【文章內容簡介】 材料的質量要求較高、頻帶較窄且必須與被測結構接觸 ,因此 ,不能應用在高溫、腐燭、高壓等極端環(huán)境下并且抗電磁干擾能力弱 ,在強電磁場環(huán)境下其有效性受到很大制約。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：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，質量輕，安裝方式可有多種選擇，即可粘貼在結構表面也可埋入其中；采用波長解調，抗干擾性強。因此對于光纖 聲發(fā)射傳感器的研宄具有非常重要的意義，而且構建感應靈敏、使用便捷的光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感器封裝結構對聲發(fā)射波的有效檢測有非常重要的作用。 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 年該團隊提出了一種不受外界應力影響、可移動式的光纖布拉格光柵超聲波傳感器結構，被測試件外部載荷變化將不會影響聲信號的獲取 [13]。 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行監(jiān)測。 2021 年，該團隊構造了三種傳感器結構一直接 粘貼型、單端光纖粘貼式和可移動式光纖聲信號傳感器，將三種傳感器同時放置在鋼板上對蘭姆波進行檢測，實驗結果表明非直接接觸式結構的傳感器檢測信號的噪聲最大，可移動式的應變傳遞能力比直接粘貼式略低 [14]。 目前，光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測常用的解調方法有 :邊沿濾波器法和光功率解調法兩種。邊沿濾波器法中可以由匹配光纖、高折射環(huán)形鏡濾波器及密集波分復用濾波器等作為邊沿濾波器。其中最簡單、使用較為普遍的為匹配光纖濾波法，它分為反射式和透射式兩種，該解調方法的原理類似于被動式波長比率解調法，利用了匹配光柵的反射譜特性，入 射光在特定的波長范圍內才會被反射，并與入射譜和反射譜重疊的面積有關，重疊部分越多 ,反射光越強，也就是檢測到的光強為兩者光譜函數(shù)的卷積。 2021 年， N. Takahashi 等人使用匹配光柵濾波法實現(xiàn)了數(shù)十 KHz 振動信號的檢測 [15]。 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。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 2021 年， 等人搭建了匹配光柵濾波解調系統(tǒng)用于斷鉛信號模擬的聲發(fā)射信號的檢測。綜上所述 ,采用匹配光柵濾波法具有明顯的優(yōu)點，即結構簡單、成本低、實現(xiàn)容易。但是該方法只能實現(xiàn) 在較小的變化范圍內對被測信號進行檢測，且由于使用寬帶光源 ,該方法的光源利用率低，信號噪聲較大，同時由于測量過程中需要進行光纖波長匹配，不易實現(xiàn)多傳感器同時解調 [16]。 光功率解調法一般采用高功率窄帶激光作為光源，又叫做可調窄帶激光解調法，該方法將窄帶激光的中心波長設定在光纖反射譜的 3dB 帶寬處，通過光探測器測量輸出光強實現(xiàn)光纖反射波長的解調。 2021 年， 等人構建了該解調法中超聲應變和輸出電壓間的關系式，后來該團隊還提出了基于該方法的解調系統(tǒng)的波分復用形式 [17]。 2021 年， 等人將可調窄帶激光解調法用于不銹鋼板裂紋擴展情況的檢測。上述可調窄帶激光解調系統(tǒng)輸出信號強度較小，且易受環(huán)境溫度的影響。 2021 年， G. Wild 等人提出了一種改進的窄帶激光解調法 (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，利用該線性關系進行聲發(fā)射檢測。該改進解調法不僅提高了檢測信號強度，同時信號受環(huán)境溫度影響的情況也有所改善。與上述的匹配光柵濾波解調法相比，可調窄帶激光解調法 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]。 光纖聲發(fā)射技術國內研究現(xiàn)狀 2021 年，崔洪亮教授等采用光纖光柵傳感器進行了斷鉛聲發(fā)射信號測量與方向性研究，自 2021 年以來，國內研究人員關于聲發(fā)射技術的研究取得了顯著成果。 耿榮生等在聲發(fā)射波的特征識別，定位與聲發(fā)射損傷預估方面做出了許多成績。國內外已有研究工作促進了光纖光柵聲發(fā)射檢測的應用和發(fā)展，同時也引起了幾個共同關注的問題，如聲發(fā)射波傳播的模型描述，高靈敏度光纖光柵聲發(fā)射傳感器的設計，聲發(fā)射波信號的分析 和處理 [19]。 本課題的主要研究內容 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)射波檢測領域中的一些熱點問題進行了理論及應用性研宄 ,主要研宄以下幾個方面的內容： (1) 介紹了光纖聲發(fā)射發(fā)展及研究應用現(xiàn)狀；總結了光纖傳感方面的國內外研究進展及水平；總結歸納了基于光纖聲發(fā)射傳感方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 （ 2）介紹了傳統(tǒng)聲發(fā)射的檢測機理和光纖聲發(fā)射的檢測機理，著重介紹了光彈效應和光纖包層的影響，以此作為光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)的理論基礎。 （ 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，得出結論。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第 2 章 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)理論基礎 本章主要介紹傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測機理以及光纖聲發(fā)射的檢測機理，對光彈效應進行了闡述，分析光纖能夠應用于聲發(fā)射檢測上的原因，通過公式計算探討了光纖包層對檢測的影響。