一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法与流程

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法。

背景技术：

超声波探伤是一种用于检测工件内部缺陷的常用方法，可以准确检测出工件内部的缺陷的位置和大小。

目前有一种超声波探伤是利用相移光纤光栅进行的，相移光纤光栅包括栅区和连接在栅区两端的两段光纤，栅区为折射率沿轴向变化的一段光纤，相移光纤光栅的一端通过一个分路器同时与激光光源和示波器连接，激光光源发出的激光沿光纤传输到栅区发生反射并被示波器接收显示。相移光纤光栅的另一端用于接收超声波信号。通过将相移光纤光栅粘贴到工件的表面，由超声波探头发射超声波，超声波沿工件传播，被相移光纤光栅接收，从而可以通过波形的具体变化判断工件内部是否存在缺陷。

相移光纤光栅从工件表面取下时较容易损坏，使用寿命短，而相移光纤光栅制作成本较高，导致超声波探伤成本高。

技术实现要素：

为了解决超声波探伤成本高的问题，本发明实施例提供了一种相移光纤光栅传感器、探伤装置和探伤方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种相移光纤光栅传感器，所述相移光纤光栅传感器包括底板和相移光纤光栅，所述底板具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面上设置有耦合剂容纳槽和两个固定凹槽，所述两个固定凹槽位于所述耦合剂容纳槽的相对两侧且均与所述耦合剂容纳槽连通，所述固定凹槽的深度小于所述耦合剂容纳槽的深度，所述相移光纤光栅包括栅区和连接在所述栅区两端的光纤，所述栅区和两个所述光纤共线，所述栅区设置在所述耦合剂容纳槽中，所述光纤固定设置在所述固定凹槽内，所述第二表面上设置有沿所述相移光纤光栅的轴向从所述第二表面的一边延伸至另一边的沟槽，所述耦合剂容纳槽、所述两个固定凹槽在所述第二表面上的正投影均位于所述沟槽内。

可选地，所述耦合剂容纳槽、所述固定凹槽和所述沟槽均关于所述相移光纤光栅的轴线对称。

可选地，所述相移光纤光栅的相移量为π，相移点位于所述栅区的中点处。

可选地，所述耦合剂容纳槽的深度为0.3～0.5mm，所述固定凹槽的深度为0.2～0.4mm。

另一方面，本发明实施例还提供了一种探伤装置，所述探伤装置包括用于发射超声波信号的超声波发射设备、用于接收超声波信号的相移光纤光栅传感器、激光光源、光电探测器和示波器，所述相移光纤光栅传感器为前述的任一种相移光纤光栅传感器，所述激光光源和所述光电探测器均与所述相移光纤光栅传感器的一端连接，所述光电探测器与所述示波器连接。

可选地，所述超声波发射设备包括超声波探头和安装块，所述安装块上具有至少两个相互间不垂直的表面，所述超声波探头设置在所述至少两个相互间不垂直的表面中的一个表面上。

可选地，所述超声波探头为压电陶瓷超声波探头。

又一方面，本发明实施例还提供了一种适用于前述任一种探伤装置的探伤方法，所述方法包括：

在工件表面和耦合剂容纳槽内设置耦合剂，所述工件表面的耦合剂厚度不小于沟槽的深度；

将相移光纤光栅传感器和超声波发射设备放置在所述工件表面；

控制所述超声波发射设备发射超声波信号；

根据示波器上形成的波形判断所述工件是否存在缺陷。

可选地，所述将相移光纤光栅传感器和超声波发射设备放置在所述工件表面，包括：

将所述相移光纤光栅传感器和所述超声波发射设备间隔布置在所述工件表面，且所述超声波发射设备位于相移光纤光栅的一端的延长线上。

可选地，所述方法还包括：

将所述相移光纤光栅传感器移动至所述工件表面的不同位置；

控制所述超声波发射设备发射超声波信号，并根据示波器上形成的波形判断所述工件是否有损伤。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在底板的第一表面上设置耦合剂容纳槽和固定凹槽，可以将相移光纤光栅的栅区设置在耦合剂容纳槽内，将栅区两端的光纤固定在固定凹槽内，通过在底板的第二表面上设置沟槽，耦合剂容纳槽在第二表面上的正投影位于沟槽内，这样在进行探伤时，可以在耦合剂容纳槽内填充耦合剂，排出耦合剂容纳槽内的空气，在需要对工件表面不同位置进行探伤时，在工件表面上设置耦合剂，将底板设置到工件合适位置的表面上，工件表面的耦合剂可以填充到沟槽中，排出底板与工件表面之间的空气，这样不需要反复粘贴和拆卸相移光纤光栅，避免相移光纤光栅受损，可以延长相移光纤光栅的使用寿命，降低超声波探伤成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种相移光纤光栅传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种底板的截面图；

