一種光纖聲發射檢測與定位系統的製作方法

2023-05-10 13:37:06 3

專利名稱：一種光纖聲發射檢測與定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及聲發射檢測技術領域，尤其涉及一種超高精度的光纖聲發射檢測與定位系統。
背景技術：
聲發射(Acoustic Emission, AE)又稱為應力波發射,是材料中局域源快速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種現象，並且多數是只能用高靈敏度傳感器才能探測到的微弱振動或表面位移。聲發射現象的觀測起源於地震監測，現今已廣泛應用於巖石破裂監測、壓力容器和航空航天部件的聲發射檢測、結構健康監測以及複合材料的聲發射特性研究等各個行業當中，並發揮著其他無損檢測方法不可替代的作用。
縱觀聲發射檢測技術的發展歷史，傳統的聲發射傳感器多採用諧振式壓電傳感器，其主要缺點是體積大，頻帶窄，必須與物體接觸，不能在高溫、強電磁幹擾、腐蝕等惡劣環境下使用。例如張軻等人提出的小型寬帶聲發射傳感器(中國專利申請CN1051087A)、劉勝等人提出的一種聲發射傳感器(中國專利申請CN201074528Y)、賁宇等人提出的一種聲發射傳感器(中國專利申請CN101502947A)等。自上世紀80年代末,伴隨著光纖傳感技術的迅速發展，國內外廣泛開展了光纖聲發射檢測技術的研究工作。相比傳統的聲發射傳感器，光纖聲發射傳感器具有體積小，頻帶寬，損壞閾值高，不必與被測物體接觸或可以嵌入在結構材料內部，適用於高溫、強電磁幹擾、腐蝕等惡劣環境等優點。強度調製型、相位調製型(幹涉型)、波長調製型等不同類型的光纖聲發射傳感器被成功的研製出來，並應用於現場聲發射檢測。起初(1980年 2000年)，光纖聲發射檢測技術大都採用幹涉式的光纖傳感器結構。近10多年來，隨著光纖光柵(FBG)傳感器的製造技術的發展及其在各個行業的成功應用，基於FBG傳感器的聲發射檢測方案得到廣泛關注(IgnacioPerez et. ,「Acoustic Emission Detection U sing F iberBragg Gratings」， SMARTMATERIALS AND STRUCTURES，2001)。相對於前期廣泛研究的幹涉式光纖聲發射傳感器，FBG傳感器具有更小的體積和質量，並且採用波長編碼不受光源功率波動影響，易於組網、構成大面積分層損傷監測系統，特別的是FBG還具有聲發射檢測方向性特徵，可以構建FBG應變花來實現聲發射源的定位(G THURABY et. ,「Multifunctional fibre optic sensors monitoring strain andultrasound，，，Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures, 2008),這也使其成為了近十年來在光纖聲發射檢測中的研究熱點。例如，關柏鷗提供的光纖光柵聲發射和溫度傳感器(中國發明專利CN1818625A)、魏鵬等人提供的一種基於光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統(中國發明專利CN102313779A)、Kenny等人提供的光纖光柵應變花(美國發明專利US6586722)等。但還未見到利用FBG應變花同時實現連續型和突髮型兩種聲發射信號探測與定位的報導。近年來，光纖雷射傳感器(FLs)在光纖傳感領域顯示出了巨大的潛力，它除了具有普通FBG傳感器結構簡單、抗電磁幹擾、尺寸小和易於通過波分復用組建傳感網絡等優點外，同時還具有單頻、窄線寬、高功率、超低噪聲等優勢，結合高解析度波長解調技術可以實現超高靈敏度的動態信號探測，這在微弱信號探測方面有著不可比擬的優勢。因此將FLs用於聲發射檢測中，不但可以獲得比FBG型聲發射傳感器具有更高的探測靈敏度(C-CYe. et, 「Ultrasonic sensing using Yb3+/Er3+_codoped distributedfeedback fibregrating lasers」，SMART MATERIAL S AND S TRUCTURE S，2005)，同時由於光纖雷射聲發射傳感器相對於已廣泛研究的幹涉式光纖聲發射傳感器，其結構尺寸小，易於組網，這在聲發射檢測與定位方面具有很大的技術優勢。但到目前為止，對FLs的聲發射方向性特徵的研究還未見到相關報導。
