光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　聲發(fā)射( Acoustic Emission，AE) 是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，有時(shí)又稱作應(yīng)力波發(fā)射。傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器體積大，頻帶窄，受電磁干擾比較嚴(yán)重，在強(qiáng)電場(chǎng)、高溫環(huán)境下其有效性受到很大制約。而光纖AE傳感器具有體積小、頻帶寬、靈敏度高、損壞閾值高、不必與被測(cè)物體接觸、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)

2、。因此，光纖聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)有很重要的研究意義。</p><p>　　基于光纖Sagnac干涉效應(yīng)，建立一套光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng),并分析其系統(tǒng)構(gòu)成和測(cè)量原理，建立標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射采集系統(tǒng)并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。完成對(duì)三個(gè)聲源信號(hào)：斷鉛信號(hào)、摩擦信號(hào)和敲擊信號(hào)的采集測(cè)試，以及激勵(lì)源的脈沖信號(hào)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)相比，新型光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)具有整體簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易，設(shè)備體積小，獲得測(cè)量信號(hào)更貼近真實(shí)信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。<

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射 ；光纖聲發(fā)射檢測(cè)；Sagnac干涉效應(yīng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Acoustic Emission means the phenomenon that partial fast release energy with the transient elastic

4、wave in different materials, sometimes it is also called stress wave emission. Traditional piezoelectric acoustic emission sensor is large, frequency band is narrow, and have serious electromagnetic interference, in high

5、 temperature environment or in a strong electric field, its effectiveness is limited. The optical fiber AE sensor has the advantages of small volume, wide frequency band, high sensi</p><p>　　Based on the int

6、erference effect of Sagnac, a set of optical fiber acoustic emission sensor system is established, and the system structure and measuring principle are analyzed. Complete the acquisition and testing of three sound source

7、 signals: the signal of lead, the friction and the signal, pulse signal analysis of excitation source The experimental results show that compared with the traditional acoustic emission detection system, the new fiber opt

8、ic acoustic emission testing system has the </p><p>　　Key words: Acoustic emission; fiber optic acoustic emission detection; the effect of fiber Sagnac interferome</p><p><b>　　目 錄</b>

9、;</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1選題背景及意義1</p><p>　　1.2傳統(tǒng)聲發(fā)射的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.1 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀.......

10、..............................................3</p><p>　　1.3.2 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.....................................................5</p><p>　　1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容.........................................

11、.....................................5</p><p>　　第2章光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)7</p><p>　　2.1聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理7</p><p>　　2.2光纖聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理8</p><p>　　2.2.1光纖傳感器的光彈效應(yīng)8</p><p>　　

12、2.2.2光纖包層的影響...............................................................................10</p><p>　　2.3 光纖傳感器的解調(diào)方式..........................................................................11</p>&l

13、t;p>　　2.3.1光纖Michelson傳感器的解調(diào)方式................................................12</p><p>　　2.3.2 光纖Fizeau傳感器的解調(diào)方式......................................................14</p><p>　　2.4本章小結(jié)......

14、..............................................................................................17</p><p>　　第3章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的搭建...18</p><p>　　3.1光纖聲發(fā)射探測(cè)系統(tǒng)...18</p><p>　　3.2光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng)..

15、..............................................................................18</p><p>　　3.3光纖聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建....................................19</p><p>　　3.3.1激光器..............................

16、.................................................................17 </p><p>　　3.3.2 光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.3.3 數(shù)據(jù)采集22</p><p>　　3.3.4 光纖耦合器23</p><p>　　3.3.5 FC連接器

17、23</p><p>　　3.3.6 Q9接頭24</p><p>　　3.4 本章總結(jié)..................................................................................................24</p><p>　　第4章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究25</p>

18、<p>　　4.1常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)25</p><p>　　4.2脈沖信號(hào)實(shí)驗(yàn)...........27</p><p>　　4.2本章小結(jié)...........30</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p&g

19、t;<p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 選題背景及意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械裝備、工程建筑結(jié)構(gòu)等已經(jīng)向復(fù)雜化、集成化、大型化方向發(fā)展。這些集成化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到大型橋梁,電力部門的大型發(fā)電機(jī)組

20、,航空航天領(lǐng)域的航天飛機(jī)、空間站,核反應(yīng)堆、大型水利工程等環(huán)境中持續(xù)受到各種載荷的作用以及突發(fā)性外在因素的影響,隨著時(shí)間的推移其結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)、強(qiáng)度、變形模量等材料學(xué)與力學(xué)參數(shù)不斷惡化,結(jié)構(gòu)上開始出現(xiàn)疲勞裂縫、螺變、腐燭等缺陷。若這些潛在故障不加以及時(shí)診斷修復(fù)最終將會(huì)使得整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞性失效并且引起災(zāi)難性事故。</p><p>　　聲發(fā)射檢測(cè)是一種對(duì)結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中的缺陷進(jìn)行的無(wú)損

21、檢測(cè)，它是聲發(fā)射技術(shù)的重要部分。當(dāng)然現(xiàn)在聲發(fā)射技術(shù)也有一些缺點(diǎn)，比如說(shuō)它容易受到機(jī)電噪聲的影響；它只能檢測(cè)出聲發(fā)射源的位置、活性、強(qiáng)度等，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)部缺陷的性質(zhì)與大小。在某些特殊的場(chǎng)合，比如說(shuō)大型油罐的在役檢測(cè)，聲發(fā)射檢測(cè)成為唯一可靠的檢測(cè)手段，因此聲發(fā)射技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展迅速成為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，未來(lái)的二十年內(nèi)，隨著人類對(duì)聲發(fā)射源和聲發(fā)射波傳播過(guò)程的更深入認(rèn)識(shí)以及各種強(qiáng)大儀器的問世，聲發(fā)射技術(shù)將會(huì)獲