图3是本发明实施例提供的一种探伤装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种探伤方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的一种相移光纤光栅的反射谱曲线图；

图6是本发明实施例提供的一种激光光源的中心波长调节示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种相移光纤光栅传感器的结构示意图，如图1所示，该相移光纤光栅传感器包括底板10和相移光纤光栅20。底板10具有相对设置的第一表面和第二表面。

底板10的第一表面上设置有耦合剂容纳槽10a和两个固定凹槽10b，两个固定凹槽10b位于耦合剂容纳槽10a的相对两侧且均与耦合剂容纳槽10a连通，固定凹槽10b的深度小于耦合剂容纳槽10a的深度。

相移光纤光栅20包括栅区21和连接在栅区21两端的光纤22，栅区21和两段光纤22共线，栅区21设置在耦合剂容纳槽10a中，光纤22固定设置在固定凹槽10b内。

底板10的第二表面上设置有沿相移光纤光栅20的轴向从第二表面的一边延伸至另一边的沟槽10c，耦合剂容纳槽10a、两个固定凹槽10b在第二表面上的正投影均位于沟槽10c内。

本发明实施例通过在底板的第一表面上设置耦合剂容纳槽和固定凹槽，可以将相移光纤光栅的栅区设置在耦合剂容纳槽内，将栅区两端的光纤固定在固定凹槽内，通过在底板的第二表面上设置沟槽，耦合剂容纳槽在第二表面上的正投影位于沟槽内，这样在进行探伤时，可以在耦合剂容纳槽内填充耦合剂，排出耦合剂容纳槽内的空气，在工件表面上设置耦合剂，将底板设置到工件合适位置的表面上，工件表面的耦合剂可以填充到沟槽中，排出底板与工件表面之间的空气，这样不需要反复粘贴和拆卸相移光纤光栅，避免相移光纤光栅受损，可以延长相移光纤光栅的使用寿命，降低超声波探伤成本。

可选地，底板10可以采用有机玻璃制成，有机玻璃方便制作，强度较高，有利于延长使用寿命。

可选地，底板10的长度可以设置为25mm～30mm，底板10的宽度可以设置为8mm～12mm，该尺寸范围内的底板10可以确保有足够大的空间设置能够容纳相移光纤光栅20的栅区21的耦合剂容纳槽10a，同时减小了相移光纤光栅传感器的体积，便于进行探伤。

可选地，底板10的厚度小于10mm。

优选地，底板10的厚度可以为0.8～1.2mm，该厚度范围能够在底板10尽可能薄的情况下方便耦合剂容纳槽10a和沟槽10c的设置，若底板10厚度过大，则相移光纤光栅20与工件间的间隔过大，会降低相移光纤光栅传感器的精度。

图2是本发明实施例提供的一种底板的截面图，结合图1和图2，本发明实施例所提供的相移光纤光栅传感器中，底板10的长度为28mm，底板10的宽度为10mm，底板10的厚度为1mm，耦合剂容纳槽10a的长度为20mm，耦合剂容纳槽10a的宽度wa为4mm，耦合剂容纳槽10a的深度h1为0.4mm。耦合剂容纳槽10a位于两个固定凹槽10b之间，耦合剂容纳槽10a和两个固定凹槽10b沿底板10的长度方向排列，固定凹槽10b与耦合剂容纳槽10a连通。固定凹槽10b的长度为4mm，固定凹槽10b的宽度wb为2mm，固定凹槽10b的深度h2为0.2mm，耦合剂容纳槽10a的宽度大于固定凹槽10b的宽度。沟槽10c的宽度wc为6mm。

