基于長周期光纖光柵的聲發射信號檢測系統的設計研究

王桂娜+梁大開

摘要： 研究了聲發射信號檢測的基本原理以及光纖光柵與聲發射信號的作用機理，提出了基于長周期光纖光柵的聲發射信號檢測系統的設計方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關鍵詞： 聲發射；長周期光纖光柵；信號檢測

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號：TP274+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發射（acoustic emission，簡稱AE）是指材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以應力波形式釋放出應變能的現象。

聲發射檢測是一種對結構或材料內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檢測。聲發射信號的分類最早是由德國人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對聲發射認識的加深，正式提出將聲發射信號分成突發型與連續型兩種。自然界中能夠產生聲發射信號的材料很多，聲發射源的種類也很繁多，因此聲發射波的頻率范圍很廣。有的聲發射信號強度很強，人耳可以直接聽到，有的聲發射信號在發生過程中應變比較弱導致人耳聽不到，這就需要專門的聲發射設備才能檢測到。用專用的設備與軟件檢測聲發射信號、分析處理與顯示聲發射信號、由聲發射信號的信息反推聲發射源的狀況統稱為聲發射技術[1]。

1 傳統聲發射檢測的基本原理

當聲發射傳感器附著到所測結構上后，由于材料內部應力發生變化產生聲發射信號，聲發射源產生的聲發射信號以波的形式在材料中傳播，當到達材料表面時聲發射波引起材料表面的振動，此時波的能量轉換成材料的振動能。而附著在材料表面的聲發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換成電信號，通過后續硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發射信號的有用信息，并以此來推斷材料發生聲發射的機制與預判聲發射信號的發展趨勢[2]。

目前聲發射檢測是一種比較有效的檢測材料受到應力作用時動態趨勢變化的方法。聲發射檢測原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發射傳感器與相關外圍設備可以實時獲得材料內部產生的聲發射信號。只要對記錄與顯示在系統中的數據進行有效的分析，便可預判材料內部結構的變化趨勢以及下一步需要釆取的針對性防范措施。

傳統的聲發射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測結構的變化直接轉換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優點是精度與分辨率比較高，其主要缺點是：體積大、對制作材料的質量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸，不能應用在高溫、腐燭、高壓等極端環境下并且抗電磁干擾能力弱，在強電場環境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發射傳感器具有壓電傳感器沒有的優點：本身制作材料是光導纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環境中；本身體積小質量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結構表面也可埋入其中；采用波長解調，抗干擾性強。因此對于基于光纖光柵的聲發射檢測技術的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發射信號作用機理

光纖光柵是一種折射率周期調制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長被認為是光柵中心波長：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應力作用下，光柵周期和有效折射率受到調制從而使波長改變。光纖光柵聲發射傳感器的基本原理是在聲發射應力波作用下，一方面對光柵周期進行調制；另一方面對光柵纖芯有效折射率調制。兩方面共同作用使波長改變，光柵中心波長隨應變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發射信號引起的光柵軸向高頻應變，pe為光柵的有效彈光系數，1-pe即為光柵應變靈敏度系數。對于1550波段的FBG，應變靈敏度系數約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統設計

我們設計了基于長周期光纖光柵線性濾波的解調系統[8-9]方案（如圖2所示）。該系統采用的是全光纖結構，無需機械部件調諧，其傳感解調的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉換器件的轉換時間等，適于對解調速度要求較高的場合[10]。

寬帶光源經耦合器1進入傳感點——光纖Bragg光柵（FBG），經FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經過耦合器1，后接耦合器2將信號分為2路，一路直接進入光電探測器（PD0），另一路則通過一個LPFG線性濾波器后再進入PD1檢測。兩路信號相比可以消除光源波動及前面光路連接器等引起的光功率波動，隨后對檢測的信號進行放大、A/D轉換以及數據采集、濾波處理后，根據解調算法即可將變化的物理量解調出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結束語

