基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法及系统。所述系统包括激光光源，耦合型光纤传感器，两个光电探测器，差分放大电路和数据采集系统；耦合型光纤传感器的一个输入端连接激光光源，两个输出端分别连接第一、二光电探测器，两个光电探测器的输出端依次连接差分放大电路和数据采集系统；耦合型光纤传感器包括光纤声发射传感器，封装V型槽和封装UV胶；耦合型光纤传感器由两条单模光纤过耦合形成，其两端分别通过UV胶封装在V型槽中；UV胶封装截止处为传感器耦合区起始处。所述方法提取A0模态两个频率分量的到达时间和传播速度，由一个平板超声信号计算得到超声源的计算距离，实现单个传感器的线性定位。
【专利说明】
基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及声发射在线监测领域，具体为基于优化的耦合型光纤传感器平板超声 源定位方法及系统。
【背景技术】
[0002] 在工程工业领域中，金属薄板是一种最为常见的工程部件，其在长期的服役过程 中不可避免的会受到过载、环境、人为等因素的影响，出现裂纹等损伤，导致安全事故或者 不必要的经济损失。为了预防此类事故发生，需要及时有效的检测到损伤位置，对此类板材 的健康状态进行在线监测。
[0003]超声波在平板中以Lamb波的方式进行传播，其成分主要为Aq与Sq两种最基本的模 态，通常So模态能量小，且频散效应不明显，难以识别；而Ao模态能量较大，频散效应明显，易 识别，因此Ao模态常被用于反应声源信息。
[0004] 对信号到达时间的准确判定是影响定位精度的关键因素。通常人们把越过设定阈 值的第一个信号波峰时刻作为信号到达时间，简称阈值法;或者将整个信号的第一个波峰 时刻作为信号到达时间，简称峰值法。Y.Ding等人于NDT&E International上发表的"A new method for waveform analysis for estimating AE wave arrival times using wavelet decomposition"利用峰值法对超声信号进行了定位，定位结果出现了较大偏差； J.Jiao等人于STRUCTURAL CONTROL AND HEALTH MONITORING上发表的 "Acoustic emission source location methods using mode and frequency analysis" 同样利用峰 值法对AO模态不同分量到达时间进行判断，该方法定位的相对误差为8%-14%，定位误差 较大。实际上，超声波在平板中以Lamb波形式传播，其包含了不同模态的分量，并随着传播 距离的增加出现模式转换等现象。这样，超声信号的峰值可能受到超声波反射叠加、模式转 换等影响而产生偏移，不能准确表征超声波到达时间，最终导致定位偏差。且以此方法进行 线性定位，通常需要至少两个传感器才能实现，增加了成本。
[0005] 传统的压电陶瓷类超声传感器由于其体积大、易受电磁干扰、安装和测量不方便 等因素使其在狭小空间及强电磁环境中难以应用，相比之下光纤传感器采用全光纤测量， 体积小质量轻、易于填埋、不受电磁干扰更适合应用于远距离工件设备工作状态的在线监 测。
[0006] 已提出的光纤超声传感器主要为干涉型光纤传感器，如（1)布拉格光栅、（2)法布 里-珀罗腔体、（3)马赫-策德尔干涉、（4)萨格纳克干涉，这些干涉型光纤传感器成本较高， 对设备的要求较高且传感器的制作工艺复杂，不适合实际的工程应用。如已公开专利 CN201010185466.5 "光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法"与CN201310061027.7 "点 接触式光纤超声波传感器"均属于上述类型传感器。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于优化的耦合型光纤传感器平板 超声源定位方法及系统，提高了超声定位准确度，减少了传感器的使用，降低成本，并为实 现平板超声源的全光纤、远距离在线定位奠定了基础。
