光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

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，受電磁干擾比較嚴重，在強電場、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、不必與被測物體接觸、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點

2、。因此，光纖聲發(fā)射檢測技術(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)成和測量原理，建立標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射采集系統(tǒng)并進行室內(nèi)實驗。完成對三個聲源信號：斷鉛信號、摩擦信號和敲擊信號的采集測試，以及激勵源的脈沖信號分析。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)相比，新型光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)具有整體簡單，操作簡易，設(shè)備體積小，獲得測量信號更貼近真實信號等優(yōu)點。<

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射 ；光纖聲發(fā)射檢測；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)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.1 光纖聲發(fā)射技術(shù)國外研究現(xiàn)狀.......

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

11、.....................................5</p><p>　　第2章光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)理論基礎(chǔ)7</p><p>　　2.1聲發(fā)射檢測的基本原理7</p><p>　　2.2光纖聲發(fā)射檢測的基本原理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)射檢測系統(tǒng)的搭建...18</p><p>　　3.1光纖聲發(fā)射探測系統(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)射檢測實驗平臺的搭建....................................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)射檢測實驗研究25</p>

18、<p>　　4.1常規(guī)聲發(fā)射實驗25</p><p>　　4.2脈沖信號實驗...........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)電機組

20、,航空航天領(lǐng)域的航天飛機、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,隨著時間的推移其結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)、強度、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診斷修復(fù)最終將會使得整個結(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)射檢測是一種對結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的潛在缺陷或者處在運動變化過程中的缺陷進行的無損

21、檢測，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，比如說它容易受到機電噪聲的影響；它只能檢測出聲發(fā)射源的位置、活性、強度等，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識以及各種強大儀器的問世，聲發(fā)射技術(shù)將會獲

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)點是精度與分辨率比較高，其主要缺點是：體積大、對制作材料的質(zhì)量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸[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，在強電場環(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：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，簡稱AE)是指物體在受到變形或外界作用時，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)域的擴大，近來，其外延已進一步擴大，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

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的源機制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴展(裂紋的傳播)、塑性變形、晶體內(nèi)位錯的移動和位錯在釘扎點上的分離、孿晶邊界的移動、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。不同的源機制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的AE信號。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點都是由于外部條件的變化(應(yīng)力、溫度和電磁場等)，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是正在擴展的材料缺陷(裂紋)的指示器，沒有擴展，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，只有當(dāng)物體受到了永久性變形或永久性損傷時才會產(chǎn)生聲發(fā)射。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)進行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。</p><p>　　同超聲波探傷的方法相比，用AE法來發(fā)現(xiàn)缺陷時，沒有必要給其施加能量，只要設(shè)置幾個AE探測器，等待缺陷發(fā)出的波即可。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。只要波到達了就有效。根據(jù)AE

27、波到達的時間差，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

28、]。</p><p>　　聲發(fā)射信號處理的最終目的是得到對聲發(fā)射源的描述，其主要內(nèi)容是源的性質(zhì)、源的位置和源的嚴重性程度。源的嚴重性程度是對聲發(fā)射源進行的定量評價，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)等來衡量源的強度，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。聲發(fā)射源的定性問題，即確定所測得的聲發(fā)射信號是由

29、什么性質(zhì)的源產(chǎn)生的，最直接的方法是在聲發(fā)射檢測后，對發(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)無損檢測方法進行復(fù)檢。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。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)模式識別技術(shù)等，均取得了初步成功。</p><p>　　通過對探測到的聲發(fā)射信號進行處理和分析，可以得到被探測材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)聲發(fā)射源的

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)射電信號波形十分復(fù)雜，它與真實的AE源信號相差很大，有時甚至面目全非。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。目前認為地將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型聲發(fā)射。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;如果信

31、號的單個脈沖不可分辨，則叫連續(xù)型聲發(fā)射信號。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]。目前采集和處理聲發(fā)射信號的方法可分為兩大類。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，對波形進行頻譜分析。簡化波形特征參數(shù)分析法是20世紀50年代以來廣泛使用的經(jīng)典聲發(fā)射信號分析方法，目前在聲發(fā)射檢測中仍得到廣泛應(yīng)用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢

32、測標(biāo)準(zhǔn)對聲發(fā)射源的判據(jù)均采用簡化波形特征參數(shù)</p><p>　　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，取得了很大的進展。聲發(fā)射理論和技術(shù)研究主要圍繞聲發(fā)射源識別和聲發(fā)射源評價正、反方面的兩個問題，研究內(nèi)容概括為(1)不同聲發(fā)射源模式或物理機制的理論與實驗研究；(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、高速度和實時分析的數(shù)字式新型聲發(fā)射檢測分析儀(包括新型高靈敏度和多用途換能器的研制)；(5)聲發(fā)射信號處理(如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對聲發(fā)射源特性進行模式識別、模糊綜合評價等)的新理論、新方法；(6)聲發(fā)射檢測、監(jiān)控及評價的新方法與標(biāo)準(zhǔn)；(7)聲發(fā)射含義的廣義化與擴展新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域；(8)聲發(fā)射技術(shù)用于結(jié)構(gòu)完整性評價的經(jīng)濟和可靠性分析等。</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大的信號處理軟件的問世，尤其是隨著人們對聲發(fā)射源和聲信號傳播理論研究的更深層次的認識，聲發(fā)射技術(shù)正面臨著一個全新的更高層次的發(fā)展前景。</p><p>　　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。任何人都可以任意地使用，所以，AE探測技術(shù)被多方面利用。不用

35、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。今后的高技術(shù)社會安全性的AE探測技術(shù)，適應(yīng)高齡化社會的AE探測技術(shù)、福利社會所必要的AE探測技術(shù)是今后發(fā)展的方向。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。從植物的根測量AE探測對沙漠的綠化也有重要的作用。這樣考慮的話，AE探測技術(shù)對于改善今后的嚴酷的地球環(huán)境、支持豐富的21世紀來說都將越來越重要[6]。</p

36、><p>　　聲發(fā)射作為一種檢測技術(shù)起步于20世紀50年代的德國，20世紀60年代，該技術(shù)在美國原子能和宇航技術(shù)中迅速興起，并首次應(yīng)用于玻璃鋼固體發(fā)動機殼體檢測；20世紀70年代，在日本、歐洲及我國相繼得到發(fā)展，但因當(dāng)時的技術(shù)和經(jīng)驗所限，僅獲得有限的應(yīng)用；20世紀80年代，開始獲得較為正確的評價，引起許多發(fā)達國家的重視，在理論研究、實驗研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量的工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M展。聲發(fā)射檢驗技術(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?，然后用電子設(shè)備將電信號進行放大和處理，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。如果用多通道聲發(fā)射檢測系統(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

38、頻率提高到100kHz～1MHz，這是聲發(fā)射試驗技術(shù)的重大進展，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。隨著現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的出現(xiàn)，20世紀70年代和80年代初，人們從聲發(fā)射源機制、波的傳播和聲發(fā)射信號分析方面開展了廣泛和深入的系統(tǒng)研究[8]。 </p><p>　　20世紀90年代，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進入了全數(shù)字式的第4代，全數(shù)字化AE檢測系統(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，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，而是直接進行高速A/D轉(zhuǎn)換，提取相應(yīng)特征量。我國在聲發(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Mistras2001，德國Vallen公司的AMSY4和美國數(shù)字波

40、形公司（DWC）的F-4000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）2006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]。</p><p>　　1.3 光纖聲發(fā)射技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感技術(shù)的研究還處于初級階

41、段，將聲發(fā)射檢測技術(shù)與光纖布拉格光柵傳感相結(jié)合進行結(jié)構(gòu)損傷檢測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，缺乏理論和實驗驗證；</p><p>　　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)；</p><p>　　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

42、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。因此，本小節(jié)就針對上述三個問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行介紹和分析。</p><p>　　1.3.1 光纖聲發(fā)射技術(shù)國外研究現(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,同時聲發(fā)射波在材料中傳導(dǎo)時呈低應(yīng)變的特征。針對聲發(fā)射波的傳播特點，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、波長及頻率,光纖的柵區(qū)長度等對檢測信號的強度及響應(yīng)靈敏度的影響關(guān)系，對合理設(shè)計光纖布拉格光柵聲發(fā)射檢測系統(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)力對檢測信號效果的影響,需確定適當(dāng)?shù)墓饫w的柵區(qū)長度。</p><p>　　2004年，A.Minardoa等人通過

44、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]。</p><p>　　2005年，N. Takeda等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射波的波長與光纖的柵長之比大于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，超聲波的波長至少為光纖的柵區(qū)長度的1.2倍[11]。</p>&l

45、t;p>　　2007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]。</p><p>　　進行聲發(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)計出合理的傳感器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。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)。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，該傳感器將被測結(jié)構(gòu)相應(yīng)表面的振動位移變化直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于聲波頻率的交變信號。它的優(yōu)點是檢測信號的精度和分辨率高，穩(wěn)定性好。但由于壓電式傳感器體積大、對制作材料的質(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：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；采用波長解調(diào)，抗干擾性強。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。</p><p>　　2006年，J.Lee等人提出了一種毛細管型光纖布拉格光柵傳感器，可用于溫度檢測和補償，同時可實現(xiàn)聲信號的

