一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統的製作方法
2023-05-20 22:07:11 3
專利名稱：一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號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，特別涉及一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統。
背景技術：
聲發射是一種應用日趨廣泛的現代無損檢測和結構材料研究的新技術，它的原理是，受力構件的材料內部在損傷缺陷萌生擴展過程中會釋放塑性應變能，應變能以應力波形式向外傳播擴展，這種現象即稱聲發射現象。聲發射技術就是採用高靈敏度的聲發射傳感器安裝於受力構件表面形成一定數目的傳感器陣列實時接受和採集來自於材料缺陷的聲發射信號，進而通過對這些聲發射信號的識別、判斷和分析等，對材料損傷缺陷進行檢測研究，對構件強度損傷、壽命等分析和研究。形象地比喻這是一種聽聲技術，即像醫生用聽診器對人體聽聲來診病一樣，通過聽材料內部故障聲音聲發射來對構件診斷和研究。光纖光柵是20世紀90年代發展起來的新型光電子器件，經過10多年的發展，光纖光柵的製作技術日趨成熟，系統應用不斷拓展。由於光纖光柵的敏感變化參量為光的波長，與其他光纖傳感器相比，它有許多獨特的優勢，例如在一根光纖上可串接多個光柵傳感器或在一根光纖上可以同時刻多個光柵，單獨尋址；抗電磁幹擾能力強；不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強度變化的幹擾；體積小，可以置於結構內；它的測量是絕對值，不需要校零；靈敏度高；抗潮溼、抗腐蝕能力強，可以在惡劣環境中長期使用。現有的光纖光柵傳感系統如中國專利ZL201010273400. 1「一種基於光纖光柵的變壓器內部溫度檢測系統」、ZL200910024155. 8 「一種光纖光柵應力監測系統」等，都是將光纖光柵用作溫度和應力傳感器；現有的聲發射檢測系統如中國專利CN27M019Y 「一種基於聲發射的地震、滑坡監測系統」等聲發射檢測系統中所用的聲發射傳感器都是基於壓電陶瓷材料製作的，還沒有比較成熟的光纖光柵檢測聲發射信號的傳感系統。
發明內容
本發明的目的在於，克服已有的技術局限，將光纖光柵傳感器引入聲發射檢測領域，提供了一種匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統的方案，該系統具有檢測精度高、靈敏度高、相應速度快、傳輸距離遠、抗電磁幹擾能力強的特點。本發明的技術方案一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，所述傳感系統包括寬帶光源，第一、第二光纖耦合器，光纖布拉格光柵，可調諧光纖布拉格光柵濾波器，第一、第二光電探測電路，模數轉化電路，FBGA、計算機；其中，第一光纖耦合器的 A埠和C埠分別連接寬帶光源和光纖布拉格光柵，B埠連接第二光纖耦合器的D埠 ；第二光纖耦合器的E埠通過可調諧光纖布拉格光柵濾波器與第一光電探測電路相連接，F埠直接與第二光電探測電路相連接；寬帶光源發出的寬帶光經過第一光纖耦合器到達光纖布拉格光柵，被光纖布拉格光柵反射後，符合光柵布拉格波長的窄帶光返第一回光纖耦合器後出射；通過第二光纖耦合器後光被均勻分為兩路，其中一路通過可調諧光纖光柵濾波器後，通過第一光電探測電路，另一路直接通過第二光電探測電路；兩路光經過第一光電探測電路及第二光電探測電路光電轉化後，輸入模數轉化電路後生成兩路電信號， 兩路電信號進入FPGA進行解調，得到波長漂移信息，最後經過計算機分析運算得到光纖布拉格光柵檢測到的聲發射信號波形，在計算機上得以顯示。進一步的，所述寬帶光源為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。進一步的，所述第一、第二光纖耦合器為3dB光纖耦合器，分光比為50 50。進一步的，所述可調諧光纖布拉格光柵濾波器，要與傳感光纖布拉格光柵相匹配， 反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數基本一致，中心波長相差0. lnm。進一步的，所述的第一、第二光電探測電路為半導體InGaAs PIN型光電二極體電路。本發明與現有技術相比的優點在於現有的光纖光柵傳感器大多數都是檢測溫度和應力的，而本發明檢測的是聲發射信號波，主要用於航空太空飛行器的結構安全監測以及重要部件的損傷檢測，靈敏度高，響應速度快，傳輸距離遠，抗電子幹擾能力強。相比功率型光纖光柵聲發射傳感系統，本發明所述的系統方案，是利用匹配光柵法，解調波長漂移的信息，從而得到原始聲發射波的信息，檢測的是光波長而非光功率，光波長信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測精度更高、分辨力更大，噪聲更小。
