【正文】 材料中，例如圖 24 所示的混凝土基體。由測量可知光彈系數(shù)C。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（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。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]。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)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(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。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]。 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。 從圖 21 可以看出 ,借助聲發(fā)射傳感器與相關(guān)外圍設(shè)備可以實時獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。 一般 AE 測量中前置放大器與主 放大器的總增益為 60dB~100dB。 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 ， 在一般測量中難以廣泛應(yīng)用 。 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 。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（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。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。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)。 （ 3）系統(tǒng)搭建完成后，進(jìn)行了三種信號的實驗，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。 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。 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。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]。 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。 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。 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)實現(xiàn)光纖反射波長的解調(diào)。綜上所述 ,采用匹配光柵濾波法具有明顯的優(yōu)點，即結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實現(xiàn)容易。 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。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。 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。 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， 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，同時可實現(xiàn)聲信號的測量。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(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)。它的優(yōu)點是檢測信號的精度和分辨率高，穩(wěn)定性好。在整個聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器是首要環(huán)節(jié)。 2021 年， .Lee 等人也證明光纖對超聲波的響應(yīng)頻率上限主要取決于光纖的柵東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 區(qū)長度 ,實驗結(jié)果表明，對固體傳導(dǎo)介質(zhì)，為保證光纖不受超聲波的非均勾作用力的影響，光纖的柵區(qū)長度必須小于超聲波波長的一半 [12]。 2021 年， 等人通過仿真得出結(jié)論 ,當(dāng)超聲波長與光纖的柵長的比值減小時，光纖反射譜的波長響應(yīng)靈敏度會下降，當(dāng)超聲波的能量較高且超聲波的波長與光纖的柵區(qū)長度相等時，光纖的光譜將發(fā)生明顯的變形 [10]。在聲發(fā)射 波的作用下，光纖將受到外界非均勻應(yīng)力的調(diào)制作用，使其光譜發(fā)生改變，從而影響到解調(diào)結(jié)果。 光纖聲發(fā)射技術(shù)國外研究現(xiàn)狀 聲發(fā)射波的傳播路徑、波形模式受聲波頻率和傳導(dǎo)介質(zhì)的影響很大 ,同時聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時呈低應(yīng)變的特征。其中包括： (1)聲發(fā)射波作用下光纖光柵的響應(yīng)特性的研宄不深入，缺乏理論和實驗驗證； (2)光纖聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計尚未成熟，還需要進(jìn)一步探索，設(shè)計出適用于復(fù)雜檢測環(huán)境的傳感結(jié)構(gòu)； (3)被測結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波引起的應(yīng)變一般很小，若要獲取到真實的聲發(fā)射波，需要確保光纖布拉格 光柵解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)速度和靈敏度滿足要求。國外在全數(shù)字式聲發(fā)射儀的研制上發(fā)展很快，典型代表是美國 PAC 公司的 Mistras2021，德國 Vallen 公司的 AMSY4 和美國數(shù)字波形公司東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 （ DWC）的 F4000 聲發(fā)射檢測儀等，其聲發(fā)射特征量全由數(shù)字信號提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號在到達(dá)各種處理器之前首先被數(shù)（ 458 中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） 2021 年第 5 期）字化 ，由于全部信號處理是對離散信號完成的，系統(tǒng)有很高的信噪比和很寬的動態(tài)范圍 [9]。 