劉國濤，陳皓，徐崢，錢夢騄，劉盛春，程茜

?

用于非線性蘭姆波檢測的高靈敏度寬帶光纖光柵傳感器

劉國濤1，陳皓1，徐崢1，錢夢騄1，劉盛春2，程茜1

(1．同濟大學(xué)聲學(xué)研究所，上海200092；2．黑龍江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

光纖傳感器因其靈敏度高，已逐漸應(yīng)用于超聲檢測的研究中，但大多數(shù)光纖傳感器的頻帶響應(yīng)范圍有限，約為幾百kHz，很難檢測到更高頻率的信號。所提出的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器的高頻檢測范圍可以達到4 MHz左右，大大提高了其檢測帶寬范圍。文中將傳感器應(yīng)用于304不銹鋼板蘭姆波的非線性檢測，同時與傳統(tǒng)超聲換能器的檢測結(jié)果做對比。實驗結(jié)果表明，用脈沖波激勵信號時，F(xiàn)BG傳感器可以檢測到鋼板蘭姆波的基頻到五倍頻信號，表明FBG在檢測蘭姆波非線性上是有很大潛力的。

光纖布拉格光柵；蘭姆波；非線性

0 引言

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)作為目前最具發(fā)展前途的光纖無源器件之一，憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、熔接損耗小、靈敏度高、體積小、易于分布式測量，帶寬寬等優(yōu)越的特性，在光纖傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)BG傳感器越來越多地應(yīng)用于聲信號的檢測[4,5]，甚至很多方面可以超越傳統(tǒng)的PZT傳感器。根據(jù)耦合模型理論，周期性的布拉格光柵的反射布拉格波長為

1 理論基礎(chǔ)

當(dāng)在板中傳播的蘭姆波的能量足夠大，且發(fā)射的蘭姆波滿足相速度和群速度匹配條件時[4-8]，傳播中的蘭姆波就會發(fā)生非線性現(xiàn)象，二、三倍頻等非線性諧波信號會明顯增強。

下面以蘭姆波的對稱模式為例計算材料中激發(fā)蘭姆波非線性應(yīng)滿足的相速度和群速度匹配條件。實驗材料為304不銹鋼板，密度為7900 kg/m3，厚度為6 mm，經(jīng)脈沖回波法實測其縱波速度為6161 m/s、橫波速度為3396 m/s。圖1為計算得到的S1-S2-S3-S4模式相速度頻散曲線，由相速度匹配條件c=c=c=c可得基頻=679 kHz，c= 6167 m/s[9]；圖2為計算得到的S1-S2-S3-S4模式群速度頻散曲線，由群速度匹配條件c=c=c=c可計算得到基頻=679 kHz，c=5176 m/s[9]。因此，679 kHz同時滿足相速度和群速度匹配條件。若以此基頻對應(yīng)的S1模式相速度在鋼板中激發(fā)出蘭姆波時，可產(chǎn)生倍頻的S2、S3、S4等模式的蘭姆波非線性效應(yīng)[4-5]。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)以上理論分析結(jié)果設(shè)計對比實驗。采用傳統(tǒng)探頭和自行設(shè)計的FBG探頭分別對鋼板中的蘭姆波非線性效應(yīng)進行了測試，實驗材料為500 mm×80 mm×6 mm的304不銹鋼板。

(1) Ritec SNAP系統(tǒng)測量蘭姆波的非線性

為了在鋼板中激發(fā)蘭姆波S1模式及相應(yīng)的非線性諧波，由鋼板蘭姆波S1模式相速度6167 m/s和有機玻璃斜劈縱波速度2730 m/s，根據(jù)Snell定律[10]可以計算出相應(yīng)斜劈的角度為26.3o，實際采用角度最接近的30o的斜劈。

實驗中，采用Ritec SNAP系統(tǒng)發(fā)射電壓為45 V、頻率為679 kHz、長度為20 cycles/burst、重復(fù)頻率為1 Hz的電信號激勵寬帶縱波探頭(Panametrics，V539-SM，中心頻率為1 MHz，6 dB帶寬>100%)，并用同類型探頭接收信號。實驗裝置示意圖如圖3所示。

圖4和圖5分別為SNAP系統(tǒng)發(fā)射和接收到的信號的時域波形圖。為提高信噪比，接收信號平均了128次，從中可以看到信號有明顯的蘭姆波包絡(luò)。對圖5中接收到的信號用Ritec SNAP系統(tǒng)自帶的掃頻功能進行掃頻處理后得到如圖6所示的頻譜圖，在圖中可以明顯看到679 kHz的基頻信號，而1.368 MHz的二倍頻信號和2.037 MHz的三倍頻信號剛剛能夠分辨出來(如圖6中小圖所示)，雖然較小，但還是可以判定鋼板中出現(xiàn)了非線性效應(yīng)。

(2) FBG測量蘭姆波的非線性

實驗中，蘭姆波的激發(fā)仍使用上述Ritec SNAP系統(tǒng)和相應(yīng)的探頭，但是接收改用自行設(shè)計的FBG探頭，實驗裝置示意圖如圖7所示。

