【正文】 在此，向你們表達我心中最真摯的感謝。 同時，我還要感謝實驗室的其他老師。短短三個月的時間，我對自己所設(shè)計的課題由陌生到熟悉，知識的獲取渠道由課堂學(xué)習到自學(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富。他嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風，深深地感染激勵了我。 London： Aneeh House , 12(2):4041． [23]廖延 , 彪黎敏 , 光纖傳感器的今日與發(fā)展 [D].傳感器世界 .2021, 10(2). 612. 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 致 謝 光纖聲發(fā)射技術(shù)是近幾年內(nèi)開始興起的一門新技術(shù)，在國內(nèi)還鮮有報道，本次畢業(yè)設(shè)計的題目更是一門跨學(xué)科的課題 ，對實驗方案的確定和采購，都經(jīng)歷了很多波折和 艱辛，在此向幫助過我和指導(dǎo)過我的各位老師表達我心中最真摯的感謝之情。 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)： 550552． [14] Kwon OhYang, Joo YongChan. Source location in plate by using wavelet transform of AE signals[C]. 14th International AE Symposium amp。 （ 3）本次實驗中，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，實驗系統(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驗效果。在今后的研究中，應(yīng)該將著力解決以下問題： （ 1）研究信號解調(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。在與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測對比之后，發(fā)現(xiàn)這套 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點與缺點，優(yōu)點是整體簡單，操作簡易，設(shè)備體積小，造價低廉，分辨率高。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 結(jié)論 本文主要研究了光纖聲發(fā)射檢測原理以及對光纖聲發(fā)射檢測平臺的搭建，采購所需要的設(shè)備，完成光纖聲發(fā)射檢測 系統(tǒng)的搭建，最后進行實驗，完成了對斷鉛、摩擦和敲擊信號的采集，以及激勵源脈沖信號的實驗，將光纖聲發(fā)射傳感器與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器進行對比，完成對光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的性能的測試。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。在實驗的過程中，傳感器都可以檢測出這三種信號。 圖 49 固有頻率為 100KHz 圖 410 固有頻率為 150KHz 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 411 固有頻率為 200KHz 圖 412 固有頻率為 100KHz 圖 413 固有頻率為 150Hz 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 414 固有頻率為 200KHz 由頻譜分析可知，針對以上三種標準信號，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率分別為 105KHz、 157KHz、 210KHz,傳統(tǒng)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率分別為 110KHz、165KHz、 220KHz，光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)的響應(yīng)頻率更加接近真實值，所以說光纖聲發(fā)射系統(tǒng)與傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)相比，更加真實的還原了信號的真實性。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 圖 48 脈沖信號實驗 應(yīng)用光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號的頻譜圖如下 4 4 411 所示。脈沖激勵源發(fā)出信號的能量為 100dB，頻率分別為 100KHz、 150KHz 和 200KHz。 脈沖激勵源信號實驗 應(yīng)用脈沖激勵源發(fā)出穩(wěn)定脈沖信號，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)進行信號采集，并對數(shù)據(jù)進行對比分析。 圖 45 斷鉛信號的頻譜圖 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 圖 46 摩擦信號的頻譜圖 圖 47 敲擊信號的頻譜圖 通過光纖傳感系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的頻譜圖分析：斷鉛、摩擦、敲擊聲發(fā)射信號的響應(yīng)頻率分別為 100kHz、 80kHz、 150kHz，而實際對應(yīng)信號的的頻率范圍在80130kHz,7090kHz,130160kHz。這與傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng) 對以上三種信號的分析相一致，從而驗證了光纖聲發(fā)射系統(tǒng)具有一定的可行性。 常規(guī)聲發(fā)射信號實驗 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 處分別進行斷鉛、摩擦、敲擊實驗，應(yīng)用光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)分析。我們以鋼板作為傳導(dǎo)聲波的介質(zhì)。由光纖傳感器原理可知反射率越高的傳感器，越靈敏，它的檢測效果越好。 Q9 的接頭 圖 310 Q9 接頭 本章總 結(jié) 本章主要研究了光纖聲發(fā)射系統(tǒng)的搭建，在光纖聲發(fā)射檢測的理論基礎(chǔ)上，詳細介紹了光彈效應(yīng)和光纖包層的影響，并以此為理論基礎(chǔ)構(gòu)建光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，將必要的硬件和軟件設(shè)備進行連接，搭建實驗平臺。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。 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（論文） 24 加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。 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（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行可拆卸 (活動 )連接的器件，它是把光纖的兩個端面精密對接起來，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系統(tǒng)造成的影響減到最小。 