一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統的製作方法

2023-10-22 21:52:47 1

專利名稱：一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於聲發射檢測技術領域，特別涉及一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統。
背景技術：
金屬材料或複合材料因受カ產生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放出應變能的現象，稱為聲發射。聲發射技術就是採用高靈敏度的聲發射傳感器實時採集這些來自於材料缺陷的聲發射信號，並通過對這些聲發射信號的分析處理，來了解材料缺陷的發展情況，以實現對材料健康狀況的監測。由於聲發射技術的動態性、敏感性、整體性、普適性等優點，使得它在航空、航天、地震監測以及金屬加工等方面有廣泛的應用。
光纖布拉格光柵是利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯內產生周期性變化的折射率分布，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶濾波器或反射鏡。寬帶光進入光纖布拉格光柵，只有滿足其反射條件的很窄的光才能被光纖布拉格光柵反射回去。由於光纖布拉格光柵的抗電磁幹擾、耐腐蝕、靈敏度高、對電絕緣、成本低及易於實現復用等優點，光纖布拉格光柵ー經問世，便在光纖傳感領域發揮重要作用，並在高速公路、橋梁、礦山、地質勘探、鉄路、石油/天然氣管道的結構健康監測中得到廣泛應用。現有的光纖光柵傳感系統如中國專利CN200920129512. 2 「ー種光纖光柵傳感器及光纖光柵傳感系統」、CN200610130121. 3 「光纖光柵傳感系統」都可以同時測量溫度與應變；現有的光纖聲發射檢測系統如中國專利CN201110207340. 8 「ー種基於光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統」等聲發射檢測系統適於在恆溫環境下檢測，若環境溫度變化較大，則會影響光纖布拉格光柵檢測精度。

發明內容
本發明的目的在於,克服已有的技術局限，將光纖布拉格光柵引入聲發射領域，提供了一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，該系統具有檢測靈敏度高、不受電磁幹擾、適於動/靜態檢測、適於恆溫/變溫環境工作等特點。本發明的技術方案一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，所述傳感系統包括泵浦源，光波分復用器，摻鉺光纖，第一光隔離器，第一光纖稱合器，第一光纖布拉格光柵，第二光隔離器，第二光纖稱合器，第二光纖布拉格光柵，光電探測電路，前置放大電路，模數轉換電路，FPGA,計算機；其中,第一光纖稱合器的A端ロ與第一光隔離器相連,B端ロ與第一光纖布拉格光柵相連,C端ロ通過迴路接入光波分復用器,D端ロ接第二光隔離器；其中，第二光纖耦合器的E端ロ接第二光隔離器，F端ロ接光電探測器，G端ロ接第ニ光纖布拉格光柵，H端ロ空置；泵浦源發出的泵浦光被光波分復用器引入光路，進入摻鉺光纖，經過摻鉺光纖放大後，通過第一光隔離器進入第一光纖耦合器的A端ロ，此處光被分為兩路，一路通過端ロ B進入第一光纖布拉格光柵,只有符合第一光纖布拉格光柵中心反射波長的窄帶光可以被反射回去，並經端ロ C進入光路(進入端ロ A的光被第一光隔離器隔離)，經過多次循環後，光路最終具有穩定的輸出波長與功率；另一路光通過端ロ D經第ニ光隔離器到達第二光纖耦合器的E端ロ，分為兩路，一路進入空置端H，另一路通過G端ロ進入第二光纖布拉格光柵，第二光纖布拉格光柵接收到外界聲發射信號，中心波長發生相應的漂移，只有符合第二光纖布拉格光柵中心反射波長的窄帶光可以被反射回去，並通過F端ロ到達光電探測電路(通過E端ロ的光被第二光隔離器隔離)，此處光信號被轉換為電信號，再經過前置放大電路放大，進入模數轉換電路轉換為數位訊號輸出，經FPGA採集、濾波、解調後，在計算機上得到分析與顯示。進ー步的，所述泵浦源為泵浦光源，中心波長為974. 54nm,峰值功率為6. 77dBm。進ー步的，所述摻鉺光纖線長20m，芯徑3 μ m。進ー步的，所述第一光纖稱合器，分光比為40:60,進入第一光纖布拉格光柵的B端為40,用於光路輸出的D端為60 ;第二光纖稱合器,分光比為50:50,進入空置端H和第 ニ光纖布拉格光柵的G端ロ的光的比例相同。進ー步的，所述第一光纖布拉格光柵為可調諧光柵，要與用於傳感的第二光纖布拉格光柵相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬、溫度靈敏係數參數一致，中心波長相差