48、測量。2007年該團隊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]。</p><p>　　同年，H.Tsuda等人利用可移動式光纖傳感器對不銹鋼板的疲勞損傷進行監(jiān)測。2010年，該團隊構(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行檢測，實驗結(jié)果表明非直接接觸式結(jié)構(gòu)的傳感

49、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]。</p><p>　　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

50、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，也就是檢測到的光強為兩者光譜函數(shù)的卷積。2001年，N. Takahashi等人使用匹配光柵濾波法實現(xiàn)了數(shù)十KHz振動信號的檢測[15]。</p><p>　　2004年，H.Tsuda等人采用匹配光柵濾波法檢測到碳纖維增強復(fù)合板上傳播的模擬損傷信號。</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，即結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實現(xiàn)容易。但是該方法只能實現(xiàn)在較小的變化范圍內(nèi)對被測信號進行檢測，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行光纖波長匹配，不易實現(xiàn)多傳感器同時解調(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實現(xiàn)光纖反射波長的解調(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，后來該團隊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和透射光強，兩光強信號差隨光纖反射波長呈線性變化，利用該線性關(guān)系進行聲發(fā)射檢測。該改進解調(diào)法不僅提高了檢測信號強度，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

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行了斷鉛聲發(fā)射信號測量與方向性研究，自2000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。 </p><p>　　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

55、面做出了許多成績。國內(nèi)外已有研究工作促進了光纖光柵聲發(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，聲發(fā)射波信號的分析和處理[19]。</p><p>　　1.4本課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　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行了理論及應(yīng)用性研宄,主要研宄以下

56、幾個方面的內(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內(nèi)外研究進展及水平；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。</p><p>　?。?）介紹了傳統(tǒng)聲發(fā)射的檢測機理和光纖聲發(fā)射的檢測機理，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>　?。?）系統(tǒng)搭建

57、完成后，進行了三種信號的實驗，并獲得相應(yīng)的波譜圖，并對波譜圖進行分析，與傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進行對比，得出結(jié)論。</p><p>　　第2章 光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)理論基礎(chǔ)</p><p>　　本章主要介紹傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測機理以及光纖聲發(fā)射的檢測機理，對光彈效應(yīng)進行了闡述，分析光纖能夠應(yīng)用于聲發(fā)射檢測

58、上的原因，通過公式計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)。</p><p>　　2.1聲發(fā)射檢測原理</p><p>　　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_材料表面時聲發(fā)射波引起材料表面的振動

59、，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2-1所示</p><p>　　圖2-1傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測原理圖&l

60、t;/p><p>　　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mm的波動振幅變換為約V的電壓信號。另外AE傳感器還有靜電容型位移計及光纖傳感器等。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

61、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以及對AE傳感器的靈敏度進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。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</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。</p><p>　　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

63、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行放大,提高電信號的信噪比,順便實現(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一步放大,這樣才能讓數(shù)據(jù)采集卡接受到電信號并進行處理。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]。</p><p&g

64、t;　　2.2 光纖聲發(fā)射檢測的基本原理</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AE 波對光進行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì)( 如，強度、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)。</p><p>　　圖2-2光纖聲發(fā)射檢測原理圖</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，由于光纖的長度遠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）</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

69、實相互作用的有效長度為。由測量可知光彈系數(shù)C。</p><p><b>　　當(dāng)時，；</b></p><p><b>　　當(dāng)時，；</b></p><p><b>　　而時，。</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)于模的兩個正交偏振面的方向</p><p>　　2.2.2光纖包層的影響</p><p>　　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化模型</p><p>　　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)。&l

72、t;/p><p>　　由上可知，在使用光纖進行檢測時，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會產(chǎn)生影響，將輸出光與標(biāo)準(zhǔn)入射光進行干涉，再經(jīng)過信號采集卡的采集與放大即可達到檢測目的，從而取代諧振式壓電探頭，進行聲發(fā)射檢測。</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進行測量。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]。</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度在兩個傳感臂中分別用和表示；經(jīng)過測量物表面反射回來的光強用和表示。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，且輸出光強可用下式表示:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　和則分別表示和到達檢測裝置時的位相，而和則分別表示

75、和到達檢測裝置時的位相。而在式(3-1)中，4束光的相干項則表示成:</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　因為3dB耦合器的使用，則相當(dāng)于，通過調(diào)節(jié)，從而可以使兩臂的位相差，則；并且，當(dāng)時，通過證明可以得到、，那么探測光強就可寫成:</p><p><b>　　（2-7）</b></p