本文根據長周期光纖光柵線性濾波解調原理，研究了聲發射信號檢測的方案。理論分析和實驗結果表明，該方案能夠對聲發射信號進行檢測。該方法結構簡單，準確可靠，可進一步實現FBG解調系統的集成化、小型化。

參考文獻：

[1] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會編，楊明緯主編.聲發射檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學.光纖傳感器對煤巖體聲發射的檢測[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國，荷風云.數字式聲發射檢測儀的設計[J].工礦自動化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發射技術研究及應用進展[J].中北大學學報，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時.光纖聲傳感器的實驗系統研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學學報，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術實驗研究[J].光子學報，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長周期光纖光柵邊沿濾波線性解調新方法[J].光學學報，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長周期光纖光柵線性濾波解調系統實驗研究及改進[J].應用光學， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學光，王若暉等，基于長周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調系統[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了聲發射信號檢測的基本原理以及光纖光柵與聲發射信號的作用機理，提出了基于長周期光纖光柵的聲發射信號檢測系統的設計方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關鍵詞： 聲發射；長周期光纖光柵；信號檢測

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號：TP274+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發射（acoustic emission，簡稱AE）是指材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以應力波形式釋放出應變能的現象。

聲發射檢測是一種對結構或材料內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檢測。聲發射信號的分類最早是由德國人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對聲發射認識的加深，正式提出將聲發射信號分成突發型與連續型兩種。自然界中能夠產生聲發射信號的材料很多，聲發射源的種類也很繁多，因此聲發射波的頻率范圍很廣。有的聲發射信號強度很強，人耳可以直接聽到，有的聲發射信號在發生過程中應變比較弱導致人耳聽不到，這就需要專門的聲發射設備才能檢測到。用專用的設備與軟件檢測聲發射信號、分析處理與顯示聲發射信號、由聲發射信號的信息反推聲發射源的狀況統稱為聲發射技術[1]。

1 傳統聲發射檢測的基本原理

當聲發射傳感器附著到所測結構上后，由于材料內部應力發生變化產生聲發射信號，聲發射源產生的聲發射信號以波的形式在材料中傳播，當到達材料表面時聲發射波引起材料表面的振動，此時波的能量轉換成材料的振動能。而附著在材料表面的聲發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換成電信號，通過后續硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發射信號的有用信息，并以此來推斷材料發生聲發射的機制與預判聲發射信號的發展趨勢[2]。

目前聲發射檢測是一種比較有效的檢測材料受到應力作用時動態趨勢變化的方法。聲發射檢測原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發射傳感器與相關外圍設備可以實時獲得材料內部產生的聲發射信號。只要對記錄與顯示在系統中的數據進行有效的分析，便可預判材料內部結構的變化趨勢以及下一步需要釆取的針對性防范措施。

傳統的聲發射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測結構的變化直接轉換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優點是精度與分辨率比較高，其主要缺點是：體積大、對制作材料的質量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸，不能應用在高溫、腐燭、高壓等極端環境下并且抗電磁干擾能力弱，在強電場環境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發射傳感器具有壓電傳感器沒有的優點：本身制作材料是光導纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環境中；本身體積小質量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結構表面也可埋入其中；采用波長解調，抗干擾性強。因此對于基于光纖光柵的聲發射檢測技術的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發射信號作用機理

光纖光柵是一種折射率周期調制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長被認為是光柵中心波長：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應力作用下，光柵周期和有效折射率受到調制從而使波長改變。光纖光柵聲發射傳感器的基本原理是在聲發射應力波作用下，一方面對光柵周期進行調制；另一方面對光柵纖芯有效折射率調制。兩方面共同作用使波長改變，光柵中心波長隨應變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發射信號引起的光柵軸向高頻應變，pe為光柵的有效彈光系數，1-pe即為光柵應變靈敏度系數。對于1550波段的FBG，應變靈敏度系數約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統設計