22、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(cè)結(jié)構(gòu)的變化直接轉(zhuǎn)換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優(yōu)點(diǎn)是精度與分辨率比較高，其主要缺點(diǎn)是：體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測(cè)物體接觸[1]，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)電場(chǎng)環(huán)境下其有效性也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)：本身制作材料是光導(dǎo)纖維,其絕緣性好，因此可用到高電

23、壓、高電磁干擾的環(huán)境中；本身體積小質(zhì)量輕</p><p>　　1.2 傳統(tǒng)聲發(fā)射的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀</p><p>　　聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)是指物體在受到變形或外界作用時(shí)，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的物理現(xiàn)象。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，近來(lái)，其外延已進(jìn)一步擴(kuò)大，比如說(shuō)泄漏聲音、軸承的滑動(dòng)聲音、木材干燥時(shí)產(chǎn)生的聲音、甜瓜莖中的流體的聲音等也都被稱為

24、AE，這些廣義解釋的AE情形較多，而且研究成果也非常多[2]。</p><p>　　AE相應(yīng)的彈性波并不僅局限于可聽聲域，在絕大多數(shù)情況下，其有效頻譜范圍可延展到數(shù)兆赫甚至數(shù)十兆赫頻段。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。AE的源機(jī)制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展(裂紋的傳播)、塑性變形、晶體內(nèi)位錯(cuò)的移動(dòng)和位錯(cuò)在釘扎點(diǎn)上的分離、孿晶邊界的移動(dòng)、復(fù)合材料內(nèi)

25、基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化(包括相變)等。不同的源機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對(duì)應(yīng)不同的AE信號(hào)。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點(diǎn)都是由于外部條件的變化(應(yīng)力、溫度和電磁場(chǎng)等)，引起物體或結(jié)構(gòu)某一局部或某些部分變得不穩(wěn)定并迅速釋放出能量。</p><p>　　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

26、有聲發(fā)射。換句話說(shuō)，只有當(dāng)物體受到了永久性變形或永久性損傷時(shí)才會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。正因?yàn)檫@樣，AE探測(cè)技術(shù)是檢測(cè)材料損傷，特別是早期損傷的有力工具，也是對(duì)材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要方法。</p><p>　　同超聲波探傷的方法相比，用AE法來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，沒有必要給其施加能量，只要設(shè)置幾個(gè)AE探測(cè)器，等待缺陷發(fā)出的波即可。需要的只是設(shè)置AE探測(cè)器作業(yè)，即使從AE探測(cè)器到缺陷之間也有距離。只要波到達(dá)了就有效。根據(jù)AE

27、波到達(dá)的時(shí)間差，可以確定AE發(fā)生源的位置。而超聲波探傷法不同，即使有缺陷，如果不施加外力，就不產(chǎn)生AE，也就不能發(fā)現(xiàn)缺陷。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(diǎn)，而AE法不停止作業(yè)就能發(fā)現(xiàn)缺陷，也就是說(shuō)，AE法有能夠在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，所有無(wú)損檢測(cè)方法的共同目的都是為了發(fā)現(xiàn)缺陷，而AE探測(cè)技術(shù)的核心問題是由接受的信號(hào)反推到聲發(fā)射源的問題，即所謂的“反向源”或“逆源”問題[3

28、]。</p><p>　　聲發(fā)射信號(hào)處理的最終目的是得到對(duì)聲發(fā)射源的描述，其主要內(nèi)容是源的性質(zhì)、源的位置和源的嚴(yán)重性程度。源的嚴(yán)重性程度是對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行的定量評(píng)價(jià)，目前基本上以各種聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)來(lái)加以衡量，如以信號(hào)的幅度、能量和計(jì)數(shù)等來(lái)衡量源的強(qiáng)度，以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的反射頻率和能量釋放速率來(lái)衡量源的活度，或者綜合評(píng)定聲發(fā)射信號(hào)的幅度、能量等參數(shù)隨載荷或時(shí)間的變化等。聲發(fā)射源的定性問題，即確定所測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)是由

29、什么性質(zhì)的源產(chǎn)生的，最直接的方法是在聲發(fā)射檢測(cè)后，對(duì)發(fā)現(xiàn)的聲發(fā)射源部位經(jīng)磁粉、滲透、超聲和射線探傷等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)檢。通過(guò)直接分析識(shí)別聲發(fā)射信號(hào)來(lái)確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，是目前聲發(fā)射檢測(cè)中最難解決的問題，也是研究熱點(diǎn)。迄今為止，人們廣泛采用波形分析技術(shù)、頻譜分析技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)等，均取得了初步成功。</p><p>　　通過(guò)對(duì)探測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理和分析，可以得到被探測(cè)材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)聲發(fā)射源的

30、大量信息。然而，受聲發(fā)射源的自身特性、聲發(fā)射源到換能器的傳播路徑、換能器的特性和聲發(fā)射儀器測(cè)量系統(tǒng)等多種因素的影響，聲發(fā)射換能器輸出的聲發(fā)射電信號(hào)波形十分復(fù)雜，它與真實(shí)的AE源信號(hào)相差很大，有時(shí)甚至面目全非。因此，如何根據(jù)聲發(fā)射換能器輸出的電信號(hào)來(lái)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。目前認(rèn)為地將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射。如果信號(hào)由區(qū)別于背景噪聲的脈沖組成，且在時(shí)間上可以分開，那么就叫突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào);如果信

