基于光纤光栅的声发射检测毕业论文.doc

毕 业 设 计 （论 文） 论文题目：基于光纤光栅的声发射检测目录摘要2ABSTRACT3第1章 绪论41.1研究背景41.2研究目的和意义51.3研究内容6第2章 声发射传感器的研究及应用现状72.1声发射传感器的研究72.1.1传统声发射传感器7212光纤声发射传感器92.2声发射传感器的应用现状10第3章 光纤光栅声发射检测的基本原理1131光纤AE 传感技术的基本原理1132光纤Bragg光栅声发射检测系统的解调原理12第4章 光纤光栅声发射检测系统的构建144.1光纤光栅声发射检测的探测系统144.2光纤光栅声发射检测的解调系统15第5章 性能测试实验结论和分析结论1651实验仪器简单介绍1652实验所测结果及分析18第6章 总结与展望2161总结2162课题展望及发展前景21参考文献22致谢23摘要 声发射( Acoustic Emission，AE) 是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，有时又称作应力波发射。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术成为声发射技术【1】。随着计算机和微型计算机的快速迅猛的发展，声发射技术作为新的无损检测也迅速发展。声发射技术应用范围已经覆盖了航空航天、石油化工、铁路、汽车、建筑、电力等众多经济领。声发射具有检测材料内部动态过程的能力, 它的独特点就在于能够检测材料或结构自身发出的信号，使人们了解检测对象是处于怎样的动态过程中。声发射检测技术在航空航天、石油化工、铁路运输、电力等领域，都是一种重要的无损检测。它与常规的无损检测相比有两个基本特点：一是对动态缺陷敏感，在缺陷萌生和扩展过程中可以实时发现；二是声发射波来源于缺陷本身，可以更好地了解检测对象缺陷信息和动态过程。此外，传统的压电声发射传感器体积大，频带窄，受电磁干扰比较严重，在强电场、高温环境下其有效性受到很大制约。因此，基于光纤的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义。本文基于铝合金对光纤光栅声发射检测进行性能测试，完成对三个标准信号AE、连续信号和断铅信号的检测功能，并将实验结果与传统压电谐振声发射检测作对比，最终得出实验结论，同时分析影响光纤声发射检测的因素。关键字： 声发射 ；光纤声发射检测；标准信号ABSTRACTAcoustic Emission means the phenomenon that partial fast release energy with the transient elastic wave in different materials, sometimes it is also called stress wave emission. Acoustic emission technology includes instrument examination, analysis launch acoustic emission using sound transmitting message inference signal sound source technology .With the fast and rapid development of computers and micro-computer, the acoustic emission technique as a new non-destructive testing of rapid development. The acoustic emission technique application scope has covered a number of economic fields of aerospace, petrochemical, railway, automotive, construction, electricity and other. Acoustic emission has the ability of the test of material internal dynamic process .And acoustic emission detection technology is an important non-destructive testing. Compared with conventional non-destructive testing has two basic characteristics: First, it is sensitive to the dynamic defection and it can realizes real-time detection of defect initiation and propagation process .Acoustic emission wave comes from the defect itself, a better