20 世紀(jì) 90 年代，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)入了全數(shù)字式的第 4 代，全數(shù)字化 AE 檢測系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件配置上保留了第三代產(chǎn)品的優(yōu)點，放大后的 AE 信號不必再經(jīng)過一系列的模擬、數(shù)字電路才形成數(shù)字特征量，而 是直接進(jìn)行高速 A/D 轉(zhuǎn)換，提取相應(yīng)特征量。 20 世紀(jì) 70 年代初， Dunegan 等人開展了現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制，他們把試 驗頻率提高到 100kHz～ 1MHz，這是聲發(fā)射試驗技術(shù)的重大進(jìn)展，現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制成功，為聲發(fā)射技術(shù)從試驗室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)用創(chuàng)造了條件。聲發(fā)射檢驗技術(shù)的基本原理是利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓笥秒娮釉O(shè)備將電信號進(jìn)行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的特性參數(shù)，通過分析檢驗過程中聲發(fā)射儀器所得的各種參數(shù)，即可知道材料內(nèi)部的缺陷情況。這樣考慮的話， AE 探測技術(shù)對于改善今后的嚴(yán)酷的地球環(huán)境、支持豐富的 21 世紀(jì)來說都將越來越重要 [6]。而且，像甜瓜等果物中 AE 探測的研究對豐富今后的社會生活也會很重要。不用說在金屬、巖石、混凝土、陶瓷、 FRP、木材，甚至在超導(dǎo)、人體、植物等廣泛的范圍也引起了人們的興趣。 如前所述， AE 探測方法的長處之一是沒有了使用 X 線時的那種限制，對人體無害。 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（論文） 4 力等領(lǐng)域。 聲發(fā)射探測技術(shù)具有動態(tài)檢測和分析的特點，從 60 年代以來，得到許多發(fā)達(dá)國家的重視，在理論研究、實驗研究和工業(yè)實用三個方面做了大量的工作，取得了很大的進(jìn)展。一類是以多個簡化的波形特征參數(shù)來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對其進(jìn)行分析和處理；另一類為存儲和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進(jìn)行頻譜分 析。實際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號也是由大量的突發(fā)型信號組成的，只不過太密集而不能分辨而已 [4]。如果信號由區(qū)別于背景噪聲的脈沖組成，且在時間上可以分開，那么就叫突發(fā)型聲發(fā)射信號 。因此，如何根據(jù)聲發(fā)射換能器 輸出的電信號來獲取有關(guān) AE 源的信息一直是人們面臨并努力加以解決的問題。 通過對探測到的聲發(fā)射信號進(jìn)行處理和分析，可以得到被探測材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)聲發(fā)射源的大量信息。通過直接分析識別聲發(fā)射信號來確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，是目前聲發(fā)射檢測中最難解決的問題，也是研究熱點。源的嚴(yán)重性程度是對聲發(fā)射源進(jìn)行的定量評價，目前基本上以各種聲發(fā)射信號參數(shù)來加以衡量，如以信號的幅度、能量和計數(shù)等東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 來衡量源的強(qiáng)度，以產(chǎn)生聲發(fā)射信號的反射頻率和能量釋放速率來衡量源的活度，或者綜合評定聲發(fā)射信號的幅度、能量等參數(shù)隨載荷或時間的變化等。超聲波探傷法、放射線、炭粉探傷、浸透法等的非破壞檢查法都必須停止作業(yè)中的設(shè)備再進(jìn)行檢查，這是他們最大的缺點，而 AE 法不停止作業(yè)就能發(fā)現(xiàn)缺陷，也就是說， AE 法有能夠在線監(jiān)測的優(yōu)點，所有無損檢測方法的共同目的都是為了發(fā)現(xiàn)缺陷，而 AE 探測技術(shù)的核心問題是由接受的信號反推到聲發(fā)射源的問題，即所謂的“反向源”或“逆源”問題 [3]。根據(jù) AE 波到達(dá)的時間差，可以確定 AE 發(fā)生源的位置。需要的只是設(shè)置 AE 探測器 作業(yè)，即使從 AE 探測器到缺陷之間也有距離。正因為這樣， AE 探測技術(shù)是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有力工具，也是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。 AE 是正在擴(kuò)展的材料缺陷 (裂紋 )的指示器，沒有擴(kuò)展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發(fā)射。不同的源機(jī)制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的 AE 信號。所以嚴(yán)格地講，聲發(fā)射應(yīng)當(dāng)被稱為應(yīng)力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習(xí)慣于將其稱為聲發(fā)射。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，近來，其外延已進(jìn)一步擴(kuò)大，比如說泄漏聲音、軸承的滑動聲音、木材干燥時產(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]。因此對于基于光纖的聲發(fā)射檢測技術(shù)的研究具有非常重要的意義。在某些特殊的場合，比如說大型油罐的在役檢測，聲發(fā)射檢測成為唯一可靠的檢測手段，因此聲發(fā)射技術(shù)伴隨著計算機(jī)技術(shù)與信號處理技術(shù)的發(fā)展迅速成為一種新型的無損檢測技術(shù)，未來的二十年內(nèi)，隨著人類對聲發(fā)射源和聲發(fā)射波傳播過程的更深入認(rèn)識以及各種強(qiáng)大儀器的問世，聲發(fā)射技術(shù)將會獲得 更高層次的發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多釆用的是諧振式壓電傳感器 ,是將被測結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振