O.Inm0進ー步的，所述的光電探測電路為半導體InGaAs PIN型光電ニ極管電路。進ー步的，所述的前置放大電路，信噪比50dB以上，帶寬20-1200KHZ。本發明與現有技術相比的優點在於現有的光纖布拉格光柵傳感器大多數都工作在恆溫或溫度變化較小的環境下，一旦環境溫度變化較大，光纖布拉格光柵的檢測精度便會降低，影響最終檢測結果，而本發明採用帶溫度補償的匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統，可以最大限度的降低溫度對光纖布拉格光柵傳感器的影響，使得光纖布拉格光柵傳感器在變溫環境下同樣具有正常工作的能力，同時降低了系統的成本，利於工程實際應用。


圖I是自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統的原理圖；圖中1、泵浦源,2、光波分復用器,3、摻鉺光纖,4、第一光隔離器,5、第一光纖f禹合器,6、第一光纖布拉格光柵,7、第二光隔離器,8、第二光纖稱合器,9、第二光纖布拉格光柵，10、光電探測電路，11、前置放大電路，12、模數轉換電路，13、FPGA，14、計算機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當採用已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時,這些描述在這裡將被忽略。如圖I所示，本發明所述的自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統包括泵浦源I，光波分復用器2,摻鉺光纖3,第一光隔離器4,第一光纖稱合器5,第一光纖布拉格光柵6,第二光隔離器7,第二光纖f禹合器8,第二光纖布拉格光柵9,光電探測電路10,前置放大電路11，模數轉換電路12，FPGA13，計算機14 ;其中，第一光纖耦合器5的A端ロ與第一光隔離器4相連，B端ロ與第一光纖布拉格光柵6相連，C端ロ通過迴路接入光波分復用器2，D端ロ接第二光隔離器7 ;其中，第二光纖耦合器8的E端ロ接第二光隔離器7，F端ロ接光電探測器10，G端ロ接第二光纖布拉格光柵9，H端ロ空置；光電探測電路10後面依次接入前置放大電路11，模數轉換電路12，FPGA13以及計算機14。泵浦源I發出的泵浦光被光波分復用器2引入光路，進入摻鉺光纖3，經過摻鉺光纖3放大後,通過第一光隔離器4進入第一光纖稱合器5的A端ロ，此處光被分為兩路,一路通過端ロ B進入第一光纖布拉格光柵6,只有符合第一光纖布拉格光柵6中心反射波長的窄帶光可以被反射回去，並經端ロ C進入光路(進入端ロ A的光被第一光隔離器隔離)，經過多次循環後，光路最終具有穩定的輸出波長與功率；另一路光通過端ロ D經第二光隔離器7到達第二光纖耦合器8的E端ロ，分為兩路，一路進入空置端H，另一路通過G端ロ進入第二光纖布拉格光柵9,第二光纖布拉格光柵9接收到外界聲發射信號，中心波長發生相應的漂移，只有符合第二光纖布拉格光柵9中心反射波長的窄帶光可以被反射回去，並通過F端ロ到達光電探測電路10 (通過E端ロ的光被第二光隔離器7隔離)，此處光信號被轉換為電信號，再經過前置放大電路11放大，進入模數轉換電路12轉換為數位訊號輸出，經FPGA13採集、濾波、解調後，在計算機14上得到分析與顯示.所述泵浦源I為泵浦光源。其作用是為摻鉺光纖3中的電子提供能量，使其受激發後發生粒子數反轉，產生自發輻射，起到放大的作用。本發明使用的泵浦光源中心波長為974. 54nm,峰值功率為6. 77dBm ;使用的摻鉺光纖線長20m，芯徑3 μ m。所述光波分復用器起到將不同波長的光合為一路在光纖中傳輸的作用。所述第一光纖稱合器5,分光比為40:60,進入第一光纖布拉格光柵6的B端為40,用於光路輸出的D端為60 ;第二光纖I禹合器8,分光比為50:50,進入空置端H和第二光纖布拉格光柵9的G端ロ的光的比例相同。所述第一光纖布拉格光柵6為可調諧光柵,要與第二光纖布拉格光柵9 (傳感光柵)相匹配，中心波長相差O. lnm，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬參數應一致。當兩個光纖布拉格光柵處於同一溫度場時，由溫度引起的中心波長漂移基本相同，這就最大限度的降低了溫度對第二光纖布拉格光柵9的影響，不會過於影響第二光纖布拉格光柵9的檢測精度，實現了溫度補償。所述光電探測電路10為半導體InGaAs光電ニ極管。入射到光電探測電路10上的信號光經過了一系列的光纖、接ロ、耦合器，功率衰減比較大，通常在nW量級，故選用半導體InGaAs光電ニ極管進行光電轉化,它具有光譜響應寬、光電轉換效率高,穩定性好、信噪比聞等優點。所述前置放大電路11，起到將經光電轉換後的電信號放大的作用。由於所需放大的電信號屬於寬頻微弱信號，故需選用帶寬寬，信噪比高的前置放大電路。本發明所用前置放大電路11的信噪比在50dB以上，帶寬20-1200KHZ所述模數轉化電路12，起到將放大後的模擬電信號轉化為數字電信號的作用。所述FPGA13起到對轉換後的數位訊號進行採集、濾波、解調的作用。儘管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便於本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式