understanding of the detect objects defects information and dynamic process. In addition, conventional piezoelectric acoustic emission sensors have large volume and narrow band. It is subject to electromagnetic interference, and it is severely restricted in the strong electric field, high temperature environment. Therefore, based on fiber-optic acoustic emission detection technology has a very important significance. This paper complete the performance test of fiber Bragg grating acoustic emission detection system based on aluminum alloy, and the detection of three standard signals - AE, continuous signal, and off the lead signal. Compared the experimental results of the AE with the conventional piezoelectric acoustic emission, prove the experimental results and analysis of the factors affecting the fiber-optic acoustic emission detection system.Keywords: Acoustic emission; fiber optic acoustic emission detection; standard signal第1章 绪论1.1研究背景 近几十年来，声发射检测技术作为一种新的无损检测技术得到了迅速的发展。声发射( Acoustic Emission，AE) 是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，有时又称作应力波发射。在外部条件下，固体( 材料或零件) 的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展是结构失效的重要机制。这种直接与变形与断裂机制有关的源是声发射源。近年来，流体的泄漏、摩擦、撞击等与变形和断裂机制无关的另一种弹性波源，被称作其它或者二次声波源。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号来推断声发射源的技术叫做声发射技术。随着计算机和微型计算机的快速迅猛的发展，声发射技术作为新的无损检测也迅速发展。声发射技术应用范围已经覆盖了航空航天、石油化工、铁路、汽车、建筑、电力等众多经济领域【2】。声发射是一种常见的物理现象，大多数金属材料塑性变形和断裂时都有声发射信号产生。各种材料的声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频，20Hz20KHz的声频到数MHz的超声频。声发射信号的幅度也很大，从10-13m的微观错位运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能量足够大，就可以产生人听得到的声音。比如铅笔芯的断裂、树枝的折断、机械器件的断裂等。声发射技术从研究的范围来看，刚最初的压力容器、金属疲劳和断裂力学应用，发展到声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、岩石、航空航天、铁路运输、工程制造过程检测、建筑、石油化工、电力等几乎所有工业领域。随着社会经济的迅猛发展，新建的高层建筑、大桥、水库和水力发电的大坝、隧道、石油储备、煤矿建筑等对建筑空间的要求越来越高，事故危险性也正在增加。一旦事故发生，将造成巨大的生命和财产损失。所以，声发射检测的研究对各个领域都有重要的意义。同时，随着全数字化声发射仪器和各种功能强大的信号处理软件的出现，声发射检测步入了一个更高层次【3】。1.2研究目的和意义 声发射具有检测材料内部动态过程的能力。它的独特点就在于能够检测材料或结构自身发出的信号，使人们了解检测对象是处于怎样的动态过程中。声发射检测技术在航空航天、石油化工、铁路运输、电力等领域，都是一种重要的无损检测【4】。它与常规的无损检测相比有两个基本特点：一是对动态缺陷敏感，在缺陷萌生和扩展过程中可以实时发现；二是声发射波来源于缺陷本身，可以更好地了解检测对象缺陷信息和动态过程。与其他无损检测相比较，声发射检测的优点是：可以获得关于缺陷的动态信息，可以根据这来评价缺陷的实际危害和程度以及结构的完整性和预期使用寿命。