圖8為FBG測量到的單次信號的時域波形?？梢钥吹紽BG探頭較SNAP系統(tǒng)探頭接收到的信號更為復(fù)雜。第一個到達的脈沖為直達蘭姆波信號，但之后還有一系列的拖尾信號，其來源有二：第一是探頭的懸臂梁結(jié)構(gòu)使得信號在懸臂上來回反射并耦合到光纖中；第二是由于FBG探頭指向性弱，能夠接收到來自不同端面反射回來的信號。

因此，我們對接收到的信號加窗函數(shù)，提取第一個直達波(圖中虛線區(qū)域)進行分析。圖9為FBG 探頭接收到的直達信號頻譜圖，從頻譜圖中，可以看到FBG探頭能夠接收到從基頻至五倍頻的蘭姆波信號。

圖8 FBG接收信號時域波形

3 討論

本文提出一種自行設(shè)計的寬帶光纖布拉格光柵超聲傳感探頭，可用于板中蘭姆波以及非線性效應(yīng)的檢測。應(yīng)用蘭姆波非線性理論，設(shè)計了用傳統(tǒng)探頭和FBG探頭兩種方式檢測不銹鋼板中的蘭姆波非線性效應(yīng)。基于Ritec SNAP系統(tǒng)，傳統(tǒng)探頭對接收信號平均128次后，其頻譜上可以分辨出蘭姆波的基頻和二倍頻，三倍和四倍頻也勉強能分辨出；而FBG探頭單次接收信號的頻譜即可以分辨出基頻到五倍頻的非線性信號。這在一定程度上表明FBG超聲傳感器的高靈敏度及高帶寬的性能，也表明其在非線性檢測上具有很大的潛力。

[1] 龐丹丹. 新型光線光柵傳感技術(shù)研究[D]. 濟南: 山東大學(xué), 2014.

PANG Dandan. Investigation on the novel fiber bragg grating sensing technology[D]. Jinan: Shandong University, 2014.

[2] Miguel M A. Internal field distributions in fiber bragg gratings[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 1997, 9(7): 955-957.

[3] Zhang Haiyan. Ultrasonic lamb wave inspection using fiber bragg gratings[C]//Microwave Conference, 2008 China-Japan Joint. IEEE, 2008: 805-808.

[4] Matsuda N, Biwa S. Phase and group velocity matching for cumulative harmonic generation in Lamb waves[J]. J. Appl. Phys, 2011, 109(9): 094903.

[5] Liu Y, Chillara V K, Lissenden C J. On selection of primary modes for generation of strong internally resonant second harmonics in plate[J]. Journal of Sound and Vibration, 2013, 332(19): 4517-4528.

鄧明晰. 蘭姆波的非線性研究(I)[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 1996, 21(4): 429-438.

[6] DENG Mingxi. Research on nonlinearity of lamb waves[J]. Acta Acustica, 1996, 21(4): 429-438.

鄧明晰. 蘭姆波的非線性研究(II)[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 1997, 22(2): 182-187.

[7] DENG Mingxi. Research on nonlinearity of lamb waves[J]. Acta Acustica, 1997, 22(2): 182-187.

[8] XIANG Yanxun, DENG Mingxi. Cumulative second-harmonic generation of Lamb waves propagating in a two-layered solid plate[J]. Chinese Physics B, 2008, 17(11): 4232.

[9] DENG Mingxi, XIANG Yanxun, LIANG bing. Time-domain analysis and experimental examination of cumulative second-harmonic generation by primary Lamb wave propagation[J]. Appl. Phys, 2011, 109(11): 113525.

[10] 羅斯. 固體中的超聲波[M]. 何存富譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2004: 330.

A wide bandwidth and high sensitivity FBG sensorfor nonlinear Lamb wave detection

LIUGuo-tao1, CHENHao1,XU Zheng1, QIAN Meng-lu1,LIU Sheng-chun2,CHENG Qian1

(1. Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.Institute of Physical Science and Technology, Heilongjiang University, Harbin 150080, Heilongjiang, China)

Due to high sensitivity, optic fiber sensor has been gradually used in acoustic detection. But the upper limit of frequency response for most optic fiber sensors is about hundreds of kHz. So it is difficult to detect higher frequency signal. In this paper, a FBG sensor of detection bandwidth reaching about 4 MHz is designed, and the FBG sensor as well as a traditional ultrasonic transducer is used to detect the nonlinear effect of Lamb wave in 304 stainless steel plate respectively. By comparing the results of the two experiments, it can be found that both the FBG sensor and the traditional transducer can detect the fundamental and second harmonic waves in the steel plat, and the weak 3rd/ 4thharmonic waves as well, which is shown that FBG has a great potential in detecting nonlinear Lamb waves.

Fiber Bragg Grating(FBG); Lamb waves; nonlinear.

O422.7

A

1000-3630(2016)-03-0228-03

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.008

2015-08-20;

2015-10-15

國家863計劃(2012YQ15021306)、國家自然科學(xué)基金資助項目(11174223, 11374231, 11274099)。

劉國濤(1990－), 男, 湖北人, 碩士研究生, 研究方向為光纖聲檢測。

程茜, E-mail: q.cheng@#edu.cn