鑑於此，本發明提出一種超高精度的光纖聲發射檢測與定位系統，採用最新發展的光纖雷射傳感器技術構建光纖雷射傳感器應變花，並針對連續型和突髮型兩種聲發射信號，利用光纖雷射器的方向性特徵實現兩種不同的聲發射源定位算法，同時進行連續型和突髮型聲發射信號的檢測與定位，並重點解決微弱聲發射信號檢測中聲發射傳感器的靈敏度不高，定位複雜，電磁幹擾，耐高溫、高壓、強腐蝕環境能力差，以及長距離信號實時傳輸和長期連續觀測等問題。

發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種超高精度的光纖聲發射檢測與定位系統，以提高探測微弱聲發射信號和對聲發射源進行定位的能力，並解決微弱聲發射信號檢測中聲發射傳感器的靈敏度不高，定位複雜，電磁幹擾，耐高溫、高壓、強腐蝕環境能力差，長距離信號實時傳輸和長期連續觀測等問題。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種光纖聲發射檢測與定位系統，該系統包括由多個光纖雷射傳感器5串聯而成的光纖雷射傳感器應變花8 ;封裝固定該多個光纖雷射傳感器5並傳遞聲發射信號的光纖雷射傳感器應變花底板4 ;耦合該多個光纖雷射傳感器5並傳遞聲發射信號的聲耦合劑7 ;接收並解調由聲發射信號引起的光纖雷射傳感器5產生的光學信號的光纖信號解調裝置2 ;以及基於光纖信號解調裝置2對光學信號解調出的結果實現聲發射源定位的聲發射源定位裝置I。上述方案中，所述光纖雷射傳感器5為分布布拉格反射型(DBR)光纖雷射傳感器或分布布拉格反饋型(DFB)光纖雷射傳感器，能夠感受聲發射信號並將該聲發射信號轉變為其輸出波長的變化。上述方案中，所述光纖雷射傳感器5至少有三個，並且該至少三個光纖雷射傳感器5在同一平面內、互不平行，串聯構成光纖雷射傳感器應變花8。上述方案中，所述光纖雷射傳感器5為三個，這三個光纖雷射傳感器5構成等邊三角形或等腰直角三角形。上述方案中，所述光纖雷射傳感器應變花底板4和聲耦合劑7均為能夠與基體進行聲匹配的材料。上述方案中，所述光纖雷射傳感器應變花底板4通過膠體粘接在基體的表面，或者將所述光纖雷射傳感器應變花底板4及其上的光纖雷射傳感器應變花8和聲耦合劑7 —起耦合到基體的內部，以靈活地實現聲發射信號探測和聲發射源定位。上述方案中，所述光纖信號解調裝置2為一種高精度的光纖雷射傳感器解調裝置。所述光纖信號解調裝置2為基於幹涉原理和相位載波(PGC)算法的光纖雷射傳感器解調裝置，其動態應變解析度可達l(T6pm。上述方案中，所述聲發射源定位裝置I能夠依據光纖雷射傳感器聲發射信號的方向性特徵而實現定位或依據時差法進行定位的聲發射源定位，採用連續型聲發射信號定位算法或突髮型聲發射信號定位算法實現連續型或突髮型兩種聲發射信號的探測與定位。當所述聲發射源定位裝置I採用連續型聲發射信號定位算法時，依據光纖雷射傳感器5波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器5的方向角關係實現定位的；當所述聲發射源定位裝置I採用突髮型聲發射信號定位算法時，一方面依據光纖雷射傳感器5波長信號的不同頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器5的方向角關係實現定位，另一方面依據聲發射信號到達不同的光纖雷射傳感器應變花8的時間差來實現·定位。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的光纖聲發射檢測與定位系統，採用極高靈敏度和寬頻帶的光纖雷射傳感器，可以提高探測微弱聲發射信號的能力。2、本發明提供的光纖聲發射檢測與定位系統，通過將光纖雷射器串聯構成光纖雷射器應變花，並針對連續型和突髮型聲發射信號，利用光纖雷射器的方向性特徵實現兩種不同的聲發射源定位算法，同時進行連續型和突髮型聲發射信號的檢測與定位，可以大大減小聲發射源定位的複雜度。3、本發明提供的光纖聲發射檢測與定位系統，採用光纖雷射器替代傳統電學聲發射探頭，是一種全光測量方法，故可以解決聲發射檢測中的抗電磁幹擾性能弱，耐高溫、高壓、強腐蝕環境能力差等問題。4、本發明提供的光纖聲發射檢測與定位系統，採用光纜進行信號傳輸，光信號對電學信號不敏感，易於實現長距離信號實時傳輸和長期連續觀測。