我們設計了基于長周期光纖光柵線性濾波的解調系統[8-9]方案（如圖2所示）。該系統采用的是全光纖結構，無需機械部件調諧，其傳感解調的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉換器件的轉換時間等，適于對解調速度要求較高的場合[10]。

寬帶光源經耦合器1進入傳感點——光纖Bragg光柵（FBG），經FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經過耦合器1，后接耦合器2將信號分為2路，一路直接進入光電探測器（PD0），另一路則通過一個LPFG線性濾波器后再進入PD1檢測。兩路信號相比可以消除光源波動及前面光路連接器等引起的光功率波動，隨后對檢測的信號進行放大、A/D轉換以及數據采集、濾波處理后，根據解調算法即可將變化的物理量解調出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結束語

本文根據長周期光纖光柵線性濾波解調原理，研究了聲發射信號檢測的方案。理論分析和實驗結果表明，該方案能夠對聲發射信號進行檢測。該方法結構簡單，準確可靠，可進一步實現FBG解調系統的集成化、小型化。

參考文獻：

[1] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會編，楊明緯主編.聲發射檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學.光纖傳感器對煤巖體聲發射的檢測[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國，荷風云.數字式聲發射檢測儀的設計[J].工礦自動化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發射技術研究及應用進展[J].中北大學學報，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時.光纖聲傳感器的實驗系統研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學學報，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術實驗研究[J].光子學報，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長周期光纖光柵邊沿濾波線性解調新方法[J].光學學報，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長周期光纖光柵線性濾波解調系統實驗研究及改進[J].應用光學， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學光，王若暉等，基于長周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調系統[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了聲發射信號檢測的基本原理以及光纖光柵與聲發射信號的作用機理，提出了基于長周期光纖光柵的聲發射信號檢測系統的設計方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

關鍵詞： 聲發射；長周期光纖光柵；信號檢測

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中圖分類號：TP274+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

聲發射（acoustic emission，簡稱AE）是指材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以應力波形式釋放出應變能的現象。

聲發射檢測是一種對結構或材料內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檢測。聲發射信號的分類最早是由德國人Kaiser首先提出的，后來人們隨著對聲發射認識的加深，正式提出將聲發射信號分成突發型與連續型兩種。自然界中能夠產生聲發射信號的材料很多，聲發射源的種類也很繁多，因此聲發射波的頻率范圍很廣。有的聲發射信號強度很強，人耳可以直接聽到，有的聲發射信號在發生過程中應變比較弱導致人耳聽不到，這就需要專門的聲發射設備才能檢測到。用專用的設備與軟件檢測聲發射信號、分析處理與顯示聲發射信號、由聲發射信號的信息反推聲發射源的狀況統稱為聲發射技術[1]。

1 傳統聲發射檢測的基本原理

當聲發射傳感器附著到所測結構上后，由于材料內部應力發生變化產生聲發射信號，聲發射源產生的聲發射信號以波的形式在材料中傳播，當到達材料表面時聲發射波引起材料表面的振動，此時波的能量轉換成材料的振動能。而附著在材料表面的聲發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換成電信號，通過后續硬件與軟件的釆集、分析與處理，就可以得到聲發射信號的有用信息，并以此來推斷材料發生聲發射的機制與預判聲發射信號的發展趨勢[2]。

目前聲發射檢測是一種比較有效的檢測材料受到應力作用時動態趨勢變化的方法。聲發射檢測原理如圖1所示[3]。

■

從圖1可以看出，借助聲發射傳感器與相關外圍設備可以實時獲得材料內部產生的聲發射信號。只要對記錄與顯示在系統中的數據進行有效的分析，便可預判材料內部結構的變化趨勢以及下一步需要釆取的針對性防范措施。