31、號(hào)的單個(gè)脈沖不可分辨，則叫連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)也是由大量的突發(fā)型信號(hào)組成的，只不過(guò)太密集而不能分辨而已[4]。目前采集和處理聲發(fā)射信號(hào)的方法可分為兩大類。一類是以多個(gè)簡(jiǎn)化的波形特征參數(shù)來(lái)表示聲發(fā)射信號(hào)的特征，然后對(duì)其進(jìn)行分析和處理；另一類為存儲(chǔ)和記錄聲發(fā)射信號(hào)的波形，對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。簡(jiǎn)化波形特征參數(shù)分析法是20世紀(jì)50年代以來(lái)廣泛使用的經(jīng)典聲發(fā)射信號(hào)分析方法，目前在聲發(fā)射檢測(cè)中仍得到廣泛應(yīng)用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢

32、測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲發(fā)射源的判據(jù)均采用簡(jiǎn)化波形特征參數(shù)</p><p>　　聲發(fā)射探測(cè)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)檢測(cè)和分析的特點(diǎn)，從60年代以來(lái)，得到許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)實(shí)用三個(gè)方面做了大量的工作，取得了很大的進(jìn)展。聲發(fā)射理論和技術(shù)研究主要圍繞聲發(fā)射源識(shí)別和聲發(fā)射源評(píng)價(jià)正、反方面的兩個(gè)問題，研究?jī)?nèi)容概括為(1)不同聲發(fā)射源模式或物理機(jī)制的理論與實(shí)驗(yàn)研究；(2)聲發(fā)射波在固體材料中的傳播理論；(3)聲發(fā)射信號(hào)特性

33、與材料微觀力學(xué)特性、斷裂特性之間的關(guān)系；(4)研制多參量、多功能、高速度和實(shí)時(shí)分析的數(shù)字式新型聲發(fā)射檢測(cè)分析儀(包括新型高靈敏度和多用途換能器的研制)；(5)聲發(fā)射信號(hào)處理(如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)聲發(fā)射源特性進(jìn)行模式識(shí)別、模糊綜合評(píng)價(jià)等)的新理論、新方法；(6)聲發(fā)射檢測(cè)、監(jiān)控及評(píng)價(jià)的新方法與標(biāo)準(zhǔn)；(7)聲發(fā)射含義的廣義化與擴(kuò)展新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域；(8)聲發(fā)射技術(shù)用于結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)和可靠性分析等。</p><p&

34、gt;　　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、電力等領(lǐng)域。隨著新一代全數(shù)字化聲發(fā)射儀器和各種功能強(qiáng)大的信號(hào)處理軟件的問世，尤其是隨著人們對(duì)聲發(fā)射源和聲信號(hào)傳播理論研究的更深層次的認(rèn)識(shí)，聲發(fā)射技術(shù)正面臨著一個(gè)全新的更高層次的發(fā)展前景。</p><p>　　如前所述，AE探測(cè)方法的長(zhǎng)處之一是沒有了使用X線時(shí)的那種限制，對(duì)人體無(wú)害。任何人都可以任意地使用，所以，AE探測(cè)技術(shù)被多方面利用。不用

35、說(shuō)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。今后的高技術(shù)社會(huì)安全性的AE探測(cè)技術(shù)，適應(yīng)高齡化社會(huì)的AE探測(cè)技術(shù)、福利社會(huì)所必要的AE探測(cè)技術(shù)是今后發(fā)展的方向。而且，像甜瓜等果物中AE探測(cè)的研究對(duì)豐富今后的社會(huì)生活也會(huì)很重要。從植物的根測(cè)量AE探測(cè)對(duì)沙漠的綠化也有重要的作用。這樣考慮的話，AE探測(cè)技術(shù)對(duì)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(lái)說(shuō)都將越來(lái)越重要[6]。</p

36、><p>　　聲發(fā)射作為一種檢測(cè)技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代的德國(guó)，20世紀(jì)60年代，該技術(shù)在美國(guó)原子能和宇航技術(shù)中迅速興起，并首次應(yīng)用于玻璃鋼固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體檢測(cè)；20世紀(jì)70年代，在日本、歐洲及我國(guó)相繼得到發(fā)展，但因當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)所限，僅獲得有限的應(yīng)用；20世紀(jì)80年代，開始獲得較為正確的評(píng)價(jià)，引起許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量的工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。聲發(fā)射檢驗(yàn)技術(shù)的基本原理是利用

37、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?hào)，然后用電子設(shè)備將電信號(hào)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(guò)分析檢驗(yàn)過(guò)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。如果用多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，還可以確定聲發(fā)射源即缺陷的具體部位[7]。 </p><p>　　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(yàn)

38、頻率提高到100kHz～1MHz，這是聲發(fā)射試驗(yàn)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(yàn)室的材料研究階段走向在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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。隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的出現(xiàn)，20世紀(jì)70年代和80年代初，人們從聲發(fā)射源機(jī)制、波的傳播和聲發(fā)射信號(hào)分析方面開展了廣泛和深入的系統(tǒng)研究[8]。 </p><p>　　20世紀(jì)90年代，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入了全數(shù)字式的第4代，全數(shù)字化AE檢測(cè)系統(tǒng)

39、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(diǎn)，放大后的AE信號(hào)不必再經(jīng)過(guò)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。我國(guó)在聲發(fā)射儀器的研制和生產(chǎn)上起步并不算太晚，已研制和生產(chǎn)了各種雙通道、4通道、8通道和更多通道（32通道）的聲發(fā)射，基本上屬于模擬聲發(fā)射儀器的范疇。國(guó)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(guó)PAC公司的Mistras2001，德國(guó)Vallen公司的AMSY4和美國(guó)數(shù)字波