圖I為本發明提供的基於光纖雷射傳感器應變花的聲發射檢測與定位系統的示意圖；圖2為本發明提供的基於光纖雷射傳感器應變花陣列的聲發射檢測與定位系統的不意圖；圖3為本發明提供的單個光纖雷射傳感器應變花中的3支光纖雷射傳感器測得的連續型聲發射信號的示意圖；圖4為本發明提供的單個光纖雷射傳感器應變花中的3支光纖雷射傳感器測得的突髮型聲發射信號的示意圖；圖5為本發明提供的光纖雷射傳感器波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係曲線；圖6為本發明提供的光纖雷射傳感器波長信號的不同頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係曲線。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。請參照圖I和圖2，其中圖I為本發明提供的基於光纖雷射傳感器應變花的聲發射檢測與定位系統的示意圖，圖2為本發明提供的基於光纖雷射傳感器應變花陣列的聲發射檢測與定位系統的示意圖。如圖I所示，本發明提供的這種光纖聲發射檢測與定位系統，包括由多個光纖雷射傳感器5串聯而成的光纖雷射傳感器應變花8，其尾纖通過光纜6引出，光纖雷射傳感器5用於檢測聲發射信號；封裝固定該多個光纖雷射傳感器5並傳遞聲發射信號的光纖雷射傳感器應變花底板4 ;耦合該多個光纖雷射傳感器5並傳遞聲發射信號的聲耦合劑7 ;接收 並解調由聲發射信號引起的光纖雷射傳感器5產生的光學信號的光纖信號解調裝置2 ;以及基於光纖信號解調裝置2對光學信號解調出的結果實現聲發射源定位的聲發射源定位裝置I。其中，光纖雷射傳感器5為分布布拉格反射型(DBR)光纖雷射傳感器或分布布拉格反饋型(DFB)光纖雷射傳感器，能夠感受聲發射信號並將該聲發射信號轉變為其輸出波長的變化。光纖雷射型傳感器兼顧傳統的無源光纖光柵傳感器和幹涉式光纖傳感器兩者的優點，具有高的靈敏度、小的尺寸和長期穩定性的優點。在本發明中，光纖雷射傳感器5至少有三個，並且該至少三個光纖雷射傳感器5在同一平面內、互不平行，串聯構成光纖雷射傳感器應變花8。光纖雷射傳感器5為三個時，這三個光纖雷射傳感器5構成等邊三角形、等腰直角三角形或者每隔120°布放3支光纖雷射傳感器的Y形結構等。在本發明中，光纖雷射傳感器應變花底板4和聲稱合劑7均為能夠與基體進行聲匹配的材料。例如，若基體為大理石，那麼底板也可以是大理石、花崗巖等，而聲耦合劑可以是 353ND、7S811 等。在本發明中，光纖雷射傳感器應變花底板4通過膠體粘接在基體的表面，或者將所述光纖雷射傳感器應變花底板4及其上的光纖雷射傳感器應變花8和聲耦合劑7 —起耦合到基體的內部，以靈活地實現聲發射信號探測和聲發射源定位。在本發明中，光纖信號解調裝置2為一種高精度的光纖雷射傳感器解調裝置。光纖信號解調裝置2為基於幹涉原理和相位載波(PGC)算法的光纖雷射傳感器解調裝置，其動態應變解析度可達10_6pm。在本發明中，聲發射源定位裝置I能夠依據光纖雷射傳感器聲發射信號的方向性特徵而實現定位或依據時差法進行定位的聲發射源定位，採用連續型聲發射信號定位算法或突髮型聲發射信號定位算法實現連續型或突髮型兩種聲發射信號的探測與定位。光纖雷射傳感器聲發射信號的方向性特徵是通過實驗驗證的，可以參考現有的關於光纖光柵(FBG)傳感器聲發射信號的方向性特徵的相關報導進行類似的實驗。當所述聲發射源定位裝置I採用連續型聲發射信號定位算法時，依據光纖雷射傳感器5波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器5的方向角關係實現定位的；當所述聲發射源定位裝置I採用突髮型聲發射信號定位算法時，一方面依據光纖雷射傳感器5波長信號的不同頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器5的方向角關係實現定位，另一方面依據聲發射信號到達不同的光纖雷射傳感器應變花8的時間差來實現定位。