一種自帶溫度補償的匹配型光纖光柵聲發射傳感方法
2023-10-10 01:04:19 3
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方法。
背景技術：
當受到外界作用(如應力、溫度、腐蝕、載荷等)時，金屬材料或複合材料內部會發生變形或斷裂，同時釋放出彈性能，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、地震預報以及金屬加工等方面有廣泛的應用。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內產生沿纖芯軸向周期性變化的折射率。當一束寬帶光進入光纖布拉格光柵時，只有滿足其反射條件(布拉格波長)的很窄的光才能被光纖布拉格光柵反射回去，其餘的光透射而出，其作用實質上是在纖芯內形成ー個窄帶的濾波器或反射鏡。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，使得光纖布拉格光柵ー經問世，便在光纖傳感領域發揮著重要作用，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布拉格光柵聲發射傳感方法，該方法具有檢測靈敏度高、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方法，將摻鉺光纖雷射器4與匹配光纖布拉格光柵5相連，輸出溫度補償後的窄帶光信號6到達傳感光纖布拉格光柵7 ;外界作用I作用於金屬或複合材料2，使之產生聲發射信號3，並使用傳感光纖布拉格光柵7接收聲發射信號3，反射出調製光信號8 ;調製光信號8進入光電探測器9轉換為電信號10，到達後期信號分析處理11 ；其中，摻鉺光纖雷射器輸出的光經匹配光纖布拉格光柵後，只有符合匹配光纖布拉格光柵中心波長的窄帶光被反射出去，由於匹配光纖布拉格光柵與傳感光纖布拉格光柵處於同一溫度場，故二者溫度變化相同，抵消了傳感光纖布拉格光柵由於環境溫度影響產生的波長漂移，即匹配光纖布拉格光柵實現了溫度補償，輸出經過溫度補償後的窄帶光信號，到達傳感光纖布拉格光柵，使其處於工作點(反射譜3dB帶寬處)；當外界作用(應力、腐蝕、載荷等)到達金屬或複合材料時，會引起後者內部產生微裂紋，同時伴隨有聲發射信號，該聲發射信號被耦合於金屬或複合材料表面的傳感光纖布拉格光柵接收到，引起傳感光纖布拉格光柵的中心波長發生變化，輸出調製光信號，該調製光信號被光電探測器轉換為電信號，再進行後期信號分析處理。進ー步的，所述匹配光纖布拉格光柵為可調諧光柵，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、溫度靈敏係數參數一致，中心波長相差O. lnm。進ー步的，所述傳感光纖布拉格光柵耦合於金屬或複合材料的表面若傳感光纖布拉格光柵未封裝，則用502膠水粘貼於金屬或複合材料的表面；若傳感光纖布拉格光柵已封裝，則將封裝後的傳感光纖布拉格光柵使用凡士林耦合於金屬或複合材料的表面。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，而本發明採用的自帶溫度補償的匹配型光纖布拉格光柵聲發射傳感方法，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方法；圖中1、外界作用(應力、腐蝕、載荷等)，2、金屬或複合材料，3、聲發射信號，4、摻鉺光纖雷射器，5、匹配光纖布拉格光柵,6、溫度補償後的窄帶光信號,7、傳感光纖布拉格光柵,8、調製光信號,9、光電探測器,10、電信號，11、後期信號分析處理；圖2是光纖布拉格光柵匹配溫度補償原理。
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方法包括傳感和解調兩個步驟其中，傳感通過與待檢測金屬或複合材料2相耦合的傳感光纖布拉格光柵7來實現；解調包括光電轉換、信號放大、採集及處理。具體實施如下摻鉺光纖雷射器4輸出的光經匹配光纖布拉格光柵5後,只有符合匹配光纖布拉格光柵5中心波長的窄帶光被反射出去，由於匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7處於同一溫度場，故二者溫度變化相同，即匹配光纖布拉格光柵5實現了溫度補償，輸出經過溫度補償後的窄帶光信號6，到達傳感光纖布拉格光柵7，使其處於工作點(反射譜3dB帶寬處);當外界作用(應力、腐蝕、載荷等)I到達金屬或複合材料2時，會引起後者內部產生微裂紋，同時伴隨有聲發射信號3，該聲發射信號被耦合於金屬或複合材料2表面的傳感光纖布拉格光柵7接收到，引起傳感光纖布拉格光柵7的中心波長發生變化，輸出調製光信號8，該調製光信號被光電探測器9轉換為電信號10，再進行後期信號分析處理11。匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7,都是反射譜3dB帶寬小於O. 3nm的光柵，反射率在90%以上。摻鉺光纖雷射器4發出的光到達匹配光纖布拉格光柵5後,只有符合匹配光纖布拉格光柵5中心波長的窄帶光被反射出去。同時匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬、溫度靈敏係數等參數基本一致，中心波長相差O. Inm,如圖2所不。匹配光纖布拉格光柵5的中心反射波長恰好位於傳感光纖布拉格光柵7的3dB工作點處,經匹配光纖布拉格光柵5反射的光使得傳感光纖布拉格光柵7具有最高的工作靈敏度。又由於匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵 7處於同一溫度場中，二者的反射譜隨溫度變化相同，這就極大的消弱了溫度對傳感光纖布拉格光柵7的影響，實現了溫度補償，即匹配光纖布拉格光柵5輸出經過溫度補償後的窄帶光信號6。此時，接收到窄帶光信號6的傳感光纖布拉格光柵7隻受到外界應カ的影響。當外界作用(應力、腐蝕、載荷等)I到達金屬或複合材料2時，會引起後者內部產生微裂紋，同時伴隨有聲發射信號3。聲發射信號3屬於應力波，被耦合於金屬或複合材料2表面的傳感光纖布拉格光柵7接收到,改變了傳感光纖布拉格光柵7的柵區周期長度，同時由於彈光效應引起柵區折射率變化，導致傳感光纖布拉格光柵7的中心發射波長發生變化，輸出調製光信號8。光電探測器9，將接收到的調製光信號8轉換為電信號10。調製光信號8經過數次反射、光纖接ロ、光路損耗等，信號極其微弱，且具有較寬頻帶，故此處需用頻帶寬、信噪比高、轉換速度快的光電探測器。後期信號分析處理11包括對電信號10的放大、A/D轉換、採集、處理等。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方法，將摻鉺光纖雷射器(4)與匹配光纖布拉格光柵(5)相連,輸出溫度補償後的窄帶光信號(6)到達傳感光纖布拉格光柵(7);外界作用(I)作用於金屬或複合材料(2)，使之產生聲發射信號(3)，並使用傳感光纖布拉格光柵(7)接收聲發射信號(3)，反射出調製光信號(8);調製光信號(8)進入光電探測器(9)轉換為電信號(10)，到達後期信號分析處理(11); 其特徵是包括以下步驟 其中摻鉺光纖雷射器(4)輸出的光經匹配光纖布拉格光柵(5)後，只有符合匹配光纖布拉格光柵(5)中心波長的窄帶光被反射出去，匹配光纖布拉格光柵(5)與傳感光纖布拉格光柵(7 )處於同一溫度場，二者溫度變化相同，即匹配光纖布拉格光柵(5 )實現了溫度補 償，輸出經過溫度補償後的窄帶光信號(6)，到達傳感光纖布拉格光柵(7)，使其處於工作點，即反射譜3dB帶寬處；當外界作用(I)到達金屬或複合材料(2)時，會引起後者內部產生微裂紋，同時伴隨有聲發射信號(3)，該聲發射信號被耦合於金屬或複合材料(2)表面的傳感光纖布拉格光柵(7)接收到，引起傳感光纖布拉格光柵(7)的中心波長發生變化,輸出調製光信號(8)，該調製光信號(8)被光電探測器(9)轉換為電信號(10)，再進行後期信號分析處理(11)。
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方法，其特徵是所述匹配光纖布拉格光柵(5)為可調諧光柵,要與傳感光纖布拉格光柵(7)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。
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方法，其特徵是所述傳感光纖布拉格光柵(7)耦合於金屬或複合材料(2)的表面若傳感光纖布拉格光柵(7)未封裝，則用502膠水粘貼於金屬或複合材料(2)的表面；若傳感光纖布拉格光柵(7)已封裝，則將封裝後的傳感光纖布拉格光柵(7)使用凡士林耦合於金屬或複合材料(2)的表面。
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方法，其目的在於提高光纖光柵在變溫環境下的檢測精度，擴大光纖光柵傳感器在聲發射檢測領域的應用，所述傳感方法包括傳感和解調兩部分；其中，傳感部分主要通過與待檢測材料相耦合的傳感光纖光柵來實現；解調部分包括光電轉換、放大、採集、處理等。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光柵聲發射傳感系統，本發明自帶溫度補償，可有效減小溫度變化對光纖光柵傳感器的影響，提高光纖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G01N29/14GK102680581SQ20121018745
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