40、形公司（DWC）的F-4000聲發(fā)射檢測(cè)儀等，其聲發(fā)射特征量全由數(shù)字信號(hào)提供，即聲發(fā)射傳感器的模擬信號(hào)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(bào)（自然科學(xué)版）2006年第5期）字化，由于全部信號(hào)處理是對(duì)離散信號(hào)完成的，系統(tǒng)有很高的信噪比和很寬的動(dòng)態(tài)范圍[9]。</p><p>　　1.3 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感技術(shù)的研究還處于初級(jí)階

41、段，將聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)與光纖布拉格光柵傳感相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的研宄還存在許多瓶頸問題。其中包括：</p><p>　　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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；</p><p>　　光纖聲發(fā)射傳感器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尚未成熟，還需要進(jìn)一步探索，設(shè)計(jì)出適用于復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境的傳感結(jié)構(gòu)；</p><p>　　被測(cè)結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波引起的應(yīng)變一般很小，若要獲

42、取到真實(shí)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。因此，本小節(jié)就針對(duì)上述三個(gè)問題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。</p><p>　　1.3.1 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　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(shí)聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時(shí)呈低應(yīng)變的特征。針對(duì)聲發(fā)射波的傳播特點(diǎn)，研宄聲發(fā)射波作用下光纖布拉格光柵的響應(yīng)特性具

43、有重要旳意義，其中包括研宄聲發(fā)射波的能量、波長(zhǎng)及頻率,光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度等對(duì)檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度及響應(yīng)靈敏度的影響關(guān)系，對(duì)合理設(shè)計(jì)光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng),提高系統(tǒng)獲得有效數(shù)據(jù)的能力具有重要作用。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。為避免外界非均勻應(yīng)力對(duì)檢測(cè)信號(hào)效果的影響,需確定適當(dāng)?shù)墓饫w的柵區(qū)長(zhǎng)度。</p><p>　　2004年，A.Minardoa等人通過(guò)

44、仿真得出結(jié)論,當(dāng)超聲波長(zhǎng)與光纖的柵長(zhǎng)的比值減小時(shí)，光纖反射譜的波長(zhǎng)響應(yīng)靈敏度會(huì)下降，當(dāng)超聲波的能量較高且超聲波的波長(zhǎng)與光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度相等時(shí)，光纖的光譜將發(fā)生明顯的變形[10]。</p><p>　　2005年，N. Takeda等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射波的波長(zhǎng)與光纖的柵長(zhǎng)之比大于7且光譜的反射率調(diào)深度隨之下降，為保證調(diào)制深度大于3dB，超聲波的波長(zhǎng)至少為光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度的1.2倍[11]。</p>&l

45、t;p>　　2007年，.Lee等人也證明光纖對(duì)超聲波的響應(yīng)頻率上限主要取決于光纖的柵區(qū)長(zhǎng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)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(zhǎng)度必須小于超聲波波長(zhǎng)的一半[12]。</p><p>　　進(jìn)行聲發(fā)射波下光纖布拉格光柵的響應(yīng)特性的研究，其根本目的是為設(shè)計(jì)出合理的傳感器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。在整個(gè)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器是首要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器大多釆用壓電

46、式聲發(fā)射傳感器，當(dāng)聲發(fā)射波傳至壓電式傳感器時(shí)，該傳感器將被測(cè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)表面的振動(dòng)位移變化直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于聲波頻率的交變信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)信號(hào)的精度和分辨率高，穩(wěn)定性好。但由于壓電式傳感器體積大、對(duì)制作材料的質(zhì)量要求較高、頻帶較窄且必須與被測(cè)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(chǎng)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，

47、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(zhǎng)解調(diào)，抗干擾性強(qiáng)。因此對(duì)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(duì)聲發(fā)射波的有效檢測(cè)有非常重要的作用。</p><p>　　2006年，J.Lee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(cè)和補(bǔ)償，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的

48、測(cè)量。2007年該團(tuán)隊(duì)提出了一種不受外界應(yīng)力影響、可移動(dòng)式的光纖布拉格光柵超聲波傳感器結(jié)構(gòu)，被測(cè)試件外部載荷變化將不會(huì)影響聲信號(hào)的獲取[13]。</p><p>　　同年，H.Tsuda等人利用可移動(dòng)式光纖傳感器對(duì)不銹鋼板的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2010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(dòng)式光纖聲信號(hào)傳感器，將三種傳感器同時(shí)放置在鋼板上對(duì)蘭姆波進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非直接接觸式結(jié)構(gòu)的傳感

49、器檢測(cè)信號(hào)的噪聲最大，可移動(dòng)式的應(yīng)變傳遞能力比直接粘貼式略低[14]。</p><p>　　目前，光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測(cè)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(jiǎn)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(dòng)式波長(zhǎng)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

50、長(zhǎng)范圍內(nèi)才會(huì)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(cè)到的光強(qiáng)為兩者光譜函數(shù)的卷積。2001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(dòng)信號(hào)的檢測(cè)[15]。</p><p>　　2004年，H.Tsuda等人采用匹配光柵濾波法檢測(cè)到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板上傳播的模擬損傷信號(hào)。</p><p>　　2001年，I.Perez等人搭建了匹

51、配光柵濾波解調(diào)系統(tǒng)用于斷鉛信號(hào)模擬的聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)。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(jiǎn)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(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，且由于使用寬帶光源,該方法的光源利用率低，信號(hào)噪聲較大，同時(shí)由于測(cè)量過(guò)程中需要進(jìn)行光纖波長(zhǎng)匹配，不易實(shí)現(xiàn)多傳感器同時(shí)解調(diào)[16]。</p><p>　　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