圖1是匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統的原理圖；圖中1、寬帶光源，2、第一光纖耦合器，3、光纖布拉格光柵，4、FPGA，5、計算機，6、 可調諧光纖布拉格光柵濾波器，7、第一光電探測電路，8、第二光纖耦合器，9、第二光電探測電路，10、模數轉化電路；圖2是匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統斷鉛實驗效果圖；圖加為斷鉛實驗的「幅值-時間」圖，橫坐標時間/秒，縱坐標幅值/毫伏；圖2b為斷鉛實驗的「幅值-頻率」圖，橫坐標頻率/Hz，縱坐標幅值/dB。
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1所示，本發明所述的匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統包括寬帶光源1，第一、第二光纖耦合器2、8，光纖布拉格光柵3，可調諧光纖布拉格光柵濾波器6， 第一、第二光電探測電路7、9，模數轉化電路10，FBGA 4 ；其中，第一光纖耦合器2的A埠和C埠分別連接寬帶光源1和光纖布拉格光柵3，B埠連接第二光纖耦合器8的D埠 ；第二光纖耦合器8的E埠通過可調諧光纖布拉格光柵濾波器6與第一光電探測電路 7相連接，F埠直接與第二光電探測電路9相連接。第一、第二光電探測電路7、9後還有模數轉化電路10，FPGA 4以及計算機5依次連接。寬帶光源1發出的寬帶光經過第一光纖耦合器2到達光纖布拉格光柵3，被光纖布拉格光柵3反射後，符合光柵布拉格波長的窄帶光返回光纖耦合器2後出射。通過第二光纖耦合器8後光被均勻分為兩路，其中一路通過可調諧光纖光柵濾波器6後，通過第一光電探測電路7，另一路直接通過第二光電探測電路9。兩路光經過第一光電探測電路7及第二光電探測電路9光電轉化後，輸入模數轉化電路10後生成兩路電信號，兩路電信號進入FPGA 4進行解調，得到波長漂移信息，最後經過分析運算得到光纖布拉格光柵3檢測到的聲發射信號波形，在計算機5上得以顯示。所述寬帶光源1為ASE (放大自發輻射)寬帶光源。寬帶光源是以摻雜光纖中增益介質超螢光譜為基礎的光源，它的激勵源完全來自於受激原子的自發輻射，雖然光纖放大器中沒有諧振腔鏡，這些自發輻射不能形成雷射束，但是，如果發生在光纖中的自發輻射能沿光纖傳導，自發輻射就能被放大，就產生一種背景噪聲，成為放大自發輻射，從而形成ASE 光源。它有著易於和光柵傳感系統耦合、溫度穩定性好、3dB譜寬寬、模式好等一系列優點。 本發明所用的寬帶光源在光譜範圍內平坦性好，中心波長1550nm，3dB帶寬為30nm。所述第一、第二光纖耦合器2、8為3dB光纖耦合器，即分光比為50 50。通過第二光纖耦合器8的窄帶光，被均勻等功率地分為兩束。一束通過可調諧光纖布拉格光柵濾波器6，為匹配光，另一束不通過可調諧光纖布拉格光柵濾波器6，為參考光。所述可調諧光纖布拉格光柵濾波器6，要與光纖布拉格光柵3相匹配，中心波長相差0. Inm,反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數應基本一致。這樣，匹配光與參考光的光譜形狀一致，只是中心波長有所偏移。通過這種匹配光柵解調法，就可以將波長的偏移量檢測出來。第一、第二光電探測電路7、9將光信號轉化為電信號，是整個系統性能高低的關鍵之一。本實施例所述的傳感系統，光信號從寬帶光源1經過一系列光纖通路、器件、接口後，光功率損耗比較大，入射到光電探測器的光功率通常都只有nW量級；本實施例又要求高頻高精度的光電轉化。本實施例中用半導體^GaAs PIN光電二極體進行光電轉化，它具有偏置電壓低、頻率響應高、光譜響應寬、光電轉換效率高，穩定性好、噪聲小等優點。實例中用到的兩個光電轉化電路完全一樣。模數轉化電路10，將光電轉化後的模擬電信號轉化為數字電信號。數位化的電信號進入主處理器進行運算分析處理。主處理器一般由CPLD、FPGA或DSP以及存儲器等電子器件和寫入的軟體程序組成。主處理器主要進行採入數據的處理和命令的發送。