这也是声发射最大的优点。对于大型结构，不需要移动传感器做复杂的扫描工作。可以使用多个传感器检测需要检测的部位。这样经过一次加载或者试验就可以实现大面积检测缺陷的位置和监测缺陷的动态过程可以提供随载荷、时间、温度等外部变量而变化的实时瞬态或者连续信号，适合与过程监控以及早期或者临近破坏的预报对被检测工件的要求不高，所以适合与其他无损检测难以或者无法工作环境（如高低温、易燃易爆、核辐射等）下的检测对几何构建的形状不敏感，适合与其他方法不能检测的复杂形状结构。对于压力容器的耐压试验，声发射检测方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性时效和限定系统的最高工作电压。几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射，声发射检测的适用范围比较广【5】。同时，由于声发射检测是一种动态检测，探测的是机械波，具有以下特点：声发射检测对材料十分敏感，容易受到机械噪声的干扰，所以对数据的正确解释要有更为数据库和现场检测经验声发射检测，一般需要适当的加载程序。一般可以利用现成的加载条件。声发射检测目前只可以给出声发射检测的部位、活性和强度，不能确定声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其他无损检测方法进行复检。1.3研究内容 实验过程中分别构建声发射检测的探测系统和调制解调系统。探测系统有基于线性边带滤波器的探测系统、基于光谱仪的探测系统、基于可调声光滤波器的探测系统、基于WDM光纤耦合器的探测系统、基于可调F-P（Fabry-Perot）的滤波器的探测系统等。实验过程中使用的是基于光谱仪的探测系统，从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，经环行器进入光谱仪，可直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等等。当传感光栅受到外部微扰时，反射光谱的特性就会发生变化，如峰值位置的移动、谱形的变化等。光纤传感包含外界信号如何调制光线中的光波参量，如强度、波长、频率、相位和偏振态等的调制技术（或者加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。目前，用于波长解调有很多种方法，如滤波法、干涉法、光栅色散法、可调谐窄带激光器扫描法等。实验过程中使用的是窄带激光器匹配解调法。实验过程中基于铝合金对光纤光栅声发射检测系统进行性能测试，实验过程中使用的是基于光谱仪的探测系统，如图41所示，使用的是窄带激光器匹配解调系统，如图42所示。实验整体结构如图54所示，将传统的压电声发射传感器与光纤光栅声发射传感器至于同一个铝板上，对光纤光栅声发射检测系统的性能进行测试，研究其是否能够完成对正弦信号、断铅信号、纺锤信号的检测，通过上位机获得相对应的电压时间、功率频率、幅值时间图，同时与传统的压电声发射检测作对比。最终得到实验结论，同时分析影响光纤光栅声发射检测的因素。第2章 声发射传感器的研究及应用现状2.1声发射传感器的研究 固体介质中传播的声发射信号含有声发射源的特征信息，一般情况下要根据这些信息反映材料特性或者是缺陷发展状态，就是说要在固体便面接受这种声发射信号。声发射信号时瞬变随机信号，频率范围很宽，从几Hz的次声频，20Hz20KHz的声频到数MHz的超声频，垂直位移极小约为10-17 10-14 米。因此声发射检测仪器具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围等性能。2.1.1传统声发射传感器传统声发射传感器主要为压电谐振式声发射传感器。压电式传感器分为谐振式和非谐振式，非谐振式传感器一般工作在谐振频率1/3以下频段，灵敏度 较低，但有很平坦的响应，故一般可用于宽频带接收。谐振式传感器工作于频率响应曲线的谐振频率附近，灵敏度高，但带宽受到限制，一般用于发射型换能器，也可用于窄带接收。由于声发射信号较弱，各种干扰较大，因此，谐振式传感器一般作为换能器运用到压电谐振式传感器【6】。压电声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。根据不同的检测目的和环境采用不同结构和性能的声发射传感器。其中，谐振式高灵敏度声发射传感器是声发射检测中使用最多的一种。压电谐振式声发射检测过程中，运用压电效应。压电效应是可逆的，分为正压电效应和逆压电效应。一般情况下，我们把正压电效应称作是压电效应。当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象为正压电效应。 利用正压电效应制成的正压电传感器可以将振动、压力、加速度等非电量转换成电量，从而进行高精度的测量。 接线端子阻尼层被衬压电陶瓷敏感元件外壳匹配网络电极引线匹配层电极 图21 压电谐振式声发射传感器结构图当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或者是机械应力，当外电场撤去后，变形或者应力也随之消失，这种现象称作逆压电效应。