52、帶激光的中心波長(zhǎng)設(shè)定在光纖反射譜的3dB帶寬處，通過(guò)光探測(cè)器測(cè)量輸出光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)光纖反射波長(zhǎng)的解調(diào)。2003年，D.C.Betz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(lái)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]。</p><p>　　2006年，H.Tsuda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(cè)。上述可調(diào)窄帶激光解調(diào)系統(tǒng)輸出信號(hào)強(qiáng)度較小，且易受環(huán)境溫度的影響。</p

53、><p>　　2008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(gè)光電探測(cè)器同時(shí)測(cè)量光纖的反射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，兩光強(qiáng)信號(hào)差隨光纖反射波長(zhǎng)呈線性變化，利用該線性關(guān)系進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。該改進(jìn)解調(diào)法不僅提高了檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)信號(hào)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

54、更高的信噪比，且分辨率較高，是一種很可取的方案[18]。</p><p>　　1.3.2 光纖聲發(fā)射技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　2002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(hào)測(cè)量與方向性研究，自2000年以來(lái)，國(guó)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。 </p><p>　　耿榮生等在聲發(fā)射波的特征識(shí)別，定位與聲發(fā)射損傷預(yù)估方

55、面做出了許多成績(jī)。國(guó)內(nèi)外已有研究工作促進(jìn)了光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用和發(fā)展，同時(shí)也引起了幾個(gè)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(hào)的分析和處理[19]。</p><p>　　1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文以光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，針對(duì)目前其在聲發(fā)射波檢測(cè)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

56、幾個(gè)方面的內(nèi)容：</p><p>　　(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(guó)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(shì)。</p><p>　?。?）介紹了傳統(tǒng)聲發(fā)射的檢測(cè)機(jī)理和光纖聲發(fā)射的檢測(cè)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)。</p><p>　　（3）系統(tǒng)搭建

57、完成后，進(jìn)行了三種信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，并獲得相應(yīng)的波譜圖，并對(duì)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(duì)比，得出結(jié)論。</p><p>　　第2章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)</p><p>　　本章主要介紹傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理以及光纖聲發(fā)射的檢測(cè)機(jī)理，對(duì)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(cè)

58、上的原因，通過(guò)公式計(jì)算探討了光纖包層對(duì)檢測(cè)的影響。同時(shí)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(cè)系統(tǒng)選取合適的光纖傳感器提供了依據(jù)。</p><p>　　2.1聲發(fā)射檢測(cè)原理</p><p>　　當(dāng)聲發(fā)射傳感器附著到所測(cè)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(hào)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以波的形式在材料中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料表面時(shí)聲發(fā)射波引起材料表面的振動(dòng)

59、，此時(shí)波的能量轉(zhuǎn)換成材料的振動(dòng)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(dòng)，然后將材料的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)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(hào)的有用信息，并以此來(lái)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(hào)的發(fā)展趨勢(shì)。目前聲發(fā)射檢測(cè)是一種比較有效的檢測(cè)材料收到應(yīng)力作用時(shí)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化的方法[20]。聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)原理圖&l

60、t;/p><p>　　聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)到的彈性波變換成電信號(hào)。一般使用壓電式AE傳感器，將mm的波動(dòng)振幅變換為約V的電壓信號(hào)。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(cè)絕對(duì)位移量，是由美國(guó)NIST (National Institute of Standards and Technology)開發(fā)的，該傳感器是基于電

61、容器容量與電極板間隔成比例而設(shè)計(jì)的，在對(duì)理論波形的確認(rèn)以及對(duì)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(cè)量中難以廣泛應(yīng)用。探頭輸出信號(hào)(一般為電壓量)的AE波通過(guò)放大器放大，以及通過(guò)濾波器抑制噪聲，為了使AE信號(hào)不變形，而且不易受噪聲信號(hào)的影響，一般在AE探頭附近設(shè)置前置放大器。一般AE測(cè)量中前置放大器與主放大器的總增益為</p><p>　　60dB~100dB。使用

62、濾波器的目的是為了除去噪聲[21]。</p><p>　　從圖2-1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(shí)獲得材料內(nèi)部產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。只要對(duì)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(shì)以及下一步需要釆取的針對(duì)性防范措施。</p><p>　　不同的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)外觀可能不同,但是檢測(cè)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(lái)接收聲發(fā)射

63、信號(hào)；傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)非常微弱,極易受到其它信號(hào)的干擾,前置放大器用來(lái)對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大,提高電信號(hào)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(cè)系統(tǒng)中帶有主放,主放是對(duì)前放信號(hào)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(hào)并進(jìn)行處理。有的系統(tǒng)前放跟主放之間還附帶一個(gè)帶通濾波器,根據(jù)所測(cè)材料發(fā)生的聲發(fā)射信號(hào)的頻率來(lái)選擇合適的頻率窗口,對(duì)夾雜在聲發(fā)射信號(hào)中的噪聲起過(guò)濾作用[22]。</p><p&g

64、t;　　2.2 光纖聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理</p><p>　　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(cè)AE 波對(duì)光進(jìn)行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì)( 如，強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、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(cè)參數(shù)。</p><p>　　圖2-2光纖聲發(fā)射檢測(cè)原理圖</p><p>　　2.2.1光纖傳感器的光彈

65、效應(yīng)</p><p>　　眾所周知，在光學(xué)各向同性媒質(zhì)中，由于光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致媒質(zhì)的光學(xué)各向異性.當(dāng)外力作用于光纖時(shí)，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)力分量與沿方向的折射率、之間的關(guān)系可以表示如下：</p><p>　　這里和分別是有和沒有壓力作用時(shí)的折射率；表示光纖芯中心附近的，沿方向的主應(yīng)力；和分別表示定向光彈常數(shù)和橫向光彈常數(shù)。相對(duì)光彈常數(shù)

