【文章內(nèi)容簡介】 材料的質(zhì)量要求較高、頻帶較窄且必須與被測結(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(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；采用波長解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。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(gòu)建感應(yīng)靈敏、使用便捷的光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)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(xì)管型光纖布拉格光柵傳感器，可用于溫度檢測和補(bǔ)償，同時可實(shí)現(xiàn)聲信號的測量。 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]。 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。 2021 年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了三種傳感器結(jié)構(gòu)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(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非直接接觸式結(jié)構(gòu)的傳感器檢測信號的噪聲最大，可移動式的應(yīng)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(diào)方法有 :邊沿濾波器法和光功率解調(diào)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(fù)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(diào)方法的原理類似于被動式波長比率解調(diào)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(nèi)才會被反射，并與入射譜和反射譜重疊的面積有關(guān)，重疊部分越多 ,反射光越強(qiáng)，也就是檢測到的光強(qiáng)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(shí)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(qiáng)復(fù)合板上傳播的模擬損傷信號。 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。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。但是該方法只能實(shí)現(xiàn) 在較小的變化范圍內(nèi)對被測信號進(jìn)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(jìn)行光纖波長匹配，不易實(shí)現(xiàn)多傳感器同時解調(diào) [16]。 光功率解調(diào)法一般采用高功率窄帶激光作為光源，又叫做可調(diào)窄帶激光解調(diào)法，該方法將窄帶激光的中心波長設(shè)定在光纖反射譜的 3dB 帶寬處，通過光探測器測量輸出光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)光纖反射波長的解調(diào)。 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]。 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。上述可調(diào)窄帶激光解調(diào)系統(tǒng)輸出信號強(qiáng)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(jìn)的窄帶激光解調(diào)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(qiáng)和透射光強(qiáng)，兩光強(qiáng)信號差隨光纖反射波長呈線性變化，利用該線性關(guān)系進(jìn)行聲發(fā)射檢測。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。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]。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2021 年，崔洪亮教授等采用光纖光柵傳感器進(jìn)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(nèi)研究人員關(guān)于聲發(fā)射技術(shù)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(yù)估方面做出了許多成績。國內(nèi)外已有研究工作促進(jìn)了光纖光柵聲發(fā)射檢測的應(yīng)用和發(fā)展，同時也引起了幾個共同關(guān)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(shè)計(jì)，聲發(fā)射波信號的分析 和處理 [19]。 本課題的主要研究內(nèi)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(lǐng)域中的一些熱點(diǎn)問題進(jìn)行了理論及應(yīng)用性研宄 ,主要研宄以下幾個方面的內(nèi)容： (1) 介紹了光纖聲發(fā)射發(fā)展及研究應(yīng)用現(xiàn)狀；總結(jié)了光纖傳感方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展及水平；總結(jié)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 2）介紹了傳統(tǒng)聲發(fā)射的檢測機(jī)理和光纖聲發(fā)射的檢測機(jī)理，著重介紹了光彈效應(yīng)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(chǔ)。 （ 3）系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行了三種信號的實(shí)驗(yàn)，并獲 得相應(yīng)的波譜圖，并對波譜圖進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進(jìn)行對比，得出結(jié)論。 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。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)。 聲發(fā)射檢測原理 當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測結(jié)構(gòu)上后，由于材料內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)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(zhuǎn)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(jī)械振動，然后將材料的振動轉(zhuǎn)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(jī)制與預(yù)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(yīng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(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 。 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(shè)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(guān)外圍設(shè)備可以實(shí)時獲得材料內(nèi)部產(chǎn)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(jìn)行有效的分析 ,便可預(yù)判材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部構(gòu)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(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。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(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)待測 AE 波對光進(jìn)行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì) ( 如，強(qiáng)度、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等 ) 發(fā)生變化，從而使已調(diào)光攜帶 AE 波的信息，然后，將已調(diào)光送入解調(diào)裝置 即可獲得待測參數(shù)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yīng) 眾所周知，在光學(xué)各向同性媒質(zhì)中，由于光彈效應(yīng)會導(dǎo)致媒質(zhì)的光學(xué)各向異性 .當(dāng)外力作用于光纖時，光纖中的應(yīng)力和折射率都將發(fā)生變化，折射率的變化與光纖中應(yīng)力成線性的正比關(guān)系。應(yīng)力分量 f?? 與沿 ( , )n x y z? ? ? 和 方向的折射率、之間的關(guān)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(yīng)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(zhì)棒 [23]。 此外，由于光纖的長度遠(yuǎn)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(yīng)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(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(shí)相互作用的有效長度為 2efl 。由測量可知光彈系數(shù)C。 當(dāng) m??? 時， 523 .3 4 1 0 m m /kgC ??? ； 當(dāng) 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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yīng)力 x? 和 y? 相應(yīng)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(biāo)系統(tǒng) 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yīng)主要取決于光纖的徑向應(yīng)變和慣性作用，慣性作用即由于