利用逆压电效应可制成超声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器等。逆压电效应可以用作声发射信号的产生。电介质受力所产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数。它与机械形变方向有关，一定材料一定方向上则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（压缩或者伸长）。有明显压电效应的材料是压电材料，常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、镓酸锂LiGaO3等单晶和钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT等多晶。新型压电材料有高分子压电薄（如聚偏二氟乙烯PVDF）和压电半导体。由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它重量轻、结构简单、工作简单、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点，因此，压电式传感器的应用获得迅速的发展。在测试技术中，压电转换元件能测量可转换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和震动感等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。但是压电材料制成的声发射传感器无静态输出，而且要求输出阻抗较高，不耐高温、容易受电磁干扰等，在一些磁场、电场较强的场合不宜使用。212光纤声发射传感器光纤传感器（fiber-optic sensor, FOS）是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，与以电为基础的传感器有着本质的区别。目前已经研制出两千多种光纤传感器，可以用于测量温度、压力、应变、振动、超声等物理量；气体成分、PH值等化学量；抗体、基因等生物量。光纤传感器与传统的电子类传感器相比有以下优点：（1）传感器的体积小，重量轻，可以方便地安装在设备的内部，安装在变压器油箱或者绕组内部可以进行长期监测。（2）光纤传感器用光波作为传感信号，测量不受外界电磁场的干扰，长期漂移相对较小，可以在高压等强电场环境下对电力进行长期的监测。（3）光纤传感器通过光信号的特征变化来实现对外界参数检测的功能，传输光缆不带电，传感器由玻璃纤维制成，绝缘性能好，本质安全，适合于石油等工作场所，如表21所示。 表21为光纤声发射传感器和传统声发射传感器的特点对比光纤声发射传感器传统声发射传感器体积小、频带宽体积大，频带窄可实现非接触测量必须与物体接触进行测量抗高温、抗电磁干扰、抗腐蚀，适合于恶劣环境工作不能再高温、强电磁干扰、腐蚀环境工作灵敏度高、安全性高灵敏度低，易受外界环境干扰光纤传感器（FOS）用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介。光纤传感器的组成和原理：光导纤维可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时光波的特征参量振幅、相位、偏振态、波长等因外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）的作用直接或者间接地发生变化，因此光纤传感器可用作探测各种物理量【7】。光纤传感器系统一般由光源、传输光纤、传感探头、光电转换和信号处理等四个部分。光源发出的光波通过入射光线传到传感探头，受到被测物理量的调制，然后携带调制信息的光波经光电转换后变为电信号，通过解调即可得到被测物理量的状态，如图22所示。光纤 光波的特征参量：振幅、相位、波长出射光波入射光波外界因素（温度、压力、磁场、电场）等）图22 基本光纤传感器系统解调系统光电转换电信号2.2声发射传感器的应用现状 声发射检测技术具有检测材料内部动态过程的能力，它在许多技术领域内得到越来越多的运用。主要包括以下方面：材料检测：由于裂纹的萌发与扩展伴随着强烈的声发射活动，声发射技术成为断裂力学的重要研究手段。应用于复合材料、增强塑料、陶瓷材料和金属材料的性能测试，材料的断裂试验，金属和合金材料的疲劳试验以及腐蚀监测，材料的摩擦测试等。电力工业：变压器局部放电的检测，高压容器和汽包的检测，蒸汽管线的连续泄漏监测，锅炉泄漏的监测，汽轮机轴承运行状况的监测，阀门蒸汽损失的定量测试等。石油化工工业：高温反应器、换热器、管线、低温容器、球星容器和柱形容器的检测和结构完整性评价，阀门的泄漏检测，埋地管道的泄漏检测，腐蚀状况的实时探测和海岸管道内部存在沙子的探测等等。民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展到连续检测等。