66、可定義為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　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]。</p><p>　　此外，由于光纖的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于光源光波的波長(zhǎng)，因此可將光纖看成是圓盤而對(duì)其作平面應(yīng)力近似，如圖2-2所示。在這種沿軸的均勻分布

67、的外部壓力作用于光纖的情況下，在纖芯中主應(yīng)力的分量和的關(guān)系可近似表示為：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　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：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式2-4可知，圖2-3所示的模

68、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： </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　這里，和分別表示模在:軸和Y軸方向的相位常數(shù)；是埋入內(nèi)部的長(zhǎng)度為z。的光纖與超聲相互作用的有效長(zhǎng)度；由于光纖敏感段中反射信號(hào)兩次通過(guò)相互作用區(qū)域，因此，真

69、實(shí)相互作用的有效長(zhǎng)度為。由測(cè)量可知光彈系數(shù)C。</p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，；</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，；</b></p><p><b>　　而時(shí)，。</b></p><p>　　圖2-2 壓力波作用于光纖的等效體系示意圖</p><

70、;p>　　圖2-3 主應(yīng)力和相應(yīng)于模的兩個(gè)正交偏振面的方向</p><p>　　2.2.2光纖包層的影響</p><p>　　對(duì)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2-4所示的混凝土基體。</p><p>　　圖2-4 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)</p><p>　　圖2-5埋入式帶

71、有包層的傳感光纖的簡(jiǎn)化模型</p><p>　　光纖對(duì)聲波的響應(yīng)主要取決于光纖的徑向應(yīng)變和慣性作用，慣性作用即由于有軟包層，外部激勵(lì)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(duì)于這種不敏感性，下面給出一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)也抑制了高頻響應(yīng)。&l

72、t;/p><p>　　由上可知，在使用光纖進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于光彈效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致媒質(zhì)的光學(xué)各向異性.當(dāng)外力作用于光纖時(shí)，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(duì)輸出光的光強(qiáng)會(huì)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(guò)信號(hào)采集卡的采集與放大即可達(dá)到檢測(cè)目的，從而取代諧振式壓電探頭，進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。</p><p>　　2.3 光纖傳感器的解調(diào)方式</

73、p><p>　　2.3.1 光纖Michelson傳感器的解調(diào)方式</p><p>　　光纖Michelson 傳感器原理如圖2-6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(lái)進(jìn)行測(cè)量。光源是由 LD 激光器來(lái)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]。</p><p>　　圖2-6光纖邁克爾遜

74、傳感器原理圖</p><p>　　由圖3-3我們可以看出，光纖出射端面反射的光的強(qiáng)度在兩個(gè)傳感臂中分別用和表示；經(jīng)過(guò)測(cè)量物表面反射回來(lái)的光強(qiáng)用和表示。那么這四束反射光再由3dB耦合器后就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，且輸出光強(qiáng)可用下式表示:</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　和則分別表示和到達(dá)檢測(cè)裝置時(shí)的位相，而和則分別表示

75、和到達(dá)檢測(cè)裝置時(shí)的位相。而在式(3-1)中，4束光的相干項(xiàng)則表示成:</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　因?yàn)?dB耦合器的使用，則相當(dāng)于，通過(guò)調(diào)節(jié)，從而可以使兩臂的位相差，則；并且，當(dāng)時(shí)，通過(guò)證明可以得到、，那么探測(cè)光強(qiáng)就可寫成:</p><p><b>　?。?-7）</b></p

76、><p>　　在基于干涉原理的檢測(cè)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(cè)的是光強(qiáng)。有兩部分構(gòu)成：一部分來(lái)自試件本身的機(jī)械振動(dòng)，另一部分來(lái)自材料傳播的信號(hào)，而則取決于試件自身的機(jī)械振動(dòng)，因此所包含的信息就只是由傳播的材料來(lái)決定的。</p><p>　　如果試件中發(fā)生頻率是，幅值是的聲波，則可表示成：</p><p><b>　　（2-8）<

77、/b></p><p>　　那么，當(dāng)已知時(shí)，式（3-1）可表示為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中，是一常數(shù)，受信號(hào)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(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理研究就能夠得到所檢測(cè)信號(hào)頻率的性質(zhì)。</p><p>　　2.3.2 光纖Fizea

78、u傳感器的解調(diào)方式</p><p>　　光纖Fizeau傳感器的原理如圖2-8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(gè)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(lái)的激光經(jīng)過(guò)傳感臂在1和2兩個(gè)端點(diǎn)發(fā)生反射，在1時(shí)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(cè)聲波信號(hào)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(hào)。這樣由1和2處反射回來(lái)的

79、光就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，并最終經(jīng)過(guò)3dB光纖耦合器被光電探測(cè)器所接收到[17]。 </p><p>　　圖2-8光纖Fizeau檢測(cè)原理圖</p><p>　　如圖2-8所示，進(jìn)入到光纖中的光強(qiáng)設(shè)為，再經(jīng)由3dB耦合器來(lái)分為兩束光，那么就能夠用來(lái)表示兩個(gè)傳感臂的出射光強(qiáng)，其中為3dB藕合器的插入損耗參量。若用L代表傳感臂光纖的長(zhǎng)度，則在第一個(gè)傳感臂的出射端，有的光被反射，有的被透射。若在光纖端