當利用時差法進行聲發射源定位時，多支光纖雷射傳感器5的安裝過程，儘量保證具有相同的軸向方向。在本發明中，還可以在光纖雷射傳感器應變花底板4上通過隔聲材料封裝一支光纖雷射傳感器5 (該光纖雷射傳感器的類型與安裝在光纖雷射傳感器應變花底板上的3支光纖雷射傳感器的類型一致)，或者設計一種聲隔離腔體對該光纖雷射傳感器5進行聲隔離，用於光纖雷射傳感器應變花8的溫度補償。如圖2所示，為了更加精確的確定聲發射源的位置，可以在基體上安裝光纖雷射傳感器應變花4陣列，不同的光纖雷射傳感器應變花4通過光纜(比如鎧裝光纜)進行連接，在通過光纖信號解調裝置2和聲發射源定位裝置I進行聲發射源定位，這樣可以大大提高聲發射源定位的精度。
本發明提供的光纖聲發射檢測與定位系統的工作原理如下當基體材料內部產生缺陷時，聲發射波(AE波)將在其內部傳播開來，當AE波到達聲發射傳感區域(即光纖雷射傳感器應變花8)時，將引起該區域的微弱的擾動(表面位移)，並通過膠體、光纖雷射傳感器應變花底板4、聲耦合劑7傳遞給光纖雷射傳感器5，這便對光纖雷射器5的反射波長進行調製，再通過光纖信號解調裝置2便可以實現對聲發射信號的檢測。另外，根據光纖雷射傳感器5的聲發射方向性特徵，使用一個由3支及以上的不在同一平面內的光纖雷射傳感器5串聯構建的光纖雷射傳感器應變花8，可以通過聲發射源定位裝置I實現聲發射源的定位。為了進一步提聞聲發射源定位的精度，可以在基體材料上安裝光纖雷射傳感器應變花8陣列，以減小使用單一光纖雷射傳感器應變花8進行聲發射源定位的誤差。請參照圖3，為了驗證光纖雷射器應變花探測連續型聲發射信號的能力，本發明將其安裝於一塊大理石板上進行聲發射檢測實驗，可以看出光纖雷射傳感器應變花8的3支光纖雷射傳感器5都能夠清晰地記錄到正弦信號，並且具有較低的噪聲水平。請參照圖4，為了驗證光纖雷射器應變花探測突髮型聲發射信號的能力，本發明同樣將其安裝於一塊大理石板上進行聲發射檢測實驗，可以看出光纖雷射傳感器應變花8的3支光纖雷射傳感器5都能夠清晰地記錄到衝擊信號，並且具有較低的噪聲水平。請參照圖5，為了驗證光纖雷射傳感器波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係，本發明對單支光纖雷射傳感器探測連續型正弦波聲發射信號的方向性特徵進行了實驗。實驗過程中，將單支光纖雷射傳感器5安裝在基體材料上的一定角度方向(該位置同時安裝一支壓電型聲發射探頭)，然後在距離光纖雷射傳感器5相同距離的圓周上分別安裝聲發射信號發射探頭，通過信號發生器控制聲發射信號的頻率和幅度保持不變，測量圓周上不同位置處聲發射的信號引起光纖雷射器的波長漂移值，並繪製成曲線。從圖5中可以看出光纖雷射傳感器波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係呈現出浴盆狀曲線關係。請參照圖6，為了驗證光纖雷射傳感器波長信號的不同頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係，本發明對對單支光纖雷射傳感器探測突髮型衝擊信號的方向性特徵進行了實驗。類似的，在實驗過程中，將單支光纖雷射傳感器5安裝在基體材料上的一定角度方向(該位置同時安裝一支壓電型聲發射探頭)，然後在距離光纖雷射傳感器5相同距離圓周上的不同位置處，分別在相同的高度處將一個鋼球自由落體，模擬衝擊信號，進而測量圓周上不同位置處的衝擊信號引起光纖雷射器的波長漂移值在某一頻率下的小波能量百分比，並繪製成曲線。從圖6中可以看出光纖雷射傳感器波長信號的某一頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器的方向角關係呈現出正弦曲線關係。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，該系統包括 由多個光纖雷射傳感器(5)串聯而成的光纖雷射傳感器應變花(8)； 封裝固定該多個光纖雷射傳感器(5)並傳遞聲發射信號的光纖雷射傳感器應變花底板⑷； 耦合該多個光纖雷射傳感器(5)並傳遞聲發射信號的聲耦合劑(7)； 接收並解調由聲發射信號引起的光纖雷射傳感器(5)產生的光學信號的光纖信號解調裝置⑵；以及 基於光纖信號解調裝置(2)對光學信號解調出的結果實現聲發射源定位的聲發射源定位裝置(I)。
