一种声发射传感器及声发射信号探测方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种单模光纤-双包层光纤-单模光纤声发射传感器及声发射信号探测方法。

背景技术：

光纤声发射传感器是一类重要的传感器，在局放声发射、水声探测、地震波检测等方面都已经得到应用。现有的光纤声发射传感器包括光纤干涉仪、光纤光栅、熔锥光纤耦合器、光纤珐珀腔等，其中，传统的光纤干涉仪传感器通常具有较大的尺寸，不适合在特定小尺寸环境应用；光纤光栅、熔锥光纤耦合器、光纤珐珀腔等都适合小尺寸环境应用，但是制备光纤光栅需要复杂的写入技术，同时需要特殊的封装技术以提升声发射传感灵敏度；熔锥光纤耦合器锥区尺寸微小，容易受到环境污染而导致传感性能变化；光纤珐珀腔利用振动薄膜，同样固定于固体待测目标容易引起传感性能改变。

技术实现要素：

本发明提供一种声发射传感器及声发射信号探测方法，制造工艺简单、单根光纤集成、操作使用方便、温度稳定性高。

为实现上述目的，本发明公开了一种声发射传感器，其特点是，该传感器包含：双包层光纤、分别光路连接在双包层光纤两端的单模输入光纤和单模输出光纤；

上述双包层光纤外包覆有对声发射振动敏感的硅橡胶涂层，外界声发射振动使硅橡胶涂层发生形变，对双包层光纤的包层模引入动态相位变化，通过谐振滤波特性的探测，进行声发射参量的传感。

上述双包层光纤两端分别与单模输入光纤和单模输出光纤熔接，构成具有包层模谐振耦合特性的滤波器。

上述硅橡胶涂层的折射率低于双包层光纤的石英包层折射率，感知声发射振动引起光纤相位变化。

上述双包层光纤包含纤芯、包覆在纤芯外的内包层，内包层外包覆有外包层；双包层光纤的纤芯模和包层模通过渐逝波相互作用，在纤芯模和包层模满足相位匹配的情况下，在纤芯中传输的光能量转移到外包层中传输，实现包层模谐振。

上述双包层光纤的内包层采用掺氟氧化硅制备。

上述双包层光纤的纤芯和外包层的折射率高于内包层的折射率。

上述双包层光纤中，纤芯直径为9微米；内包层的外径为27微米；外包层的外径为125微米；纤芯和外包层的折射率为1.456；内包层的折射率为1.454。

上述硅橡胶涂层的折射率为1.42；厚度范围为0.1mm至3mm。

一种上述的声发射传感器的声发射信号探测方法，其特点是，该方法包含：

声发射传感器的硅橡胶涂层接收外界的声发射信号发生形变，引起双包层光纤伸缩，包层模相位变化引起谐振滤波光谱移动；

通过声发射传感器的光源的光强发生改变，根据光强改变判定获取外界声发射信号。

上述声发射传感器的单模输入光纤接收外接光源，传输至双包层光纤，光源经过双包层光纤后由单模输出光纤输出至光电探测器。

本发明一种声发射传感器及声发射信号探测方法和现有技术相比，其优点在于，本发明公开的声发射传感器是一种全光纤结构，将双包层光纤和单模光纤可以直接利用常规的熔接设备进行熔接，因此，具有结构紧凑、制造方法简单，使用方便等优点；

本发明双包层光纤内包层可以采用掺氟氧化硅制备，具有良好的温度稳定性，因此在避免温度交叉干扰方面具有优势。

附图说明

图1为本发明一种声发射传感器的结构示意图；

图2为本发明一种声发射传感器的声发射探测方法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开了一种单模光纤-双包层光纤-单模光纤声发射传感器，该声发射传感器包含：单模输入光纤1、双包层光纤2、单模输出光纤3和硅橡胶涂层4。

双包层光纤2包含纤芯5、包覆在纤芯5外的内包层6，以及包覆在内包层6外的外包层7。其中，双包层光纤2的内包层6采用掺氟氧化硅制备，具有良好的温度稳定性，因此在避免温度交叉干扰方面具有优势。并且双包层光纤2的纤芯5和外包层7的折射率高于内包层6的折射率。

其中，纤芯5直径为9微米，内包层6的外径为27微米，外包层7的外径为125微米，纤芯5和外包层7的折射率为1.456，内包层6的折射率为1.454。

根据耦合模理论，光在两个靠近的光波导中传输，当所传输的模式满足相位匹配条件时，光波可以通过渐逝波模式耦合实现在两个波导之间交换能量。本发明公开的双包层光纤2的纤芯模和包层模通过渐逝波相互作用，在纤芯模和包层模满足相位匹配的情况下，在纤芯中传输的光能量转移到外包层中传输，实现包层模谐振。由于模式色散特性的相位匹配条件同波长有关系，即谐振波长，在此波长处纤芯模传输光谱表现为阻带滤波特性。

单模输入光纤1和单模输出光纤3通过光纤熔接机熔接在双包层光纤2两端，并与双包层光纤2光路连通，构成具有包层模谐振耦合特性的滤波器。这里，熔接可以采用标准单模光纤熔接模式即可。

双包层光纤2外包覆有对声发射振动敏感的硅橡胶涂层4，硅橡胶涂层4所采用的硅橡胶的折射率典型值为1.42，硅橡胶涂层4要全部覆盖双包层光纤2，对两端单模输入光纤1和单模输出光纤3的覆盖距离没有特别要求，可覆盖至单模输入光纤1和单模输出光纤3上，硅橡胶涂层4的涂敷厚度为0.1~3mm。本实施例中，硅橡胶涂层4可以采用提拉法进行涂敷，完成涂覆之后放在空气中自然固化即完成硅橡胶涂层4的制备。该双包层光纤2外包覆硅橡胶涂层4的结构具有阻带滤波光谱特性，采用窄带光谱激光器作为光源，输出光强将受到外界声发射振动信号的调制，即通过输出光强的变化可实现声发射信号的探测。

所以，当外界声发射振动作用于该结构，外界声发射振动使硅橡胶涂层4发生形变，由于硅橡胶涂层4的折射率低于双包层光纤2的石英包层折射率，对双包层光纤2的包层模引入动态相位变化，感知声发射振动引起光纤相位变化通过谐振滤波特性的探测，进行声发射参量的传感。

如图2所示，为本发明声发射传感器的声发射信号探测方法，其具体包含以下步骤：

S1、外界声发射信号。

S2、外界的声发射信号传播至声发射传感器，引起声发射传感器的硅橡胶涂层4的硅橡胶发生形变。

S3、硅橡胶涂层4的硅橡胶形变引起双包层光纤2伸缩。

S4、双包层光纤2伸缩引起双包层光纤2的包层模相位变化。

S5、双包层光纤2的包层模相位变化，引起谐振滤波光谱移动。

S6、声发射传感器的单模输入光纤1实时接收光源，光波经过双包层光纤2，由单模输出光纤3输出，光源通过声发射传感器后由光电探测器接收探测。谐振滤波光谱移动引起经过双包层光纤2输出的光波的光强发生改变。

S7、光电探测器探测光强变化，即可获取外界声发射信号。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。