胡志輝，朱永凱，昂 洋，鄒 潔

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210000)

0 引言

聲發(fā)射( acoustic emission，AE) 又被稱做應(yīng)力波發(fā)射，是材料中局域源由于快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象[1]。在外部條件下，固體的缺陷或者潛在缺陷改變狀態(tài)而自動(dòng)發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象也稱為聲發(fā)射。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料研究和壓力容器評(píng)價(jià)等方面的研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了很明顯的成果。傳統(tǒng)的壓電類陶瓷聲發(fā)射傳感器受電磁干擾比較嚴(yán)重，處于強(qiáng)電場環(huán)境下其有效性會(huì)受到很大的影響，因此研究基于光纖聲發(fā)射的檢測技術(shù)具有重要意義。光纖聲發(fā)射傳感器有干涉型，如邁克爾遜、馬赫-曾德爾、法布里-帕羅和塞格納克干涉儀[2-3]。但制作成本相對(duì)較高，現(xiàn)場安裝比較復(fù)雜、易受溫度波動(dòng)等環(huán)境因素的影響[4-5]。也有基于光學(xué)反射和多涂層等技術(shù)的超聲檢測傳感器[6-7]，同樣存在條件要求苛刻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不實(shí)用等缺點(diǎn)。本文以單模光纖耦合器作為基本結(jié)構(gòu)，在分析光纖耦合振動(dòng)傳感機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行器件設(shè)計(jì)與封裝，通過改變?nèi)廴诶F單模光纖耦合器過程中的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如耦合區(qū)折射率和耦合長度的變化)，從而對(duì)外界聲發(fā)射的振動(dòng)有著很靈敏的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)振動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測。

1 光纖耦合聲發(fā)射傳感結(jié)構(gòu)及原理分析

單模光纖耦合聲發(fā)射傳感器的核心是一個(gè)具有特殊長度結(jié)構(gòu)的熔融拉錐型光纖耦合器，以圖1的傳感器模型為例，具有2個(gè)錐形部分(每段各約2 mm長)，耦合區(qū)(直徑約10 μm，長約2 mm)。用毛細(xì)玻璃管(內(nèi)徑0．5 mm，外徑0．7 mm，長約55 mm)封裝拉制成的耦合器，用瞬干膠固定，制成單模光纖耦合聲發(fā)射傳感器。

圖1 光纖聲發(fā)射傳感結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)一個(gè)光纖耦合器的橫截面是圓形的，且插入損耗低，從耦合器輸出光的功率可表示為[8]：

(1)

(2)

P1(l)+P2(l)=P0

(3)

式中：P1，P2和P0分別為輸出光功率和輸入光功率；l為耦合區(qū)的長度；C(z)是沿耦合區(qū)(z軸)的耦合系數(shù)。

耦合比是50∶50的單模光纖耦合器中，兩端輸出的光功率是相同的(P1=P2=P0/2)。當(dāng)有一個(gè)外部的聲場作用于該特殊的耦合器時(shí)，一個(gè)內(nèi)部的聲波會(huì)在耦合器的環(huán)氧連接端被激發(fā)出來，該聲波沿著耦合區(qū)傳播，傳播的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變場沿耦合區(qū)的擾動(dòng)，耦合器的錐形區(qū)具有應(yīng)變集中器的作用，處于這個(gè)區(qū)域的入射聲波效果被放大。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)作出圖2，它給出了理論上2臂光功率輸出隨耦合長度的變化，可以看出2臂輸出光強(qiáng)隨耦合長度延長發(fā)生能量的完全交換。

圖2 兩臂耦合輸出和耦合長度的關(guān)系

入射聲波沿著耦合區(qū)傳播，由于應(yīng)變場在機(jī)械作用和光彈作用下的變化而使折射率和有效長度發(fā)生細(xì)微的改變，同時(shí)折射率的明顯變化會(huì)引起耦合系數(shù)C(z)相應(yīng)的變化，不過這種情況下，同有效應(yīng)變場的變化相比較，耦合系數(shù)C(z)的變化是極小的，因此，耦合區(qū)長度的變化在光纖耦合器輸出功率特征上占據(jù)著主導(dǎo)的地位，耦合器的輸出功率理論公式如下：

(4)

(5)

式中ε(z，t)為入射聲波引起的沿耦合區(qū)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布。對(duì)正弦聲波而言，它可表示為[9]：

(6)