圖 35 結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)光電轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)原理，我們制作出了相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換模塊，實物圖如圖36 所 示， 圖 36 光電轉(zhuǎn)換模塊 通過測定得到其相應(yīng)的功能特性曲線 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 37 特性曲線 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)釆集用的是 HDS1021M 利普手持示波器，帶寬為 200MHz，實時采樣率為 100MS/s，上升時間 ≤ ，為單通道，輸入阻抗 為 1MΩ177。當光照射在 PN 結(jié)上時，當電信號送入光電耦合器的輸入端時會形成光電流，光強度越大，光電流越大。是整套實驗系統(tǒng)中不可或缺的重要部分，如圖 35 所示，為光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。 光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)由激光器，耦合器，光電轉(zhuǎn)換模塊，信號放大模塊，信號處理模塊，傳感器組成，光纖聲發(fā)射的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖 31 所示， 圖 31 光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)圖 光纖聲發(fā)射系統(tǒng)的搭建，如圖 32 所示 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖 32 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng) 激光器 光源為 1550nm 窄線寬同軸激光光源，型號 69STLDCDFB1310AFCAPC，這種激光光源具有體積小，穩(wěn)定性好，發(fā)熱量低，造價低廉，經(jīng)濟實 用的特性，在本次實驗中，為此同軸激光器配備了單獨的供電電路。 光纖聲發(fā)射檢測實驗平臺的搭建 傳感系統(tǒng)的工作原理為 :光源發(fā)出的光經(jīng) 2xl 光纖禍合器輸出進入光纖 EFPI傳感器 ,傳感器將待測量的變化轉(zhuǎn)換為光的相位差的變化并形成反射光傳回至光纖耦合器 ,耦合器的輸出經(jīng)波分復(fù)用器后分別進入兩個光接收模塊 ,兩束輸出光在經(jīng)過進一步的處理得到待測量。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。因此，光纖 Sagnac 解調(diào)系統(tǒng)的檢測精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度。要獲得原來的被測量，就需要從測得的光信號中檢測出光波的漂移。 光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng) Sagnac 光纖聲發(fā)射傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測和信號處理兩個部分。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。 利用干涉原理測量光程之差從而測定有關(guān)物理量的光學(xué)儀器。基本采用光電系統(tǒng)作為光譜接收、探測系統(tǒng)裝置：一個或者多個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，變成電信號后經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強隨波長變化的譜線。常見的探測系統(tǒng)有：基于線性邊帶濾波器的探測系統(tǒng)、基于光譜儀的探測系統(tǒng)、基于可調(diào)聲光濾波器的探測系統(tǒng)、基 于 WDM光纖耦合器的探測系統(tǒng)、基于可調(diào) 光纖 （ FabryPerot）的濾波器的探測系統(tǒng)等。 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)。將光纖傳感器貼附在鋼板表面上的一側(cè)，一個壓電式換能器（ 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 的振動導(dǎo)致鋼板中有聲波的傳播。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第 3 章 光纖聲發(fā)射檢測系統(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)，用來檢測 聲發(fā)射。 本章小結(jié) 在這一章中，首先，簡述了傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測的機理。 用于聲發(fā)射檢測光纖傳感器還有很多種，就不一一詳細闡述了。探測用的光纖被聲波信號所作用，在不將折射率變化對光波相位影響計算在內(nèi)時，則只會引起光纖長度的變化，進而引起光波相位和輸出干 涉光強度的變化。若用 L 代表傳感臂光纖的長度，則在第一個傳感臂的出射端，有的光被反射，有的被透射。這樣由 1和 2 處反射回來的光就會發(fā)生干涉現(xiàn)象，并最終經(jīng)過 3dB 光纖耦合器被光電探測器所接收到 [17]。光纖兩個端點 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。在對所接收的信號進行處理研究就能夠得到所檢測信號頻率的性質(zhì)。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來自試件本身的機械振動，另一部分來自材料傳播的信號，而 4? 則取決于試件自身的機械振動，因此 34??? 所包含的信息就只是由傳播的材料來決定的。那么這四束反射光再由 3dB 耦合器后就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，且輸出光強 outI 可用下式表示 : 1 2 3 4 12 13 14 23 24 34( ) ( )outI I I I I I I I I I I? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 25） 1? 和 2? 則分別表示 1I 和 2I 到達檢測裝置時的位相，而 3? 和 4? 則分別 表示 3I 和4I 到達檢測裝置時的位相。光源是由 LD 激光器來充當?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]。 光纖傳感器的解調(diào)方式 光纖 Michelson 傳感器的解調(diào)方式 光纖 Michelson 傳感器原理如圖 26 所示。對于這種不敏感性，下面給出一個簡單的解釋 :超聲壓力波作用到基體材料上 (如混凝土 )使軟包層發(fā)生應(yīng)變，由于包層材料的楊氏模量小，因此傳遞給玻璃光纖的應(yīng)力很小，軟包層不僅減小了作用到玻璃光纖上的應(yīng)變，同時也抑制了高頻響應(yīng)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(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