傳統的聲發射傳感器大多采用的是諧振式壓電傳感器，是將被測結構的變化直接轉換成物體諧振頻率變化的一種壓電傳感器。優點是精度與分辨率比較高，其主要缺點是：體積大、對制作材料的質量要求比較高、頻帶窄、必須與被測物體接觸，不能應用在高溫、腐燭、高壓等極端環境下并且抗電磁干擾能力弱，在強電場環境下其有效性也受到很大制約[4]。相比而言光纖光柵聲發射傳感器具有壓電傳感器沒有的優點：本身制作材料是光導纖維，其絕緣性好，因此可用到高電壓、高電磁干擾的環境中；本身體積小質量輕；安裝方式可有多種選擇，即可貼在結構表面也可埋入其中；采用波長解調，抗干擾性強。因此對于基于光纖光柵的聲發射檢測技術的研究具有非常重要的意義[5]。

2 光纖光柵與聲發射信號作用機理

光纖光柵是一種折射率周期調制的傳感器件，光柵光譜的峰值波長被認為是光柵中心波長：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■為柵區的平均有效折射率，Λ為光柵周期。光纖光柵在外界應力作用下，光柵周期和有效折射率受到調制從而使波長改變。光纖光柵聲發射傳感器的基本原理是在聲發射應力波作用下，一方面對光柵周期進行調制；另一方面對光柵纖芯有效折射率調制。兩方面共同作用使波長改變，光柵中心波長隨應變變化可表示為：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE為由聲發射信號引起的光柵軸向高頻應變，pe為光柵的有效彈光系數，1-pe即為光柵應變靈敏度系數。對于1550波段的FBG，應變靈敏度系數約為1.2pm/με[6-7]。

3 系統設計

我們設計了基于長周期光纖光柵線性濾波的解調系統[8-9]方案（如圖2所示）。該系統采用的是全光纖結構，無需機械部件調諧，其傳感解調的速度僅受限于所選用的電子器件，如A/D轉換器件的轉換時間等，適于對解調速度要求較高的場合[10]。

寬帶光源經耦合器1進入傳感點——光纖Bragg光柵（FBG），經FBG反射回來的攜帶傳感信息的光信息再經過耦合器1，后接耦合器2將信號分為2路，一路直接進入光電探測器（PD0），另一路則通過一個LPFG線性濾波器后再進入PD1檢測。兩路信號相比可以消除光源波動及前面光路連接器等引起的光功率波動，隨后對檢測的信號進行放大、A/D轉換以及數據采集、濾波處理后，根據解調算法即可將變化的物理量解調出來。為了防止光纖的端面反射而影響傳感信號，將光纖尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 結束語

本文根據長周期光纖光柵線性濾波解調原理，研究了聲發射信號檢測的方案。理論分析和實驗結果表明，該方案能夠對聲發射信號進行檢測。該方法結構簡單，準確可靠，可進一步實現FBG解調系統的集成化、小型化。

參考文獻：

[1] 《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會編，楊明緯主編.聲發射檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：2-4.

[2]孫飛，韓仁學.光纖傳感器對煤巖體聲發射的檢測[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊慶國，荷風云.數字式聲發射檢測儀的設計[J].工礦自動化，2004（3）：25-27.

[4]楊瑞峰，馬鐵華.聲發射技術研究及應用進展[J].中北大學學報，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚東，徐秉時.光纖聲傳感器的實驗系統研究[J].光電工程，2009，36（6）：131-132.

[6]蘭玉文，劉波，羅建花，等.基于分布布拉格反射光纖激光器的壓力傳感器[J].光學學報，2009，29（3）：629-631.

[7]劉波，曹曄，羅建花，等.光纖光柵水聽器技術實驗研究[J].光子學報，2005，34（5）：686-689.

[8]劉波， 童崢嶸， 陳少華，等.一種長周期光纖光柵邊沿濾波線性解調新方法[J].光學學報，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，萬生鵬，張輝，長周期光纖光柵線性濾波解調系統實驗研究及改進[J].應用光學， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周銳，喬學光，王若暉等，基于長周期光纖光柵線性邊緣濾波的地震波解調系統[J].光電子·激光，2011，22（7）：987-991.