2.根據權利要求I所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖雷射傳感器(5)為分布布拉格反射型(DBR)光纖雷射傳感器或分布布拉格反饋型(DFB)光纖雷射傳感器，能夠感受聲發射信號並將該聲發射信號轉變為其輸出波長的變化。
3.根據權利要求2所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖雷射傳感器(5)至少有三個，並且該至少三個光纖雷射傳感器(5)在同一平面內、互不平行，串聯構成光纖雷射傳感器應變花(8)。
4.根據權利要求3所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖雷射傳感器(5)為三個，這三個光纖雷射傳感器(5)構成等邊三角形或等腰直角三角形。
5.根據權利要求I所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖雷射傳感器應變花底板(4)和聲耦合劑(7)均為能夠與基體進行聲匹配的材料。
6.根據權利要求I所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖雷射傳感器應變花底板(4)通過膠體粘接在基體的表面，或者將所述光纖雷射傳感器應變花底板(4)及其上的光纖雷射傳感器應變花(8)和聲耦合劑(7) —起耦合到基體的內部，以靈活地實現聲發射信號探測和聲發射源定位。
7.根據權利要求I所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖信號解調裝置(2)為一種高精度的光纖雷射傳感器解調裝置。
8.根據權利要求7所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述光纖信號解調裝置(2)為基於幹涉原理和相位載波(PGC)算法的光纖雷射傳感器解調裝置，其動態應變解析度可達10-6pm。
9.根據權利要求I所述的光纖聲發射檢測與定位系統，其特徵在於，所述聲發射源定位裝置(I)能夠依據光纖雷射傳感器聲發射信號的方向性特徵而實現定位或依據時差法進行定位的聲發射源定位，採用連續型聲發射信號定位算法或突髮型聲發射信號定位算法實現連續型或突髮型兩種聲發射信號的探測與定位。
10.根據權利要求9所述的光纖聲發射檢測與定位系統， 當所述聲發射源定位裝置(I)採用連續型聲發射信號定位算法時，依據光纖雷射傳感器(5)波長漂移幅值與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器(5)的方向角關係實現定位的； 當所述聲發射源定位裝置(I)採用突髮型聲發射信號定位算法時，一方面依據光纖雷射傳感器(5)波長信號的不同頻率成分的小波能量百分比與聲發射信號相對於光纖雷射傳感器(5)的方向角關係實現定位，另一方面依據聲發射信號到達不同的光纖雷射傳感器應變花(8)的時間差來實現定位。
全文摘要
本發明公開了一種光纖聲發射檢測與定位系統，該系統包括由多個光纖雷射傳感器串聯而成的光纖雷射傳感器應變花；封裝固定該多個光纖雷射傳感器並傳遞聲發射信號的光纖雷射傳感器應變花底板；耦合該多個光纖雷射傳感器並傳遞聲發射信號的聲耦合劑；接收並解調由聲發射信號引起的光纖雷射傳感器產生的光學信號的光纖信號解調裝置；以及基於光纖信號解調裝置對光學信號解調出的結果實現聲發射源定位的聲發射源定位裝置。利用本發明，提高了探測微弱聲發射信號和對聲發射源進行定位的能力，並解決了微弱聲發射信號檢測中聲發射傳感器的靈敏度不高，定位複雜，電磁幹擾，耐高溫、高壓、強腐蝕環境能力差，長距離信號實時傳輸和長期連續觀測等問題。
文檔編號G01S5/18GK102944613SQ20121046495
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者張文濤, 黃穩柱, 馬懷祥, 李芳 申請人:中國科學院半導體研究所