80、面處，其反射率為，則到達(dá)PD后的光強(qiáng)為:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　其中，為激光器進(jìn)入到光纖中光波的振幅；是光波波數(shù)；是光波波長(zhǎng)；是光纖芯的折射率。探測(cè)用的光纖被聲波信號(hào)所作用，在不將折射率變化對(duì)光波相位影響計(jì)算在內(nèi)時(shí)，則只會(huì)引起光纖長(zhǎng)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(guò)對(duì)信號(hào)的采集與處理，這樣即可實(shí)現(xiàn)聲

81、波信號(hào)的檢測(cè)。</p><p>　　用于聲發(fā)射檢測(cè)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。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　在這一章中，首先，簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)中光纖的選擇，詳細(xì)地討論了聲波與光纖

82、相互作用產(chǎn)生的光彈效應(yīng)，闡述了光纖包層對(duì)聲波與光纖相互作用的影響。</p><p>　　第3章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的搭建</p><p>　　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(lái)檢測(cè)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(gè)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(dòng)導(dǎo)致鋼板中有聲波的傳播。在實(shí)驗(yàn)

83、的過(guò)程中，先后對(duì)AE信號(hào)、摩擦、敲擊這些逐漸增強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　3.1 光纖聲發(fā)射探測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，探測(cè)系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。其中探測(cè)系統(tǒng)中運(yùn)用到的精確測(cè)量波長(zhǎng)漂移技術(shù)。常見的探測(cè)系統(tǒng)有：基于線性邊帶濾波器的探測(cè)系統(tǒng)、基于光譜儀的探測(cè)系統(tǒng)、基于可調(diào)聲光濾波器的探測(cè)系統(tǒng)、基于WDM光纖耦合器的探測(cè)

84、系統(tǒng)、基于可調(diào)光纖（Fabry-Perot）的濾波器的探測(cè)系統(tǒng)等。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)采用的是基于光譜的探測(cè)系統(tǒng)?；静捎霉怆娤到y(tǒng)作為光譜接收、探測(cè)系統(tǒng)裝置：一個(gè)或者多個(gè)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(hào)后經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化的譜線。應(yīng)用到光電探測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)大了能夠檢測(cè)的工作光譜范圍，提高了測(cè)量的精度、靈敏度和速度。</

85、p><p>　　利用干涉原理測(cè)量光程之差從而測(cè)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(huì)非常靈敏地導(dǎo)致干涉條紋的移動(dòng)，而某一束相干光的光程變化是由它所通過(guò)的幾何路程或介質(zhì)折射率的變化引起，所以通過(guò)干涉條紋的移動(dòng)變化可測(cè)量幾何長(zhǎng)度或折射率的微小改變量，從而測(cè)得與此有關(guān)的其他物理量。測(cè)量精度決定于測(cè)量光程差的精度，干涉條紋每移動(dòng)一個(gè)條紋間距，光程差就改變一個(gè)波長(zhǎng)，所以干涉儀是以光波波長(zhǎng)為單位測(cè)量光程差的，其測(cè)

86、量精度之高是任何其他測(cè)量方法所無(wú)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(cè)方法也與其類似。</p><p><b>　　光纖聲發(fā)射解調(diào)系統(tǒng)</b></p><p>　　Sagnac光纖聲發(fā)射傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測(cè)和信號(hào)處理兩個(gè)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(zhǎng)調(diào)制型傳感器，被測(cè)信息引起激光波長(zhǎng)的移動(dòng)，其被測(cè)信息

87、轉(zhuǎn)化為特征波長(zhǎng)的移動(dòng)。要獲得原來(lái)的被測(cè)量，就需要從測(cè)得的光信號(hào)中檢測(cè)出光波的漂移。信號(hào)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(shí)、準(zhǔn)確的提取信號(hào)幅值的大小并無(wú)是真的在線被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化過(guò)程。因此，光纖Sagnac解調(diào)系統(tǒng)的檢測(cè)精度也往往決定著整個(gè)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(duì)應(yīng)的檢測(cè)就是光的強(qiáng)度檢測(cè)、相位檢測(cè)、頻率檢測(cè)、偏振態(tài)檢測(cè)等。目前用于波長(zhǎng)解調(diào)有很多種方法，如濾波法、干涉法、光柵色散

88、法、可調(diào)諧窄帶激光器掃描法等。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的是窄帶激光器匹配法解調(diào)。</p><p>　　3.3 光纖聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建</p><p>　　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(cè)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(gè)光接收模塊,兩束輸出光在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理得到待

89、測(cè)量。本系統(tǒng)由光纖實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的傳感和測(cè)量,在被測(cè)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(hào)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。</p><p>　　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(hào)放大模塊，信號(hào)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3-1所示，</p><p>　　圖 3-1 光纖聲發(fā)射傳感

90、系統(tǒng)圖</p><p>　　光纖聲發(fā)射系統(tǒng)的搭建，如圖3-2所示</p><p>　　圖 3-2光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)</p><p><b>　　3.3.1激光器</b></p><p>　　光源為1550nm窄線寬同軸激光光源，型號(hào)69ST-LDC-DFB-1310-A-FC-APC，這種激光光源具有體積小，穩(wěn)定性好，發(fā)

91、熱量低，造價(jià)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。</p><p>　　圖3-3 激光光源電路圖</p><p>　　圖3-4 同軸激光光源及供電器</p><p>　　3.3.2 光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　光電探測(cè)器型號(hào)為69ST-PDC-300-FC/PC，光電探測(cè)器能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電

92、信號(hào)。是整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中不可或缺的重要部分，如圖3-5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(shí)，當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)會(huì)形成光電流，光強(qiáng)度越大，光電流越大。因此，最終通過(guò)電阻、放大器等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。</p><p>　　圖3-5 結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　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3-6

