一种基于匹配布拉格光纤光栅的声发射信号检测系统的制作方法

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种用于声纳检漏仪的声—光—电—声三级转换的适配装置，实现恶劣、复杂环境中对气、液体泄漏所引发的微弱超声信号进行检测的方法

背景技术：

目前，油、气等压力管道的微泄漏进行检漏是世界性的难题，声纳检漏仪利用声纳技术，对泄漏故障独特的微弱声发射信号进行检测、分析及处理，正得到广泛应用。

然而某些特殊场合，设备或者管道被隔音材料包裹，或浸于腐蚀性油、水、汽中，传统超声探头难以工作。本发明设计的声纳检漏仪适配系统，可将光栅传感器接入声纳检漏仪的适配装置，通过光、电、声两级调制转换，将光栅传感与声纳检漏仪方便连接，在不破坏原仪表结构的前提下提供更丰富的传感形式，从而实现空间受限、声波受阻、环境恶劣条件下的泄漏超声检测，具有较高的工程应用价值。激光用于气体检测在环境检测和分析以及各种工业过程控制等方面具有重要应用价值。

因此，需要一种能如何利用声纳技术来精确检测声发射信号的检测方法和系统。

技术实现要素：

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于匹配布拉格光纤光栅的声发射信号检测系统，所述系统包括依次连接的带有绒毛的布拉格光纤光栅、光耦合器、匹配布拉格光纤光栅、光源、光电探测器、前置信号放大器、电信号输出模块、电声输出模块以及声纳检漏仪，其中所述带有绒毛的布拉格光栅包括柔性声发射信号检测基底膜片、贴附于所述基底膜片上的布拉格光纤光栅以及所述布拉格光纤光栅设置的绒毛层，用于实现机械弹性波对激光信号的声光调制；

所述光耦合器连接所述布拉格光纤光栅与匹配布拉格光纤光栅的，用于正向输入基准激光、反向传输传感激光；

所述光源与所述光耦合器连接，用于产生待调制的基准激光信号；

所述匹配布拉格光纤光栅与所述光耦合器连接，用于与传感激光进行光信号匹配检测；

所述光电探测器与所述匹配布拉格光纤光栅连接，实现匹配光信号的光电转换；

所述前置信号放大器与所述光电探测器连接，实现弱光信号的调理、放大；

所述电信号输出模块与所述前置信号放大器连接，用于产生适合于声纳检漏仪输入的多种电信号形式；

所述电声输出模块与所述前置信号放大器连接，产生适合于声纳检漏仪拾音头检测的伪声源。

优选地，信号转换流程为声光转换、光电转换、电声转换三级转换。

优选地，所述基底膜片采用超薄PVC材料。

优选地，采用电纺纤维作为声匹配材料绒毛结构，吸收透射声信号。

优选地，采用电纺纤维电纺纤维绒毛结构的长度为1-2mm。

优选地，所述电声输出模块采用压电换能器。

根据本发明的基于匹配布拉格光纤光栅的声发射信号检测系统，检测灵敏度高，在不破坏现有声纳检漏仪结构的前提下，拓展了其在高腐蚀、高湿高温环境下的应用，易于在多种场合应用。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出根据本发明的匹配布拉格光纤光栅式声纳检漏适配系统的系统结构示意图；

图2示意性示出根据本发明的基底膜片结构示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提供了一种匹配布拉格光纤光栅式声纳检漏适配系统,通过声—光—电—声三级转换，实现管道微泄漏产生的声发射信号的传感，并为现有声纳检漏仪提供适配接口，在不破坏现有声纳检漏仪结构的前提下，拓展了其在高腐蚀、高湿高温环境下的应用。该方法和系统不仅仅局限于对管道泄漏的检测，也可容易地推广到对其它声纳检漏仪的应用领域中。

本发明提供了一种利用绒毛光栅结构的基于匹配布拉格光纤光栅的声发射信号检测系统，图1示意性示出根据本发明的利用绒毛光栅结构的匹配布拉格光纤光栅式声纳检漏适配系统的系统结构示意图。所述系统100包括依次连接的带有绒毛的布拉格光纤光栅101、光耦合器102、匹配布拉格光纤光栅103、光源104、光电探测器105、前置信号放大器106、电信号输出模块107、电声输出模块108以及声纳检漏仪109。