[0008] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0009] 基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位系统，包括激光光源，耦合型光纤 传感器，两个光电探测器，差分放大电路和数据采集系统;耦合型光纤传感器的一个输入端 连接激光光源，两个输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器，两个光电探测器 的输出端依次连接差分放大电路和数据采集系统；
[0010] 所述的耦合型光纤传感器包括光纤声发射传感器，封装V型槽和封装UV胶;耦合型 光纤传感器由两条单模光纤过耦合形成，耦合型光纤传感器两端分别通过UV胶封装在V型 槽中;UV胶封装截止处为传感器耦合区起始处。
[0011] 优选的，所述激光光源为C波段窄线宽光源，线宽小于2MHz。
[0012] 优选的，所述第一光电探测器与第二光电探测器的探测波长范围包含光源波长， 响应带宽大于IOMHz。
[0013] 优选的，所述的平板超声源在AO模态的频率为20kHz-250kHz。
[0014] 基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，采用如上述技术方案中任意 一项所述的系统，包括以下步骤：
[0015] SI:通过耦合型光纤传感器获得待测平板工件的超声信号，进行Gabor变换，得到 信号的时频图；
[0016] S2:从时频图中识另IjAo模态，并从Ao模态中优选两个计算频率分量h、f2;
[0017] S3:利用阈值法判定负』2分量的到达时间tAQ1、tA02;
[0018] S4:获取待测平板频散曲线，查找对应频率分量的群速度VAQ1、VA02;
[0019] S5:根据d= (tAQl-tAQ2)/(l/vA()l-l/vA()2)计算得到超声源距离。
[0020] 优选的，所述待测平板工件为各向同性材料，各向同性材料的参数包括厚度、横波 速及纵波速。
[0021 ] 优选的，Sl中，所述Gabor变换的时间分辨率设置为Iys，频率分辨率设置为IkHz。 [0022]优选的，S2中，两个计算频率在频散连续处进行优选选取，选取间隔至少大于 20kHz，选取范围在 20kHz-250kHz。
[0023]优选的，S3中，所述阈值法为将信号时频图中最大能量的1%_3%作为阈值，绘制 其等值线图，计算频率分量与该等值线图的第一个交点所对应的时刻即为该频率分量的到 达时间。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0025]本发明利用平板Lamb波中AO模态能量大、传播距离远、频散明显的特点，提取AO模 态两个频率分量的到达时间和传播速度，可由一个平板超声信号计算得到超声源的计算距 离，实现单个传感器的线性定位，方法简单可靠，减少了定位系统的复杂度。
[0026]相对于传统的压电式传感器，本系统采用优化的耦合型光纤传感器，既有效地反 应待检测信号AO模态的频散特性，又保证高的灵敏度，特别适用于本发明提出的定位方法。 并且制作简单，易于实现，精确有效，成功率高，解调系统成本低，抗电磁干扰，耐腐蚀，不受 温度漂移等影响，更适合于复杂环境中平板部件缺陷的定位。其中的耦合型光纤传感器属 于光强调制型，其相对于相位调制型及干涉型光纤传感器，对光源等设备的要求不高，且耦 合型光纤传感器制作工艺成熟，基于其搭建的系统易实现，更适合应用于实际工程中设备 的在线监测。
[0027] 利用本发明所提供的定位方法，可准确有效地实现基于单个传感器平板声源的线 性定位;系统抗电磁干扰，耐腐蚀，且装置简单，成本低，易于实现，为复杂环境中平板超声 源远距离、分布式定位和长期连续的测定奠定了基础。同时利用阈值法对AO模态不同频率 分量的到达时间进行判断，能够避免可能受到的超声波反射叠加、模式转换等影响，提高定 位精度，本发明中利用阈值法的定位相对误差能够达到〇. 2 % -2.48 %。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的平板超声源定位方法流程图。
[0029] 图2为本发明制备的耦合型光纤传感器封装俯视图。
