【正文】 有軟包層，外部激勵不能充分直接地作用到光纖上，因而傳感光纖的響應(yīng)受到阻尼或不敏感。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)。 由上可知，在使用光纖進(jìn)行檢測時，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，也就是對輸出光的光強(qiáng)會產(chǎn)生影響，將輸出光與標(biāo)準(zhǔn)入射光進(jìn)行干涉，再經(jīng)過信號采集卡的采集與放大即可達(dá)到檢測目的，從而取代諧振式壓電探頭，進(jìn)行聲發(fā)射檢測 。 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。在物體中傳播的聲波能夠用這種全光纖且為非接觸式的傳感器來進(jìn)行測量。光源是由 LD 激光器來充當(dāng)?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]。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 26 光纖邁克爾遜傳感器原理圖 由圖 33 我們可以看出，光纖出射端面反射的光的強(qiáng)度在兩個傳感臂中分別用1I 和 2I 表示；經(jīng)過測量物表面反射回來的光強(qiáng)用 3I 和 4I 表示。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(qiáng) 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(dá)檢測裝置時的位相，而 3? 和 4? 則分別 表示 3I 和4I 到達(dá)檢測裝置時的位相。而在式 (31)中， 4 束光的相干項(xiàng)則表示成 : 2 c os( )ij i j i jI I I ???? （ 26） 因?yàn)?3dB 耦合器的使用，則相當(dāng)于 12II? ，通過調(diào)節(jié)，從而可以使兩臂的位相差 12? ? ???，則 1 2 12 co s 2I I I?? ? ?；并且，當(dāng) 12? ? ???時，通過證明可以得到13 23II?? 、 14 24II?? ，那么探測光強(qiáng)就可寫成 : 3 4 3 4 3 4( ) 2 c o s( )outI I I I I ??? ? ? ? （ 27） 在基于干涉原理的檢測中，由于大多數(shù)情況下只關(guān)注交流項(xiàng)，即我們要在實(shí)驗(yàn)中檢測的是光強(qiáng) 34I 。 3? 有兩部分構(gòu)成：一部分來自試件本身的機(jī)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(jī)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。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 如果試件中發(fā)生頻率是 ? ，幅值是 0s? 的聲波 ()st? ，則可表示成： 0( ) cossstt? ? ?? （ 28） 那么，當(dāng) ? 已知時，式（ 31）可表示為： c o s[ c o s ]outIt? ? ?? ? ? （ 29） 式中， ? 是一常數(shù)， ?? 受信號的幅值影響，與光纖出射端與反射端面間的距離有關(guān)。在對所接收的信號進(jìn)行處理研究就能夠得到所檢測信號頻率的性質(zhì)。 光纖 Fizeau 傳感器的解調(diào)方式 光纖 Fizeau 傳感器的原理如圖 28 所示，光源由 LD 激光器充當(dāng)，并被光纖所接收，然后經(jīng)由 3dB 耦合器分為兩束。光纖兩個端點(diǎn) 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(diǎn)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。外界的待測聲波信號作用于傳感臂，使端點(diǎn) 2 反射光的相位發(fā)生改變，成為調(diào)制信號。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]。 圖 28 光纖 Fizeau 檢測原理圖 如圖 28 所示，進(jìn)入到光纖中的光強(qiáng)設(shè)為 0I ，再經(jīng)由 3dB 耦合器來分為兩束光，那么就能夠用 0/2I? 來表示兩個傳感臂的出射光強(qiáng)，其中 ? 為 3dB 藕合器的東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 插入損耗參量。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。若在光纖端面處，其反射率為 fR ，則到達(dá) PD 后的 光強(qiáng)為 : 2 4 2 2021 { 1 ( 1 ) 2( 1 ) c os( 2 ) }16ou t f f fI E R R R k nl?? ? ? ? ? ?? （ 211） 其中， 0E 為激光器進(jìn)入到光纖中光波的振幅； 0 2/k ??? 是光波波數(shù)； ? 是光波波長； n 是光纖芯的折射率。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(jì)算在內(nèi)時，則只會引起光纖長度的變化，進(jìn)而引起光波相位和輸出干 涉光強(qiáng)度的變化。再通過對信號的采集與處理，這樣即可實(shí)現(xiàn)聲波信號的檢測。 用于聲發(fā)射檢測光纖傳感器還有很多種，就不一一詳細(xì)闡述了。它們都有其自身的優(yōu)劣性，適用的條件也不盡相同。 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(jī)理。介紹了多種各具特性的光纖，確定了在光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中光纖的選擇，詳細(xì)地討論了聲波與光纖相互作用產(chǎn)生的光彈效應(yīng)，闡述了光纖包層對聲波與光纖相互作用的影響。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。我們以鋼板作為傳導(dǎo)聲波的介質(zhì)。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。