可选地，耦合剂容纳槽10a的深度可以为0.3～0.5mm，固定凹槽10b的深度可以为0.2～0.4mm。

在本实施例中耦合剂容纳槽10a的深度设置为0.4mm，固定凹槽10b的深度设置为0.2mm，将耦合剂容纳槽10a的深度设置为0.4mm，固定凹槽10b的深度设置为0.2mm可以使栅区21与耦合剂容纳槽10a的底部贴合，光纤22与固定凹槽10b的底部贴合，同时保证光纤22和耦合剂容纳槽10a共线。

在本实施例中，沟槽10c的深度处处相等，沟槽10c的深度h3可以设置为0.1mm。

在本发明的另一种实施例中，沟槽10c可以为斜槽，即沟槽10c的深度沿底板10的长度方向从一端向另一端逐渐变浅，这样可以便于将底板与工件贴合时，沟槽10c内的空气的排出。

可选地，耦合剂容纳槽10a、固定凹槽10b和沟槽10c均可以关于相移光纤光栅20的轴线对称。这样有利于减小底板10形状对相移光纤光栅传感器的精度的影响。

如图1所示，在本实施例中，耦合剂容纳槽10a呈矩形，在其他实施例中，耦合剂容纳槽10a也可以呈长圆形或椭圆形。

相移光纤光栅20的相移量可以为π，相移点位于栅区21的中点处。有利于提高相移光纤光栅传感器的精度。

本发明实施例的相移光纤光栅20的中心波长为1550nm。

相移光纤光栅20的光纤22可以通过环氧树脂胶30粘贴在固定凹槽10b内，环氧树脂胶30凝固后，相移光纤光栅20受到的轴向拉力大于等于0，以保证相移光纤光栅20的光纤22和栅区21共线，有利于提高相移光纤光栅传感器的精度。

需要说明的是，为了减小相移光纤光栅20由拉力引起的形变，提高相移光纤光栅传感器的精度，应避免相移光纤光栅20上的轴向拉力过大。

实现时，设置在两个固定凹槽10b内的环氧树脂胶的量相等，且环氧树脂胶应均匀设置，避免由于环氧树脂胶凝固导致的光纤22局部受力过大而造成形变过大或损坏。在环氧树脂胶设置到固定凹槽10b内后，可以将相移光纤光栅传感器静置3～5天，以确保环氧树脂胶完全凝固。

图3是本发明实施例提供的一种探伤装置的结构示意图，如图3所示，该探伤装置包括用于发射超声波信号的超声波发射设备310、用于接收超声波信号的相移光纤光栅传感器320、激光光源331、光电探测器332和示波器333。其中，相移光纤光栅传感器320为图1所示的相移光纤光栅传感器，激光光源331和光电探测器332均与相移光纤光栅传感器320的一端连接，光电探测器332与示波器333连接。

通过在底板的第一表面上设置耦合剂容纳槽和固定凹槽，可以将相移光纤光栅的栅区设置在耦合剂容纳槽内，将栅区两端的光纤固定在固定凹槽内，通过在底板的第二表面上设置沟槽，耦合剂容纳槽在第二表面上的正投影位于沟槽内，这样在进行探伤时，可以在耦合剂容纳槽内填充耦合剂，排出耦合剂容纳槽内的空气，在工件表面上设置耦合剂，将底板设置到工件合适位置的表面上，工件表面的耦合剂可以填充到沟槽中，排出底板与工件表面之间的空气，这样不需要反复粘贴和拆卸相移光纤光栅，避免相移光纤光栅受损，可以延长相移光纤光栅的使用寿命，降低超声波探伤成本。

相移光纤光栅20的一个光纤22可以连接有一分路器334，分路器334分得的两个支路分别与激光光源331和光电探测器332连接。光纤22和分路器334之间可以通过光纤法兰连接。

激光光源331可以为可调激光光源，输出功率可达到20mw。示波器333可以为电子示波器。

如图3所示，超声波发射设备310可以包括超声波探头311和安装块312，安装块312上具有至少两个相互间不垂直的表面，超声波探头311设置在至少两个相互间不垂直的表面中的一个表面上。这样在将超声波探头311设置在安装块312上，将至少两个相互间不垂直的表面中的另一个表面支撑在工件300上，能够避免超声波探头311发出的超声波与工件300的表面垂直。

