖 Bragg光柵聲發(fā)射傳感器和壓電諧振聲發(fā)射傳感器的對(duì)比，下邊一行均為壓電式對(duì)應(yīng)圖形。 窄帶光源 光纖耦合器 光電轉(zhuǎn)換模塊 前置放大器 數(shù)據(jù)采集 上位機(jī) 激勵(lì)器 壓電傳感器 光纖光柵傳感器 圖 5— 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖 19 圖 5— 5 正弦信號(hào) 圖 5— 6 AE 信號(hào) 20 圖 5— 7 斷鉛信號(hào) 由以上三個(gè)圖片可以得出結(jié)論：光纖 Bragg 光柵聲發(fā)射傳感器可以完成對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)，圖中的連續(xù)信號(hào)、 AE 信號(hào)、斷鉛信號(hào)均為聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。光纖 Bragg 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)此原理對(duì)各種聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。但是從圖片中可以看到，與 成熟的 傳統(tǒng)的壓電式聲發(fā)射傳感器 技術(shù)相 比較， 光纖光柵聲發(fā)射傳感器檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)不是特別成熟，仍屬于研究階段。 目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感器檢測(cè)技術(shù)還需要不斷改進(jìn)。 聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用均以材料的聲發(fā)射特性為基礎(chǔ)。影響聲發(fā)射特性的因素：材料，材料不同的 聲發(fā)射特性差異很大。即使對(duì)同一材料而言，影響聲發(fā)射特性的因素也十分復(fù)雜，如熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、試樣形狀、加載方式、受載歷史、溫度環(huán)境和氣氛等。對(duì)同一試樣作聲發(fā)射試驗(yàn)，在同樣的內(nèi)部和外部條件下，由于試樣的聲發(fā)射源不同，也會(huì)表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。 同時(shí)，在系統(tǒng)上不斷進(jìn)行改進(jìn)，比如通頻帶的寬度、系統(tǒng)的總增益、設(shè)置的閾值電壓等，減小噪聲的影響，可以提高聲發(fā)射檢測(cè)精度。 21 第 6 章 總結(jié) 與展望 6． 1 總結(jié) 本文主要研究基于光纖 Bragg 光柵傳感器的聲發(fā)射檢測(cè)，將光纖光柵聲發(fā)射傳感器和傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器置于同一 個(gè)系統(tǒng)中，利用激勵(lì)源提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)即連續(xù)信號(hào)、 AE 信號(hào)，利用鉛筆芯斷裂提供斷鉛信號(hào)。入射光進(jìn)入光纖中進(jìn)行調(diào)制，經(jīng) Bragg 光柵反射的反射光攜帶 AE 波的信息，通過(guò)窄帶光匹配解調(diào)發(fā)從光波中提取被測(cè)量即 AE 波的信息。 最終通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)將光纖光柵聲發(fā)射傳感器與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器進(jìn)行對(duì)比， 測(cè)試光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)的性能。 6． 2 課題展望 及發(fā)展前景 本次設(shè)計(jì)過(guò)仍存在很多問題等待解決，例如試驗(yàn)系統(tǒng)并不是很穩(wěn)定，檢測(cè)過(guò)程中各種因素的影響使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很大的差異。 可以通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)。 此外， 基于光譜儀探測(cè)倒得聲發(fā)射信號(hào)，可以用來(lái)分析被檢測(cè)信號(hào)的類型 以及 研究物體內(nèi)部 缺陷的實(shí)際危害和程 度以及結(jié)構(gòu)的完整性和預(yù)期使用壽命等。 本文主要研究基于光纖 Bragg光柵的聲發(fā)射檢測(cè) 。 與傳統(tǒng)壓電傳感器檢測(cè)相比較，光纖 AE 傳感器具有體積小、頻帶寬、靈敏度高、損壞閾值高、不必與被測(cè)物體接觸、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。目前光纖 AE 傳感器作為一種新型的傳感技術(shù)正得到不斷的發(fā)展和完善，也正逐漸應(yīng)用于國(guó)防科技、工業(yè)檢測(cè)、民用工程建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?同時(shí)，隨著全數(shù)字化聲發(fā)射儀器和各種功能強(qiáng)大的信號(hào)處理軟件 的出現(xiàn)，聲發(fā)射檢測(cè)步入了一個(gè)更高層次。 目前對(duì)聲發(fā)射技術(shù)的研究主要包括以下幾個(gè)方面： （ 1） 基于 Bragg光柵等各種光柵傳感器與光學(xué)干涉儀相結(jié)合的新型光纖 AE傳感。 （ 2）進(jìn)一步進(jìn)行采用先進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)、聲發(fā)射波的傳播等方面。 （ 3）進(jìn)一步采用先進(jìn)技術(shù)及先進(jìn)解調(diào)設(shè)備，開發(fā)新型高效能的聲發(fā)射檢測(cè)儀器。 （ 4）開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，如泄漏檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)及金屬切削過(guò)程監(jiān)測(cè)等。 22 參考文獻(xiàn) [1] 劉娟 ,丁克勤 .光纖聲發(fā)射傳感器的研究現(xiàn)狀與展望 [J].傳感器與微系統(tǒng) ,2021,29 (9):55 [2] 林學(xué) 煌，光無(wú)源器件 [M].北京 :人民郵電出版社， 2021 [3] 藤山邦久「日」編著 ,馮夏庭譯 .聲發(fā)射 (AE)技術(shù)的應(yīng)用 [M].北京 :冶金工業(yè)出版社 ,1996,12 [4] 沈功田 ,戴光 ,劉時(shí)風(fēng) .中國(guó)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展 [J].無(wú)損檢測(cè)， 2021， 25（ 6）：307307 [5] 梁藝軍 .題名 :[光纖聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究 ].學(xué)位授予單位所在地： 哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院， 2021 [6] 陳麗潔 ,藍(lán)宇 ,冷建興 . 壓電諧振式聲發(fā)射接收傳感器設(shè)計(jì) [J].傳感器技術(shù)，2021,24（ 4） :3737 [7] 馬良柱 .題名 :[光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)研究及應(yīng)用 ].學(xué)位授予單位 :山東大學(xué)電子與通信工程， 2021 [8] 廖延彪編著 .光纖光學(xué) .第一版 .清華大學(xué)出版社， 2021. [9] 蔣奇 ,李術(shù)才 ,李樹 忱 . 類巖石材料破裂聲發(fā)射的光纖光柵 傳感監(jiān)測(cè)技術(shù) [J].無(wú)損檢測(cè)， 2021,30（ 10） :734735 [10]李志全 ,許明妍 ,湯敬 ,陳穎 ,趙彥濤 .光纖光柵傳感系統(tǒng)信號(hào)解調(diào)技術(shù)的研究[J].應(yīng)用光學(xué) ,2021,26（ 4）： 36— 41 [11]杜佳楠 ,劉泊 .基于 MSP430單片機(jī)的光纖光柵匹配解