航空航天工业：飞机起落架的原位监测，发动机叶片和直升机叶片的检测，航空器的在线连续监测，飞机壳体的断裂探测，航空器的验证性试验等。交通运输业：公路和铁路槽车的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。金属加工：工具磨损和断裂的探测，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。第3章 光纤光栅声发射检测的基本原理31光纤AE 传感技术的基本原理光纤光栅声发射检测原理是：将光源的光经入射光纤送入调制区，在调制区内待测AE 波对光进行调制使光的光学性质( 如强度、相位、波长、频率、偏振态等) 发生变化，从而使已调光携带AE 波的信息，然后，将已调光送入解调装置，从被调制的光波中提取外界信号（被测量）。外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型（Functional Fiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。因为光源耦合的发射光纤同光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（Nonfunctional Fiber，简称NFF）或非本征型光纤传感器，在非本征型光纤传感器中，光纤只起传光作用，传感探头为其他敏感元件。发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器【8】。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。图31所示为光纤Bragg光栅的结构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成，通过对芯层掺杂(通常是掺锗)，使芯层折射率比包层折射率n2大，从而形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输【9】。包层折射率n2纤芯折射率n1Bragg光栅折射率调制图31 光纤光栅结构图满足Bragg条件的光波入射光波反射光波透射光波32光纤Bragg光栅声发射检测系统的解调原理布拉格（Bragg）光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常约为0.10.5nm)。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。这样反射条件就称为Bragg条件，只有满足Bragg条件的光波才能被光纤光栅反射只有波长满足Bragg条件光波才能被FBG反射回来,其余波长的光被透射。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期A和调制的幅度 (也就是有效折射率) 大小，数学公式如式子1，为Bragg光栅方程。 由式1所示的光纤光栅的Bragg方程可知，光纤光栅的Bragg波长取决于光栅周期A和反向耦合模的有效折射率，任何使这两个参量发生变化的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移, 由式2可得知Bragg波长的漂移量为【10】 这即是光纤光栅传感的基本原理，原理图如图32所示。纤芯传输信号反射信号输入信号图32光纤光栅传感的基本原理光纤光栅的反射光谱可以近似高斯函数表示，当窄带激光器产生窄带光并且与反射光谱重叠，光纤Bragg光栅受到声发射信号扰动时，会引起光纤光栅反射波的中心波长产生漂移，重叠部分即阴影部分面积（卷积）会产生变化，如图3-3所示光电转换模块所接受到的光功率也会随之变化【11】。III输入谱传输谱反射谱外因引起波长移动图33 Bragg光纤光栅传感原理窄带光匹配解调窄带光反射光漂移后的反射光第4章 光纤光栅声发射检测系统的构建4.1光纤光栅声发射检测的探测系统 光纤光栅声发射检测系统主要由两部分构成，探测系统和解调系统。其中探测系统中运用到光纤光栅传感器的询问技术即精确测量波长漂移的技术。常见的探测系统有：基于线性边带滤波器的探测系统、基于光谱仪的探测系统、基于可调声光滤波器的探测系统、基于WDM光纤耦合器的探测系统、基于可调F-P（Fabry-Perot）的滤波器的探测系统等。本文简单介绍这几个探测系统： 本次实现采用的是基于光谱的探测系统。光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测系统装置：一个或者多个出射狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出多需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光电元件上，变成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱线。