同時將不同種纖傳感器的解調方式進行介紹，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)。 聲發(fā)射檢測原理 當聲發(fā)射傳感器附著到所測結構上后，由于材料內部應力發(fā)生變化產生聲發(fā)射信號，聲發(fā)射源產生的聲發(fā)射信號以波的形式在材料中傳播，當?shù)竭_材料表面時聲發(fā)射波引起材料表面的振動，此時波的能量轉換成材料的振動能。而附著在材料表面的聲發(fā)射傳感器可以感受到材料表面的機械振動，然后將材料的振動轉換成電信號，通過后續(xù)硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發(fā)射信號的有用信息，并以此來推斷材料發(fā)生聲發(fā)射的機制與預判聲發(fā)射信號的發(fā)展趨勢。目前聲發(fā)射檢測是一種比較有效的檢測材料收到 應力作用時動態(tài)趨勢變化的方法[20]。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。AE 傳感器將在物體表面觀測到的彈性波變換成電信號 。 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 。 另外 AE 傳感器還有靜電容型位移計及光纖傳感器等 。 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計的 ， 在對理論波形的確認以及對 AE 傳感器的靈敏度進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 ， 在一般測量中難以廣泛應用 。 探頭輸出信號 (一般為電壓量 )的 AE 波通過放大器放大 ， 以及通過濾波器抑制噪聲 ， 為了使 AE 信號不變形 ， 而且不易受噪聲信號的影響 ， 一般在AE 探頭附近設置前置放大器 。 一般 AE 測量中前置放大器與主 放大器的總增益為 60dB~100dB。 使用濾波器的目的是為了除去噪聲 [21]。 從圖 21 可以看出 ,借助聲發(fā)射傳感器與相關外圍設備可以實時獲得材料內部產生的聲發(fā)射信號。只要對記錄與顯示在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行有效的分析 ,便可預判材料內部結構的變化趨勢以及下一步需要釆取的針對性防范措施。 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部構造基本類似。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行放大 ,提高電信號 的信噪比 ,順便實現(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一步放大 ,這樣才能讓數(shù)據(jù)采集卡接受到電信號并進行處理。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]。 光纖聲發(fā)射檢測的基本原理 光源的光經入射光纖送入調制區(qū)，在調制區(qū)內待測 AE 波對光進行調制使光的光學性質 ( 如，強度、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等 ) 發(fā)生變化，從而使已調光攜帶 AE 波的信息，然后，將已調光送入解調裝置 即可獲得待測參數(shù)。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 圖 22 光纖聲發(fā)射檢測原理圖 光纖傳感器的光彈效應 眾所周知，在光學各向同性媒質中，由于光彈效應會導致媒質的光學各向異性 .當外力作用于光纖時，光纖中的應力和折射率都將發(fā)生變化，折射率的變化與光纖中應力成線性的正比關系。應力分量 f?? 與沿 ( , )n x y z? ? ? 和 方向的折射率、之間的關系可以表示如下： 0 1 20 1 20 1 2n [ ( ) ]n [ ( ) ]n [ ( ) ]x fx fy fzy fy 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的折射率； f?? 表示光纖芯中心附近的，沿 ?? 方向的主應力； 1C 和 2C 分別表示定向光彈常數(shù)和橫向光彈常數(shù)。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棒 [23]。 此外，由于光纖的長度遠大于光源光波的波長，因此可將光纖看成是圓盤而對其作平面應力近似，如圖 22 所示。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 是埋入內部的長度為 z。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，真實相互作用的有效長度為 2efl 。由測量可知光彈系數(shù)C。 當 m??? 時， 523 .3 4 1 0 m m /kgC ??? ； 當 m??? 時， 523 .1 7 1 0 m m /k gC ??? ； 而 m??? 時， 523 .0 8 1 0 m m /kgC ??? 。 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 22 壓力波作用于光纖的等效體系示意圖 圖 23 主應力 x? 和 y? 相應于 11HE 模的兩個正交偏振面的方向 光纖包層的影響 對于帶有軟包層 (硅樹脂或聚丙烯 )的光纖埋入剛性基體材料中，例如圖 24 所示的混凝土基體。 圖 24 超聲壓力波作用于埋入材料中的帶 有包層的光纖上的坐標系統(tǒng) 東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 圖 25 埋入式帶有包層的傳感光纖的簡化模型 光纖對聲波的響應主要取決于光纖的徑向應變和慣性作用，慣性作用即由于