93、所示，</p><p>　　圖3-6 光電轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　通過(guò)測(cè)定得到其相應(yīng)的功能特性曲線</p><p><b>　　圖3-7 特性曲線</b></p><p>　　3.3.3 數(shù)據(jù)采集</p><p>　　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

94、，實(shí)時(shí)采樣率為100MS/s，上升時(shí)間≤17.5ns，為單通道，輸入阻抗為1MΩ±2%，與20pF±3pF 并聯(lián)，探頭衰減系數(shù)為1X，10X，100X，1000X，最大輸入電壓為400V（PK-PK）CAT Ⅱ</p><p>　　圖3-8（a）示波器</p><p>　　圖3-8（b）示波器軟件</p><p>　　3.3.4 光纖耦合器

95、 </p><p>　　單模光纖耦合器：其型號(hào)為WBC-1，光纖耦合器是光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動(dòng))連接的器件，它是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來(lái)，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(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小。對(duì)于波導(dǎo)式光纖耦合

96、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(hào)可用它加以等分。</p><p>　　圖3-9 光纖耦合器</p><p>　　3.3.5 FC連接器 </p><p>　　Fc連接器：由日本NTT研制，F(xiàn)C是Ferrule Connector的縮寫，表明其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。最早，F(xiàn)C類型的連接器，采用的陶瓷插針的對(duì)接端面是平面

97、接觸方式（FC）。此類連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作容易，但光纖端面對(duì)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(lái)對(duì)該類型連接器做了改進(jìn)，采用對(duì)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。</p><p><b>　　Q9的接頭</b></p><p>　　圖3-10 Q9接頭</p>

98、;<p><b>　　3.4 本章總結(jié)</b></p><p>　　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(cè)的理論基礎(chǔ)上，詳細(xì)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(cè)系統(tǒng)，將必要的硬件和軟件設(shè)備進(jìn)行連接，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。</p><p>　　第4章 光纖聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　

99、本章對(duì)鍍膜反射率分別為30%，50%，70%，90%的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(cè)效果越好。本章搭建了一套光纖傳感系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)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)，在本章實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，先對(duì)斷鉛信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后與光纖傳感器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。</p><p><b>　　常規(guī)聲發(fā)射信號(hào)實(shí)驗(yàn)</b></p>

100、<p>　　我們以12mm厚鋼板為聲發(fā)射信號(hào)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(jìn)行斷鉛、摩擦、敲擊實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用光纖聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　圖4-1常規(guī)聲發(fā)射信號(hào)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　斷鉛、摩擦、敲擊實(shí)驗(yàn)分別采集的電壓圖如下圖4-2、圖4-3、圖4-4所示.</p><p>

101、;　　圖4-2 斷鉛信號(hào)電壓波形圖</p><p>　　圖4-3摩擦信號(hào)電壓波形圖</p><p>　　圖4-4敲擊信號(hào)電壓波形圖</p><p>　　通過(guò)對(duì)斷鉛、摩擦和敲擊實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，確定光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)能夠接收到以上三種聲源所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，從電壓波形圖中可以發(fā)現(xiàn)斷鉛信號(hào)具有突發(fā)性，波形信號(hào)能量、振幅較大，摩擦信號(hào)具有連續(xù)性，能量、振幅較為平均

102、，敲擊信號(hào)能量、振幅有波動(dòng)不穩(wěn)定，高低幅值相間。這與傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)以上三種信號(hào)的分析相一致，從而驗(yàn)證了光纖聲發(fā)射系統(tǒng)具有一定的可行性。</p><p>　　對(duì)斷鉛、摩擦和敲擊聲發(fā)射信號(hào)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到的相應(yīng)頻譜圖如下4-5、4-6、4-7所示。</p><p>　　圖4-5斷鉛信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　圖4-6 摩擦信號(hào)的頻譜圖</p>

103、;<p>　　圖4-7 敲擊信號(hào)的頻譜圖</p><p>　　通過(guò)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(hào)的響應(yīng)頻率分別為100kHz、80kHz、150kHz，而實(shí)際對(duì)應(yīng)信號(hào)的的頻率范圍在80-130kHz,70-90kHz,130-160kHz。所得響應(yīng)頻率均在對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，與信號(hào)的固有頻率相接近，說(shuō)明光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)是可行的。</p>

104、<p>　　4.2 脈沖激勵(lì)源信號(hào)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　應(yīng)用脈沖激勵(lì)源發(fā)出穩(wěn)定脈沖信號(hào)，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(jìn)行信號(hào)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將傳統(tǒng)壓電傳感器和光纖傳感器固定于12mm鋼板表面，相距30cm，在兩傳感器中心應(yīng)用激勵(lì)源進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)。脈沖激勵(lì)源發(fā)出信號(hào)的能量為100dB，頻率分別為100KHz、150KHz</p><p>

105、;　　和200KHz。對(duì)傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)和光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號(hào)分別進(jìn)行頻譜分析。</p><p>　　圖4-8 脈沖信號(hào)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　應(yīng)用光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號(hào)的頻譜圖如下 4-9、4-10、4-11所示。</p><p>　　應(yīng)用傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號(hào)的頻譜圖如下 4-12、4-13、4-14所示。</p><p>　　圖4-

106、9 固有頻率為100KHz</p><p>　　圖4-10 固有頻率為150KHz</p><p>　　圖4-11 固有頻率為200KHz</p><p>　　圖4-12 固有頻率為100KHz</p><p>　　圖4-13固有頻率為150Hz</p><p>　　圖4-14 固有頻率為200KHz&l