应用到光电探测系统扩大了能够检测的工作光谱范围：提高了测量的精度、灵敏度和速度；随着信息技术的不断发展，光谱仪实现了数字化和自动化。 从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，经环行器进入光谱仪，可直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等等。当传感光栅受到外部微扰时，反射光谱的特性就会发生变化，如峰值位置的移动、谱形的变化等。因此从光谱仪的光的反射光谱特性的变化就可以获得传感光栅上所受外部扰动的信息。基本原理图如图41所示【12】。 宽带激光器耦合器 光谱仪传感光栅图41 基于光谱的探测系统原理图4.2光纤光栅声发射检测的解调系统光纤光栅传感解调系统包括光电探测和信号处理两个部分。在光纤Bragg光栅的传感系统中，光纤布拉格光栅作为波长调制型传感器，被测信息引起Bragg反射波长的移动，其被测信息转化为特征波长的移动。要获得原来的被测量，就需要从测得的光信号中检测出布拉格波长的漂移，实现光纤光栅的解调。信号解调是传感器系统总的关键技术，它的作用主要是能够及时、准确的提取信号幅值的大小并无是真的在线被测信号随时间的变化过程【13】。因此，光纤光栅解调系的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度.由于光的基本性能都可以收到调制，因此解调系统中对应的检测就是光的强度检测、相位检测、频率检测、偏振态检测等。目前用于波长解调有很多种方法，如滤波法、干涉法、光栅色散法、可调谐窄带激光器扫描法等。本次实验过程中使用的是窄带激光器匹配法解调。图42为窄带激光器匹配解调原理图。其基本原理是用窄带光源取代宽带光源，输出波长与光纤光栅的光谱接近且谱线宽度小于Bragg反射光谱宽度的光，窄带光输出的光经过耦合器进入传感光纤光栅（FBG）。当传感光纤反射光谱发生变化时，光电转换模块的接收光强变化反映了激光器的输出光谱及传感光纤光栅反射谱的匹配状况。理论上讲，当激光器与传感器光纤光栅的反射光中心波长达到完全匹配时，窄带光与反射光谱完全重叠，阴影部分面积最大，光电转换模块接收到的光功率达到极大值。当Bragg波长受外界信号即声发射信号调制发生偏移时，由窄带激光器产生的光与反射光谱重叠的部分就会减少，光强就会发生变化，最终经过光电转换模块、前置放大器、数据采集卡显示在上位机上。窄带激光器环行器光电转换模块前置放大器数据采集卡上位机图42窄带激光器匹配滤波解调系统原理图光纤光栅传感器铝板，作为传播介质激励源第5章 性能测试实验结论和分析结论51实验仪器简单介绍整个实验过程中应用到了第四部分所提到的光纤光栅声发射探测系统以及解调系统。实验过程中使用的是基于光谱仪的探测系统，如图41所示，使用的是窄带激光器匹配解调系统，如图42所示。实验整体结构如图54所示，将传统的压电声发射传感器与光纤光栅声发射传感器至于同一个系统中，对光纤光栅声发射检测进行测试，研究其是否能够完成对正弦信号、断铅信号、纺锤信号的检测，同时与传统压电声发射检测作对比。其中用到的仪器有光谱仪、耦合器、环行器、光电转换模块、法兰盘、激励源、铝板、铅笔等。下面简单介绍各仪器在实验过程中的应用：（1） 光谱仪：光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测系统装置：一个或者多个出射狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出多需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光电元件上，办成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱线。实验过程中从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，经环行器进入光谱仪，可直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等等。当传感光栅受到外部微扰时，反射光谱的特性就会发生变化，如峰值位置的移动、谱形的变化等。（2） 光纤耦合器光纤耦合器(Coupler)又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。实验过程中使用的是这种光纤耦合器。其功能相当于环行器，但是光功率损耗较大。（3）环行器光环行器是利用法拉第旋转磁光效应和双折射晶体的偏振光学特性制成的多端口单向传输非互易光无源器件。光环行器的工作原理如图52所示，从端口1 输入的光信号只能在端口2 输出，端口2 对端口1反向隔离；从端口2输入的光信号只能在端口3输出，端口3对端口2反向隔离。三个端口的功率相差不多，但成本比光纤耦合器高。端口2 端口1端口3 图52 光环行器工作原理（3） 法兰盘 光纤适配器(又名法兰盘),也叫光纤连接器，是光纤活动连接器对中连接部件。一般应用于光纤通信设备、仪器等，其性能稳定可靠，但会损耗光功率。光纤之间是由适配器通过其内部的开口套管连接起来的，以保证光纤跳线之间的最高连接性能。