式中：f和Λ分別對(duì)應(yīng)聲波的頻率和波長；ε0(z)為有效應(yīng)變幅度，取決于耦合區(qū)的直徑、聲功率和材料的性質(zhì)。

對(duì)于一個(gè)給定的拉伸力，ε0(z)可以表示為：

(7)

式中：E0為楊氏模量，對(duì)于光纖中的的二氧化硅材料，E0=10.5×10-6psi；r(z)是沿耦合區(qū)的截面半徑。

在F=0．1 N作用下，截面半徑和沿耦合區(qū)應(yīng)變之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 耦合區(qū)敏感區(qū)的應(yīng)變和半徑之間的關(guān)系

從圖3可以看出，截面半徑在大約20 μm以后，應(yīng)變隨著半徑減小而迅速增加。正如理論分析的，窄雙分支錐形區(qū)起著充當(dāng)應(yīng)力集中源的作用，耦合腰區(qū)的應(yīng)變相對(duì)于其他區(qū)的應(yīng)變更大。在更細(xì)的腰區(qū)，沿著耦合區(qū)的耦合系數(shù)C(z)變化更大，所以，更窄的耦合區(qū)的耦合器對(duì)聲波的擾動(dòng)越發(fā)敏感。同時(shí)，耦合輸出是振動(dòng)頻率和耦合器長度的函數(shù)。耦合區(qū)長度愈長，對(duì)應(yīng)的傳感器的靈敏度越高[10]，但耦合傳感器截止頻率就會(huì)越低。所以，為了使傳感器具有較大的頻響區(qū)間和較高的靈敏度，在試驗(yàn)中需要選取合適的傳感器耦合區(qū)長度。

2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用摻鍺石英玻璃作為纖芯材料，純石英玻璃作為包層材料的階躍型光纖作為單模光纖耦合型傳感器的材料。后加強(qiáng)處理采用間接加熱的方法進(jìn)行，制作過程中的耦合比達(dá)到要求后，耦合區(qū)繼續(xù)用低溫火焰燒灼，以使耦合區(qū)光纖的力學(xué)性能得到改進(jìn)，耦合器從而獲得更好的韌性，在測量過程中不會(huì)輕易被拉斷。采用硅彈性樹脂作為耦合區(qū)的包層材料，它的溫度特性與光纖相匹配，因而不會(huì)對(duì)耦合區(qū)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力，影響系統(tǒng)測量的精度。

根據(jù)光纖耦合傳感器的傳感原理，設(shè)計(jì)了如圖4的光纖傳感檢測系統(tǒng)。包括光源、傳感器、光電轉(zhuǎn)換、接收放大電路、濾波器和信號(hào)處理單元。V1和V2分別為耦合器兩個(gè)端口的解調(diào)輸出電壓，光源發(fā)出的光進(jìn)入耦合型光纖振動(dòng)傳感器，從傳感器的兩個(gè)輸出臂出射，發(fā)出的光通過光電二極管接收，為了抵消因光源輸出功率的波動(dòng)以及外界噪音信號(hào)對(duì)測量結(jié)果的影響，需要對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行比較放大，隨后對(duì)放大過后的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和A/ D轉(zhuǎn)換，最終通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的顯示及分析處理。

圖4 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)采用放大自發(fā)輻射光源(ASE，amplifier spontaneous emission)光源，中心波長為1 550 nm，波長范圍為1 520～1 620 nm，譜寬高達(dá)80 nm，總輸出功率13 dB(20 mW)，功率穩(wěn)定性為±0．05 dB(超過8 h)。放大電路前端采用EPM605光電二極管，響應(yīng)時(shí)間為0．3 ns，最大額定電流為5 mA，保證測量轉(zhuǎn)換電路的快速響應(yīng)。由于光電轉(zhuǎn)換后信號(hào)的電壓非常低，并且電源的輸出功率波動(dòng)也會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，所以，在接收端采用比較放大電路，可以有效地抑制光源功率波動(dòng)對(duì)輸出結(jié)果的影響，然后通過高通濾波器消除信號(hào)中的噪聲信號(hào)。

圖5 耦合型聲發(fā)射傳感器實(shí)物圖

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示，將聲發(fā)射傳感器用膠水粘貼在鋁合金板上面，對(duì)旁邊的壓電元件施加激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)由安捷倫33250A波形發(fā)生器產(chǎn)生，信號(hào)類型為正弦波，幅度為10 V，頻率值取10～200 kHz范圍內(nèi)的部分離散值。該次試驗(yàn)的激勵(lì)頻率為：從10 kHz頻率開始以遞增的方式每隔約10 kHz取一個(gè)激勵(lì)頻率，測量系統(tǒng)共采集了20組傳感信號(hào)。經(jīng)過比較下面列舉6個(gè)頻率處的傳感信號(hào)，如圖6～圖11所示。