[0030] 图3a为本发明的光纤传感器不同封装位置所对应的传感器等效直径示意图。
[0031]图3b为图3a中封装位置为在b点处所测超声信号的时频分析图。
[0032]图3c为图3a中封装位置为在c点处所测超声信号的时频分析图。
[0033]图3d为图3a中封装位置为在d点处所测超声信号的时频分析图。
[0034]图3e为图3a中封装位置为在e点处所测超声信号的时频分析图。
[0035] 图4为本发明实例中所述的板厚为2_的铝板(5052)的频散曲线。
[0036] 图5为本发明的光纤传感定位系统示意图。
[0037]图6a为本发明实例中所述模拟声源距离光纤传感器45cm时激发，传感器所测超声 信号时域波形图。
[0038]图6b为图6a对应超声信号的时频分析图。
[0039]图7为图6b对应的阈值等值线图。
[0040] 图中，1为激光光源、2为耦合型光纤传感器、3为第一光电探测器、4为第二光电探 测器、5为差分放大电路、6为数据采集系统、7为模拟超声源、8为待测平板部件、21为光纤声 发射传感器，22为传感器等效直径，23为封装V型槽，24为封装UV胶。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0042] 本发明基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，其中所述的超声源为 20kHz-250kHz ;如图1所示，其具体包括步骤如下：（1)通过优化的耦合型光纤传感器2获得 平板超声信号，进行Gabor变换，得到信号的时频图；（2)从时频图中识别Ao模态，并从Ao模态 中优选两个计算频率分量f I、f 2 ; ( 3 )利用阈值法判定f I、f 2分量的到达时间tAQl、tAQ2 ; ( 4 )获 取待测平板频散曲线，查找对应频率分量的群速度VAQ1、VAQ2 ; (5)根据d = ( tAQl-tAQ2)/( 1/ VA01-1/VAQ2)计算得到超声源距离。
[0043] 其中，优化的耦合型光纤传感器2如图2所示，光纤声发射传感器21封装在V型槽23 中，用封装UV胶24即紫外线固化胶对光纤声发射传感器21进行对称封装，其余悬空部分即 为传感区，b、c、d、e四点表示不同的封装位置，22表示对应封装位置下传感器的等效直径；
[0044] 如图3所示，在同一传感器不同封装位置下，对同一声源测量得到的超声信号时频 图，b、c、d、e四点与图2相对应;b、c两点的封装位置未到达传感器的耦合区，传感器两臂处 于分离状态，尚未融合，如图3b和图3c所示，其为b、c两点封装位置测到的信号时频图，频散 效果不好;d点的封装位置恰好为传感器两臂开始融合处，也就是UV胶24封装截止处为传感 器耦合区起始处，两臂开始融合，如图3d所示，其为d点封装位置测到的信号时频图，频散效 果好，也是本发明所要保护的结构点；e点的封装位置越过传感器耦合区起始处，封装区域 覆盖部分耦合区，如图3e所示，其为e点封装位置测到的信号时频图，尽管频散效果好，但信 噪比明显下降，降低了传感器对微弱超声信号的检测能力，影响定位结果;综合考虑，为了 保证传感器有效测到平板超声信号的频散效果，同时有较高的信噪比，封装位置应在传感 器两臂恰好开始融合处，即d处的位置。
[0045]根据平板参数，获取平板曲线；本实施例中选用5052型铝板作为待测部件，其板 厚、横波速及纵波速等参数列于表1。
[0046] 表1 5052型铝板平板参数。
[0048]将表1中平板参数代入Rayleigh-Lamb方程中，求解方程得到频率f与传播速度V的 关系，即该平板的频散曲线，并存入数据库，Rayleigh-Lamb方程如下：
[0052]求解后得到待测平板部件的理论Lamb频散曲线，如图4所示，图中横轴代表频率 (kHz )，纵轴代表群速度(m/s )，黑色实线为Ao模态，灰色虚线为So模态。
[0053]图5为本发明实例的检测系统示意图，耦合型光纤传感器2以UV胶固定于待测平板 部件8的表面，激光光源1发出1550nm波长的光，经单模光纤传输至耦合型光纤传感器2,光 一分为二，分别经单模光纤输出至第一光电探测器3和第二光电探测器4,光信号转换为电 信号后，再经BNC线送至差分放大电路5,进行差分放大处理，处理后的电信号由数据采集系 统6采集。本实施例中超声源7采用国际通用的断裂铅笔芯（2H，0.7)的方式来模拟(Hsu-Nielsen source)，为了保证每次激发信号尽可能相同，铅芯断裂的方向和角度保持一致， 本优选实例中采用45°进行模拟，激光光源1采用DFB激光光源。