光纤适配器有SC，FC，ST之分。 SC代表Standard Connector，ST代表Straight Tip，FC代表Fiber Connector。实验过程中使用到的是FC/APC法兰盘。（4） 光电转换原理如图53所示，为光电转换的基本原理图。一般情况下，二极管处于反向工作状态。当光照射在PN结上时，当电信号送入光电耦合器的输入端时会形成光电流，光强度越大，光电流越大。因此，最终通过电阻、放大器等转换成相应的电压。 NP光纤光信号功率放大器R电信号电流 I 图53 光电转换原理光照时会产生光生电子、空穴对（5） 激励源 激励源可分为噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀和金镉合金相变等连续波源可以由压电传感器、电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生脉冲波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂和激光脉冲等产生。传播介质可以是钢、铝或其它材料的棒、板和块。实验过程中主要用激励器来提供连续声发射信号和AE信号，即连续信号和纺锤信号，铅笔芯断裂来提供断铅信号，使用的传播介质是铝板。52实验所测结果及分析按照实验结构图连接各仪器，进行光栅光纤声发射检测系统性能的测试，同时与传统的压电声发射监测系统作比较。实验所得如图54所示。窄带光源光纤耦合器 光电转换模块前置放大器数据采集上位机激励器压电传感器光纤光栅传感器图 54 实验结构图实验过程中有激励原来提供连续信号即正弦信号和AE信号，各参数设置为未写。下面三个图片为实验过程中通过上位机获得所测得的三种信号的相对应的电压时间、功率频率、幅值时间图。在图55、56、57中为光纤Bragg光栅声发射传感器和压电谐振声发射传感器的对比，下边一行均为压电式对应图形。 图55 正弦信号 图56 AE信号 图57 断铅信号由以上三个图片可以得出结论：光纤Bragg光栅声发射传感器可以完成对声发射信号的检测，图中的连续信号、AE信号、断铅信号均为声发射标准信号。光纤Bragg声发射检测系统可以根据此原理对各种声发射信号进行检测，进而运用到各个行业领域。但是从图片中可以看到，与成熟的传统的压电式声发射传感器技术相比较，光纤光栅声发射传感器检测检测技术不是特别成熟，仍属于研究阶段。目前，光纤光栅声发射传感器检测技术还需要不断改进。声发射技术的应用均以材料的声发射特性为基础。影响声发射特性的因素：材料，材料不同的声发射特性差异很大。即使对同一材料而言，影响声发射特性的因素也十分复杂，如热处理状态、组织结构、试样形状、加载方式、受载历史、温度环境和气氛等。对同一试样作声发射试验，在同样的内部和外部条件下，由于试样的声发射源不同，也会表现出不同的声发射特性。同时，在系统上不断进行改进，比如通频带的宽度、系统的总增益、设置的阈值电压等，减小噪声的影响，可以提高声发射检测精度。第6章 总结与展望61总结本文主要研究基于光纤Bragg光栅传感器的声发射检测，将光纤光栅声发射传感器和传统的压电声发射传感器置于同一个系统中，利用激励源提供标准信号即连续信号、AE信号，利用铅笔芯断裂提供断铅信号。入射光进入光纤中进行调制，经Bragg光栅反射的反射光携带AE波的信息，通过窄带光匹配解调发从光波中提取被测量即AE波的信息。最终通过整个系统将光纤光栅声发射传感器与传统压电声发射传感器进行对比，测试光纤光栅声发射检测的性能。62课题展望及发展前景本次设计过仍存在很多问题等待解决，例如试验系统并不是很稳定，检测过程中各种因素的影响使得实验数据有很大的差异。可以通过改进系统构成提高系统的稳定性，并对实验系统稳定性进行检测。此外，基于光谱仪探测倒得声发射信号，可以用来分析被检测信号的类型以及研究物体内部缺陷的实际危害和程度以及结构的完整性和预期使用寿命等。本文主要研究基于光纤Bragg光栅的声发射检测。与传统压电传感器检测相比较，光纤AE 传感器具有体积小、频带宽、灵敏度高、损坏阈值高、不必与被测物体接触、适用于恶劣环境等优点。目前光纤AE 传感器作为一种新型的传感技术正得到不断的发展和完善，也正逐渐应用于国防科技、工业检测、民用工程建设等各个领域，具有巨大的发展潜力。同时，随着全数字化声发射仪器和各种功能强大的信号处理软件的出现，声发射检测步入了一个更高层次。目前对声发射技术的研究主要包括以下几个方面：（1）基于Bragg光栅等各种光栅传感器与光学干涉仪相结合的新型光纤AE传感。（2）进一步进行采用先进声发射技术、声发射波的传播等方面。（3）进一步采用先进技术及先进解调设备，开发新型高效能的声发射检测仪器。（4）开拓新的应用领域的实验研究，如泄漏检测、旋转机械监测及金属切削过程监测等。参考文献1 刘娟,丁克勤.光纤声发射传感器的研究现状与展望J.传感器与微系统,2010,29 (9):5-52 林学煌，光无源器件M.北京:人民邮电出版社，20013 藤山邦久日编著,冯夏庭译.声发射(AE)技术的应用M.北京:冶金工业出版社,1996,124 沈功田,