基于Sagnac光纖聲發射傳感器研究

馬云棟，李英年，薛 為，張 璇

（1.黑龍江省大慶市東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司第六大隊，黑龍江 大慶 163318）

聲發射信號是一種來自材料內部由于突然釋放應變能而形成的一種彈性應力波，它包含了材料內部損傷的信息，因此聲發射技術能夠用來識別發生在受載材料中不同類型的損傷。傳統聲發射(AE）檢測的基本原理是給被檢查對象施加壓力或其它外部條件（如高溫等），使檢測對象中的缺陷或潛在缺陷自動發聲，根據接收到來自缺陷的應力被推測缺陷的位置和大小[1,2]。而光纖傳感器是用輕而小的光纖取代了傳統的壓電陶瓷制成的傳感器。與傳統的壓電陶瓷PZT相比，光纖AE傳感器具有：頻帶寬、不受電磁干擾、靈敏度高、體積小、損壞閥值高、不必與被測物體接觸及電子設備與傳感器可以間隔很多等很多優點[3]。

本文以Sagnac光纖為研究對象，采用 Sagnac環為前端傳感器，并搭建光纖聲發射檢測系統。最終通過整個系統將光纖聲發射傳感器與傳統壓電聲發射傳感器進行對比，測試光纖聲發射檢測的性能，以滿足對石油石化行業大型設備的無損檢測的要求。

1 基本原理

光纖Sagnac聲發射傳感器原理如圖1所示。

圖1光纖Sagnac原理圖

光源由LD激光器充當，并被光纖所接收，然后經由3dB耦合器分為兩束，這樣就形成了干涉儀的兩個傳感臂和。光經過被傳輸到輸出端，而另一束光則經過也被傳輸到輸出端。被纏繞成圓環狀的光纖的作用是感應聲發射信號的，當信號作用其上時，其中光波的位相就會被調制[4]。這兩束場強為和的被光探測器PD所接收到的光可表示為:

其中，A是一常數，其與3dB耦合器的損耗和入射光的振幅是成正比的，ω則為光波頻率；φs是光波的位相變化；τL和τR分別為這兩束光經由傳感臂到達檢測器所經歷的時間；而準1和準2則分別為兩光束的初位相，是由傳導光纖的長度所決定的[5]。由上兩式可知光電探測器所探測到的光強可用下式表示:

2 實驗系統的構建和結果分析

光纖聲發射檢測系統主要由兩部分構成，探測系統和解調系統。本系統包括：He-Ne激光光源、FC連接器、3dB單模光纖耦合器、單模光纖偏振控制器、單模光纖環形傳感器、光電探測器(PD)與放大器、高速數據采集卡，PC機和PZT壓電換能器與函數信號發生器，實驗裝置如圖2所示。

圖2實驗裝置圖

實驗使用一塊鋼板作為聲傳輸介質，PZT和傳感光纖被固接在面上。光纖傳感器的探頭部分是由直徑20mm,匝數為30的單模光纖平面環構成。光源為1 550 nm窄線寬同軸激光光源，波導由一根光纖輸入的光信號可用它加以等分。Fc連接器采用對接端面呈球面的插針（PC），而外部結構沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高，并利用光電探測器將光信號轉換為電信號。

在實驗的過程中，所用的光纖聲發射信號采集卡型號為PCI-1802L型高速數據采集卡，使用了Labviews軟件進行控制，本實驗先后采用了標準AE信號、摩擦信號、以及敲擊信號進行實驗，圖3-5中左圖為傳統聲發射采集的波形圖，右側為采用光纖聲發射系統采集的波形圖。圖中的文字受軟件的限制字體不能更改。

圖3標準AE信號的對比波形圖

圖4摩擦信號對比圖

圖5敲擊信號對比波形圖

3 結束語

本文所構建的光纖聲發射傳感系統可以大致完成對標準聲發射信號的檢測，與傳統聲發射檢測對比，光纖聲發射傳感器克服了傳統壓電式傳感器易受干擾、譜頻響應窄的缺點。作為一種強度調制型傳感器，與其他類型的光纖聲發射傳感器相比具有結構簡單，操作簡易，設備體積小，造價低廉的特點。該傳感系統開拓了聲發射檢測采集系統的應用范圍。

[1]沈功田，戴 光，劉時風.中國聲發射檢測技術進展[J].無損檢測，2003，25(6)：307-307.

[2]梁藝軍.光纖聲發射檢測技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[3]Geoffrey A C,Philip JN,Lange-Scale Remotely Interrogated Arrays of Fiber-Optic Interferometer Sensors for Underwater Acoustic Applications[J].IEEE Sensors Journal，2003，3（1）：25-28.

[4]Phil Cole，Jon Watson．Acoustic Emission for Corrosion Detection [C]．3rdMiddle East Nondestructive Testing Conference&Exhibition，Bahrain．2005:169-175.

[5]陳麗潔，藍 宇，冷建興.壓電諧振式聲發射接收傳感器設計[J].傳感器技術,2005，33（4）:37-39.