在實(shí)驗(yàn)的過程中，先后對 AE 信號、摩擦、敲擊這些逐漸增強(qiáng)的信號進(jìn)行檢測，進(jìn)而與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測進(jìn)行對比。 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)。其中探測系統(tǒng)中運(yùn)用到的精確測量波長漂移技術(shù)。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。 本次實(shí)驗(yàn)采用的是基于光譜的探測系統(tǒng)?；静捎霉怆娤到y(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(qiáng)隨波長變化的譜線。應(yīng)用到光電探測系統(tǒng)擴(kuò)大了能夠檢測的工作光譜范圍，提高了測量的精度、靈敏度和速度。 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。兩束相干光間光程差的任何變化會非常靈敏地導(dǎo)致干 涉條紋的移動，而某一束相干光的光程變化是由它所通過的幾何路程或介質(zhì)折射率的變化引起，所以通過干涉條紋的移動變化可測量幾何長度或折射率的微小改變量，從而測得與此有關(guān)的其他物理量。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。而本次試驗(yàn)所用的光纖 Sagnac 干涉原理就是基于上述，而探測方法也與其類似。 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。在Sagnac 光纖聲發(fā)射的傳感系統(tǒng)中，單模光纖環(huán)作為波長調(diào)制型傳感器，被測信息東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 引起激光波長的移動，其被測信息轉(zhuǎn)化為特征波長的移動。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。信號解調(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、準(zhǔn)確的提取信號幅值的大小并無是真的在線被測信號隨時間的變化過程。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。由于光的基本性能都可以收到調(diào)制，因此解調(diào)系統(tǒng)中對應(yīng)的檢測就是光的強(qiáng)度檢測、相位檢測、頻率檢測、偏振態(tài)檢測等。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。本次實(shí)驗(yàn)過程中使用的是窄帶激光器匹配法解調(diào)。 光纖聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)入兩個光接收模塊 ,兩束輸出光在經(jīng)過進(jìn)一步的處理得到待測量。本系統(tǒng)由光纖實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號的傳感和測量 ,在被測環(huán)境中只有光纖傳感器的傳感頭 ,光發(fā)射模塊，光學(xué)系統(tǒng)，光接收模塊和信號處理電 路等部件均可放在儀器箱中 ,使得本傳感系統(tǒng)可在任何惡劣的環(huán)境下工作。 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(jì)（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(jì)實(shí) 用的特性，在本次實(shí)驗(yàn)中，為此同軸激光器配備了單獨(dú)的供電電路。 圖 33 激光光源電路圖 圖 34 同軸激光光源及供電器 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 光電探測器型號為 69STPDC300FC/PC，光電探測器能把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。是整套實(shí)驗(yàn)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。 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，當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時會形成光電流，光強(qiáng)度越大，光電流越大。因此，最終通過電阻、放大器等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。 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(shí)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(jì)（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(shí)時采樣率為 100MS/s，上升時間 ≤ ，為單通道，輸入阻抗 為 1MΩ177。 2%，與 20pF177。 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(jì)（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(jìn)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。對于波導(dǎo)式光纖耦合器，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可用它加以等分。 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(jì)（論文） 24 加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。最早， FC 類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式（ FC）。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。后來對該類型連接器做了改進(jìn)，采用對接端面呈球面的插針（ PC），而外部結(jié)構(gòu)沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。 Q9 的接頭