如图3所示，本发明中的安装块312为三棱柱状，超声波探头311设置在安装块312的一个矩形表面上。示例性地，安装块312的两个矩形表面的夹角可以为60°，这样超声波探头311发出的超声波射入工件的方向与工件表面的夹角为30°。

可选地，超声波探头311可以为压电陶瓷超声波探头，压电陶瓷超声波探头结构简单，成本低。

进一步地，压电陶瓷超声波探头包括压电陶瓷片。示例性地，压电陶瓷片可以呈正方形薄片状，压电陶瓷片的边长为13mm，压电陶瓷片的厚度为0.4mm。压电陶瓷超声波探头发出的超声波频率可以为1mhz～8mhz，本实施例中压电陶瓷超声波探头发出的超声波频率为5mhz。

图4是本发明实施例提供的一种探伤方法的流程图，该探伤方法适用于图3所示的探伤装置，如图4所示，该探伤方法包括：

s11：在工件表面和耦合剂容纳槽内设置耦合剂。

工件表面的耦合剂厚度不小于沟槽的深度。耦合剂可以包括甘油、水或凡士林。

s12：将相移光纤光栅传感器和超声波发射设备放置在工件表面。

s13：控制超声波发射设备发射超声波信号。

s14：根据示波器上形成的波形判断工件是否存在缺陷。

通过在底板的第一表面上设置耦合剂容纳槽和固定凹槽，可以将相移光纤光栅的栅区设置在耦合剂容纳槽内，将栅区两端的光纤固定在固定凹槽内，通过在底板的第二表面上设置沟槽，耦合剂容纳槽在第二表面上的正投影位于沟槽内，这样在进行探伤时，可以在耦合剂容纳槽内填充耦合剂，排出耦合剂容纳槽内的空气，在工件表面上设置耦合剂，将底板设置到工件合适位置的表面上，工件表面的耦合剂可以填充到沟槽中，排出底板与工件表面之间的空气，这样不需要反复粘贴和拆卸相移光纤光栅，避免相移光纤光栅受损，可以延长相移光纤光栅的使用寿命，降低超声波探伤成本。

在步骤s14中，可以根据示波器波形中各波包主峰出现时间的差值、波包的频率、波包形状是否畸变等信号特征判断工件是否存在缺陷，并确定缺陷的大致位置。根据的判断方法与现有技术中的相同，此处不详述。

具体地，步骤s12可以包括：

将相移光纤光栅传感器和超声波发射设备间隔布置在工件表面，且超声波发射设备位于相移光纤光栅的一端的延长线上。这样可以有利于相移光纤光栅传感器接收到超声波信号。

此外，在布置超声波发射设备时，还可以在超声波探头和安装块之间也涂覆耦合剂。

优选地，该探伤方法还可以包括：

将相移光纤光栅传感器移动至工件表面的不同位置。

控制超声波发射设备发射超声波信号，并根据示波器上形成的波形判断工件是否有损伤。

通过对工件的多个不同位置进行检测，可以充分检测出工件内存在的缺陷，提高检测的准确性。

图5是本发明实施例提供的一种相移光纤光栅的反射谱曲线图，如图5所示，该图示出了相移光纤光栅对于不同波长的激光的反射率，在探伤前，可以调节激光光源的中心波长至反射谱曲线的一个尖峰的半值带宽位置(如图5中的k处)，这样可以提高相移光纤光栅接收到的超声波信号强度，有利于提高探伤结果的准确性。图6是本发明实施例提供的一种激光光源的中心波长调节示意图，如图6所示，调节时可以通过光栅光谱仪412和宽带光源411进行，光栅光谱仪412和宽带光源411可以分别与分路器334的两个支路连接，宽带光源411产生测试光，光栅光谱仪412对相移光纤光栅反射的光进行光谱分析，以得到该相移光纤光栅的反射谱曲线，根据反射谱曲线上一个尖峰的半值处对应的波长对激光光源331进行调节，在调节好后，可以将分路器334与光栅光谱仪412和宽带光源411断开，并连接激光光源331和光电探测器332。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。