具体地，带有绒毛的布拉格光纤光栅101(图中所示为FBG1 101),所述布拉格光栅101包括柔性声发射信号检测基底膜片以及与所述柔性声发射基底膜片连接的布拉格光纤光栅，实现机械弹性波对激光信号的声光调制；布拉格光栅101的具体结构将在下面参考图2详细描述。

光耦合器102连接所述布拉格光纤光栅101与匹配布拉格光纤光栅103，用于正向输入基准激光、反向传输传感激光；

光源104与所述光耦合器102连接，优选为LD激光光源，用于产生待调制的基准激光信号；

匹配布拉格光纤光栅103与所述光耦合器102连接，用于与传感激光进行光信号匹配检测；

光电探测器105与所述匹配布拉格光纤光栅103连接，实现匹配光信号的光电转换；

前置信号放大器106与所述光电探测器105连接，实现弱光信号的调理、放大；

电信号输出模块107与所述前置信号放大器106连接，用于产生适合于声纳检漏仪109输入的多种电信号形式；

电声输出模块108与所述前置信号放大器106连接，产生适合于输入到声纳检漏仪109拾音头检测的伪声源。

根据本发明的一个实施例，信号转换流程为声光转换、光电转换、电声转换三级转换。

优选地，所述电声输出模块108采用压电换能器。

根据本发明，布拉格光纤的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据本发明具体实施例，光纤的类型应与光源104的泵浦波长相匹配。例如，根据本发明的一个实施例，布拉格光纤选自掺铒光纤、掺镱光纤或铒镱共掺光纤。

掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，掺镱光纤的泵浦波长可采用976nm或915nm，铒镱共掺光纤的泵浦波长可采用976nm，根据波长和芯径参数进一步确定光耦合器102的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内(如1530-1560nm)由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺镱光纤的典型出射波长为1535nm，掺铒光纤的典型出射波长为1064nm，铒镱共掺光纤的典型出射波长为1550nm。

例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质。光源104输出波长976nm，FBG选取范围为1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺镱光纤作为增益介质，LD尾纤需选取同样型号芯径。LD为915nm单模输出，FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得激光输出。

图1示出的根据本发明的利用绒毛光栅结构的匹配布拉格光纤光栅式声纳检漏适配系统的工作原理如下：

光源104发出激光，通过光耦合器102耦合到带有绒毛的布拉格光纤光栅101，投射到要探测的对象上，激光经探测对象返回至布拉格光纤光栅101，然后经光耦合器102耦合到匹配布拉格光纤光栅103。匹配布拉格光纤光栅103调制输出的光信号被输入到光电探测器105转化为电信号，然后经过前置信号放大器106的放大，输入到电信号输出模块107和电声输出模块108，再输入到声纳检漏仪109进行检测。

图2示意性示出根据本发明的利用绒毛光栅结构的匹配布拉格光纤光栅式声纳检漏适配系统中带有绒毛的布拉格光纤光栅的结构示意图。

如图2所示，带有绒毛的布拉格光纤光栅101包括布拉格光纤光栅201、绒毛层202以及基底膜片203。该基底膜片203例如可以采用柔性PVC基片，其上贴附有布拉格光纤光栅201，在布拉格光纤光栅201上设置有绒毛层202，绒毛层202优选地可以采用电纺纤维绒毛结构。

根据本发明的绒毛层202可以通过下列工艺制成，以形成在布拉格光纤光栅201上。例如，通过喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下,受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴,在电场诱导下表面聚集电荷,受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时,喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状,形成所谓的泰勒锥。而当电场强度增加至一个临界值时,电场力就会克服液体的表面张力,从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳,产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中,喷射流被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,最终形成直径纳米级的纤维,并以随机的方式散落在收集装置上,形成纤维绒毛层。

根据本发明的一个实施例，所述的基底膜片采用超薄PVC材料，极大降低对待测表面的影响，例如厚度为10nm-100mm之间。

根据本发明的一个实施例，所述的基底膜片利用电纺纤维作为声匹配材料，吸收透射声信号。电纺纤维采用与基底膜片相同的PVC，通过高压静电拉丝形成纳米级绒毛，对基底的透射声波进行吸收，防止出现多次反射而引发声发射信号的拖尾现象。

根据本发明的一个实施例，电纺纤维绒毛结构的长度为1-2mm。

根据本发明的基于匹配布拉格光纤光栅的声发射信号检测系统，检测灵敏度高，在不破坏现有声纳检漏仪结构的前提下，拓展了其在高腐蚀、高湿高温环境下的应用，易于在多种场合应用。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。