76、><p>　　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，即我們要在實驗中檢測的是光強。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，而則取決于試件自身的機械振動，因此所包含的信息就只是由傳播的材料來決定的。</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>　?。?-8）<

77、/b></p><p>　　那么，當(dāng)已知時，式（3-1）可表示為：</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p>　　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行處理研究就能夠得到所檢測信號頻率的性質(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。外界的待測聲波信號作用于傳感臂，使端點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

79、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]。 </p><p>　　圖2-8光纖Fizeau檢測原理圖</p><p>　　如圖2-8所示，進入到光纖中的光強設(shè)為，再經(jīng)由3dB耦合器來分為兩束光，那么就能夠用來表示兩個傳感臂的出射光強，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

80、面處，其反射率為，則到達PD后的光強為:</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　其中，為激光器進入到光纖中光波的振幅；是光波波數(shù)；是光波波長；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。再通過對信號的采集與處理，這樣即可實現(xiàn)聲

81、波信號的檢測。</p><p>　　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。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，簡述了傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測的機理。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。在實驗

83、的過程中，先后對AE信號、摩擦、敲擊這些逐漸增強的信號進行檢測，進而與傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測進行對比。</p><p>　　3.1 光纖聲發(fā)射探測系統(tǒng)</p><p>　　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

84、系統(tǒng)、基于可調(diào)光纖（Fabry-Perot）的濾波器的探測系統(tǒng)等。</p><p>　　本次實驗采用的是基于光譜的探測系統(tǒng)。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。應(yīng)用到光電探測系統(tǒng)擴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。</

85、p><p>　　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

86、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。</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，被測信息引起激光波長的移動，其被測信息

87、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

88、法、可調(diào)諧窄帶激光器掃描法等。本次實驗過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)射檢測實驗平臺的搭建</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

89、測量。本系統(tǒng)由光纖實現(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。</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。</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</p><p>　　光電探測器型號為69ST-PDC-300-FC/PC，光電探測器能把光信號轉(zhuǎn)換為電

92、信號。是整套實驗系統(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，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。</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>　　通過測定得到其相應(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、，實時采樣率為100MS/s，上升時間≤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：其型號為WBC-1，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。對于波導(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接端面是平面

97、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，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。</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。</p><p>　　第4章 光纖聲發(fā)射檢測實驗研究</p><p>　　

99、本章對鍍膜反射率分別為30%，50%，70%，90%的傳感器進行實驗。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。本章搭建了一套光纖傳感系統(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)，在本章實驗的過程中，先對斷鉛信號進行檢測，然后與光纖傳感器進行對比實驗。</p><p><b>　　常規(guī)聲發(fā)射信號實驗</b></p>

100、<p>　　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。</p><p>　　圖4-1常規(guī)聲發(fā)射信號實驗</p><p>　　斷鉛、摩擦、敲擊實驗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 斷鉛信號電壓波形圖</p><p>　　圖4-3摩擦信號電壓波形圖</p><p>　　圖4-4敲擊信號電壓波形圖</p><p>　　通過對斷鉛、摩擦和敲擊實驗采集的信號進行分析，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，從電壓波形圖中可以發(fā)現(xiàn)斷鉛信號具有突發(fā)性，波形信號能量、振幅較大，摩擦信號具有連續(xù)性，能量、振幅較為平均

102、，敲擊信號能量、振幅有波動不穩(wěn)定，高低幅值相間。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。</p><p>　　對斷鉛、摩擦和敲擊聲發(fā)射信號采集數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得到的相應(yīng)頻譜圖如下4-5、4-6、4-7所示。</p><p>　　圖4-5斷鉛信號的頻譜圖</p><p>　　圖4-6 摩擦信號的頻譜圖</p>

103、;<p>　　圖4-7 敲擊信號的頻譜圖</p><p>　　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80-130kHz,70-90kHz,130-160kHz。所得響應(yīng)頻率均在對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，與信號的固有頻率相接近，說明光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進行聲發(fā)射信號檢測是可行的。</p>

104、<p>　　4.2 脈沖激勵源信號實驗</p><p>　　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。實驗過程中，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)用激勵源進行信號激勵。脈沖激勵源發(fā)出信號的能量為100dB，頻率分別為100KHz、150KHz</p><p>

105、;　　和200KHz。對傳統(tǒng)聲發(fā)射系統(tǒng)和光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號分別進行頻譜分析。</p><p>　　圖4-8 脈沖信號實驗</p><p>　　應(yīng)用光纖聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號的頻譜圖如下 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