本實施例中應用FPGA 4，它具有豐富的觸發器和I/O引腳，晶片集成度高，設計周期短，開發費用低， 性能穩定可靠。如圖2所示為匹配型光纖布拉格光柵聲發射信號傳感系統斷鉛實驗效果圖。將本實施例中的光纖布拉格光柵傳感器貼在鋁板上，在鋁板上折斷鉛筆芯，來模擬產生聲發射信號。所用鉛筆芯直徑0.5mm的HB鉛芯，長度為2. 5cm，與鋁板成30°角。圖加為斷鉛實驗的「幅值-時間」圖，橫坐標時間/秒，縱坐標幅值/毫伏。圖2b為斷鉛實驗的「幅值-頻率」圖，橫坐標頻率/Hz，縱坐標幅值/dB。從圖加可以看出，斷鉛激勵的突髮型聲發射信號的特徵明顯，200um內基本得到收斂，相應速度快。從圖2b可以看出，斷鉛信號頻率主要在100KHZ-200KHZ之間，與實際相符，檢測精度高，噪聲幹擾小。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
1.一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其特徵是所述傳感系統包括寬帶光源(1)，第一、第二光纖耦合器0、8)，光纖布拉格光柵(3)，可調諧光纖布拉格光柵濾波器(6)，第一、第二光電探測電路(7、9)，模數轉化電路(10)，FBGA0)、計算機(5)； 其中，第一光纖耦合器( 的A埠和C埠分別連接寬帶光源(1)和光纖布拉格光柵(3)， B埠連接第二光纖耦合器(8)的D埠 ；第二光纖耦合器(8)的E埠通過可調諧光纖布拉格光柵濾波器(6)與第一光電探測電路(7)相連接，F埠直接與第二光電探測電路(9) 相連接；寬帶光源(1)發出的寬帶光經過第一光纖耦合器( 到達光纖布拉格光柵(3)，被光纖布拉格光柵C3)反射後，符合光柵布拉格波長的窄帶光返第一回光纖耦合器( 後出射；通過第二光纖耦合器(8)後光被均勻分為兩路，其中一路通過可調諧光纖光柵濾波器 (6)後，通過第一光電探測電路(7)，另一路直接通過第二光電探測電路(9)；兩路光經過第一光電探測電路(7)及第二光電探測電路(9)光電轉化後，輸入模數轉化電路(10)後生成兩路電信號，兩路電信號進入FPGA(4)進行解調，得到波長漂移信息，最後經過計算機(5) 分析運算得到光纖布拉格光柵C3)檢測到的聲發射信號波形，在計算機( 上得以顯示。
2.根據權利要求1所述的一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其特徵是所述寬帶光源(1)為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。
3.根據權利要求1所述的一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其特徵是所述第一、第二光纖耦合器0、8)為3dB光纖耦合器，分光比為50 50。
4.根據權利要求1所述的一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其特徵是所述可調諧光纖布拉格光柵濾波器(6)，要與傳感光纖布拉格光柵C3)相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數基本一致，中心波長相差0. lnm。
5.根據權利要求1所述的一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其特徵是所述的第一、第二光電探測電路(7、9)為半導體hGaAs PIN型光電二極體電路。
全文摘要
本發明提供了一種基於匹配型光纖布拉格光柵的聲發射信號傳感系統，其目的在於克服已有的技術局限，將光纖布拉格光柵傳感器引入聲發射檢測領域，所述傳感系統包括寬帶光源，第一、第二兩個光纖耦合器，光纖布拉格光柵，可調諧光纖布拉格光柵濾波器，第一、第二兩個光電探測電路，模數轉化電路，FBGA、計算機；本發明主要用於航空太空飛行器的結構安全監測以及重要部件的損傷檢測，靈敏度高，響應速度快，傳輸距離遠，抗電子幹擾能力強；相比功率型光纖布拉格光柵聲發射傳感系統，本發明利用匹配光柵法，解調波長漂移的信息，從而得到原始聲發射波的信息，檢測的是光波長而非光功率，光波長信息不受光傳輸過程中光功率損耗的影響，因而檢測精度更高、分辨力更大，噪聲更小。
文檔編號G01N29/14GK102426198SQ20111023911
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者劉奇, 孫志平, 李寧, 李成貴, 梅盛開, 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