的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述傳感系統包括泵浦源(1)，光波分復用器(2)，摻鉺光纖(3)，第一光隔離器(4)，第一光纖耦合器(5)，第一光纖布拉格光柵(6)，第二光隔離器(7)，第二光纖耦合器(8)，第二光纖布拉格光柵(9)，光電探測電路(10)，前置放大電路(11)，模數轉換電路(12)，FPGA (13)，計算機(14)；其中，第一光纖稱合器(5)的A埠與第一光隔離器(4)相連，B埠與第一光纖布拉格光柵(6)相連，C埠通過迴路接入光波分復用器(2)，D埠接第二光隔離器(7);其中，第二光纖耦合器(8)的E埠接第二光隔離器(7)，F埠接光電探測器(10)，G埠接第二光纖布拉格光柵(9)，H埠空置；泵浦源(I)發出的泵浦光被光波分復用器(2)引入光路，進入摻鉺光纖(3 )，經過摻鉺光纖(3 )放大後，通過第一光隔離器(4 )進入第一光纖耦合器(5 )的A埠，此處光被分為兩路,一路通過埠 B進入第一光纖布拉格光柵(6),只有符合第一光纖布拉格光柵(6)中心反射波長的窄帶光能夠被反射回去，並經埠 C進入光路，經過多次循環後，光路最終具有穩定的輸出波長與功率；另一路光通過埠 D經第二光隔離器(7)到達第二光纖耦合器(8)的E埠，分為兩路，一路進入空置端H，另一路通過G埠進入第二光纖布拉格光柵(9),第二光纖布拉格光柵(9)接收到外界聲發射信號，中心波長發生相應的漂移，只有符合第二光纖布拉格光柵(9)中心反射波長的窄帶光能夠被反射回去，並通過F埠到達光電探測電路(10 )，此處光信號被轉換為電信號，再經過前置放大電路(11)放大，進入模數轉換電路(12)轉換為數位訊號輸出，經FPGA (13)採集、濾波、解調後，在計算機(14)上得到分析與顯示。
2.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述泵浦源(I)為泵浦光源，中心波長為974. 54nm,峰值功率為6. 77dBm。
3.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述摻鉺光纖(3)線長20m，芯徑3 μ m。
4.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述第一光纖稱合器(5),分光比為40:60,進入第一光纖布拉格光柵(6)的B端為40,用於光路輸出的D端為60 ;第二光纖I禹合器(8),分光比為50:50,進入空置端H和第二光纖布拉格光柵(9 )的G埠的光的比例相同。
5.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述第一光纖布拉格光柵(6)為可調諧光柵,要與用於傳感的第二光纖布拉格光柵(9)相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬、溫度靈敏係數參數一致，中心波長相差O. lnm。
6.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述的光電探測電路(10)為半導體InGaAs PIN型光電二極體電路。
7.根據權利要求I所述的一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，其特徵是所述的前置放大電路(11)，信噪比50dB以上，帶寬20-1200KHZ。
全文摘要
本發明提供了一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感系統，光路系統包括泵浦源，光波分復用器，摻鉺光纖，第一光隔離器，第一光纖耦合器，第一光纖布拉格光柵，第二光隔離器，第二光纖耦合器，第二光纖布拉格光柵，光電探測電路，前置放大電路，模數轉換電路，FPGA，計算機；本發明主要用於結構健康監測以及結構重要部件的損傷檢測，相比於採用窄帶光源的功率型光纖布拉格光柵聲發射傳感系統，本發明自帶溫度補償，可有效降低溫度變化對光纖布拉格光柵傳感器的影響，提高光纖布拉格光柵傳感器的檢測精度，同時降低了設備成本，利於實際工程應用。
文檔編號G01H9/00GK102680582SQ201210187630
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者李寧, 李成貴, 塗萬裡, 魏鵬 申請人:中國人民解放軍陸軍航空兵學院, 北京航空航天大學