(a)

(b)

(a)

(b)

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單模光纖耦合聲發(fā)射傳感器在陶瓷片的諧振頻率處都能還原激勵(lì)波形，但在反諧振頻率處基本無響應(yīng)，在其他頻段斷續(xù)出現(xiàn)響應(yīng)區(qū)與死區(qū)，這與陶瓷片的幅度頻率響應(yīng)曲線規(guī)律一致[9]，故認(rèn)為只要陶瓷片振動(dòng)幅度達(dá)到一定值，耦合器式傳感器對(duì)超聲(15～200 kHz) 的響應(yīng)是平坦的，在頻段100～150 kHz對(duì)壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)有更準(zhǔn)確的反映。

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

考慮結(jié)構(gòu)材料中的聲發(fā)射現(xiàn)象是本文研究的內(nèi)容，試驗(yàn)材料是鋁合金板，而且這些材料中主要產(chǎn)生的是突發(fā)性的聲發(fā)射信號(hào)，此外金屬材料中頻率量級(jí)在105～106Hz左右，斷鉛的中心頻率量級(jí)為105Hz，故聲發(fā)射源采用斷鉛的方法來模擬，采用伸長量為2．5 mm，直徑為0．5 mm的HB鉛筆芯以30°角折斷的信號(hào)作為標(biāo)定信號(hào)，斷鉛信號(hào)如圖12所示。

圖12 耦合聲發(fā)射傳感器接收的斷鉛信號(hào)

圖13 耦合聲發(fā)射傳感器接收斷鉛信號(hào)的頻率響應(yīng)

從圖13可以知道耦合聲發(fā)射傳感器能很好地反映斷鉛模擬的聲發(fā)射源信號(hào)，在頻率150 kHz左右有著更高的頻率響應(yīng)，這對(duì)后續(xù)監(jiān)測金屬材料的聲發(fā)射現(xiàn)象提供了很好的選擇。為了研究單模光纖耦合傳感器的布設(shè)方式對(duì)聲發(fā)射信號(hào)接收的影響，通過改變壓電陶瓷激勵(lì)源在鋁合金板上相對(duì)于光纖傳感器的放置位置，可以測得傳感器對(duì)不同方位振動(dòng)的響應(yīng)如表1所示。

表1 光纖聲發(fā)射傳感器對(duì)不同方位的信號(hào)響應(yīng)

從表1可看出耦合型單模光纖聲發(fā)射傳感器對(duì)不同方向的振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)差別很小。因此振動(dòng)信號(hào)的方向可以認(rèn)為不會(huì)引起耦合輸出的變化。利用它對(duì)方位不敏感這一特性，把多個(gè)傳感器組成分布式傳感網(wǎng)路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的頻率、振幅和方位的測量。聲發(fā)射是一個(gè)頻段的超聲，復(fù)合材料的頻譜分布在1～150 kHz，壓力容器的聲發(fā)射頻譜主要集中在20～200 kHz，巖石的聲發(fā)射頻譜在1～100 kHz的范圍大致分布，該聲發(fā)射傳感器可以在上述方面得到好的應(yīng)用。

3 結(jié)論

采用單模耦合型光纖傳感器來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測量，根據(jù)耦合區(qū)中光纖耦合的效率是耦合區(qū)的長度函數(shù)的原理，制作了耦合型光纖聲發(fā)射傳感器，設(shè)計(jì)了包括傳感器、解調(diào)電路、信號(hào)處理幾部分組成的檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小震動(dòng)及模擬聲發(fā)射源的準(zhǔn)確測量。耦合器式光纖聲發(fā)射傳感器克服了傳統(tǒng)壓電式傳感器譜頻響應(yīng)窄、易受干擾的缺點(diǎn)，作為一種強(qiáng)度調(diào)制型傳感器，與其他類型的光纖聲發(fā)射傳感器相比具有制作容易、結(jié)構(gòu)簡單、檢測方便且穩(wěn)定的特點(diǎn)。該傳感器有望在金屬或復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的無損探傷、電力無損檢測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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作者簡介：胡志輝(1987-)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)、無損檢測技術(shù)。E-mail ：823996601@qq．com

朱永凱(1975-)，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，光纖傳感、光電檢測方向研究。