[0054]模拟超声源产生的超声信号模拟平板缺陷，以Lamb波形式传播，耦合型光纤传感 器2检测到超声信号发生微应变，改变了传感器的耦合效率，使两臂的光输出发生相应改 变，最终导致检测到的电信号发生改变，形成超声信号波形。本实施例中，超声模拟源7距离 传感器45cm，检测到的超声信号时域图如图6a所示。
[0055]得到了时域超声信号，需要对其进行时频分析，本实施例采用MATLAB时频工具箱 中的Gabor变换，对时域信号进行处理，其时间分辨率设置为Iys，频率分辨率设置为IkHz。 得到所测信号的时频分布图，如图6b所示，图中横轴代表时间(ys)，纵轴代表频率(MHz)J 色深浅代表能量大小;从图6b可以看出超声信号不同频率分量的到达时间是不一样的，其 表现出明显的频散现象，根据Ao模态高频分量传播速度快，低频分量传播速度慢的特点，可 以识别出Ao模态，图6b中白色虚线代表拟合的Ao模态。
[0056] 选取计算频率由图6b可以看到Ao模态在40kHz_150kHz具有连续的频散现 象，为了尽可能减小误差，频率分量选取应尽量大，且频率分量相差至少大于20kHz，本实施 例中选取fi = 80kHz，f2 = 120kHz作为计算频率。
[0057] 用阈值法确定计算频率fi、f2的到达时间，为了减小Lamb波模式转换、反射叠加的 影响，设定阈值应限定为最大信号能量的1%_3%，在本实施例中取2%。图7为图6b中对应 的阈值等值线图，a、b两点分别对应两个计算频率与等值线的交点，两点的坐标分别为a (532 .Iys，120kHz)、b(558. Iys，80kHz)。因此，120kHz的到达时间为tA〇2 = 532. Iys，80kHz分 量的到达时间为tAQi = 558.1ys〇
[0058] 查询图4中待测平板部件的频散曲线，负=80kHz分量对应的Ao模态群速度为VA01 = 2121.9km/s，f I = 120kHz分量对应的AO模态群速度为VAQ2 = 2424. lkm/s。
[0059] 超声源距离可由下式算出
[0060]
[0061]将对应参数带入公式可计算得到超声源的距离为44.26cm，与实际值45cm仅相差 0.74cm，证明本方法是精确有效的，也证明了光纤耦合声发射传感器应用于平板超声波定 位是可行的。
[0062] 表2列出了模拟超声源距离从5cm到80cm变化，每5cm为一个步长，共定位16个点的 定位结果，定位共进行两次，两次时间间隔相差7天以验证耦合型光纤传感器定位的稳定 性。第一次定位相对误差不超过3%，第二次定位相对误差不超过5%，证明本发明的平板超 声源定位方法及定位系统是精确有效的。
[0063]表2平板超声源定位结果。
[0065] *表示与第一次定位时间相隔七天
[0066] 综上所述，本发明中激光光源发出的光进入耦合型光纤传感器，光在传感器中一 分为二，分别输出至光电探测器一和光电探测器二，光信号转换为电信号后送入调理电路 进行差分放大处理，处理后的电信号由计算机采集并进行滤波去噪处理，最后将得到的信 号利用本发明提出的定位方法计算，得到声源距离。本发明提供的平板超声源定位方法及 定位系统具有较好的精确性及稳定性。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用 以限定本发明，本发明主要考虑一维情况，但是所述的定位原理可以推广到二维及三维定 位情形。
【主权项】
1. 基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位系统，其特征在于，包括激光光源 (1)，耦合型光纤传感器(2)，两个光电探测器，差分放大电路(5)和数据采集系统(6);耦合 型光纤传感器(2)的一个输入端连接激光光源（1)，两个输出端分别连接第一光电探测器 (3)和第二光电探测器(4)，两个光电探测器的输出端依次连接差分放大电路(5)和数据采 集系统(6); 所述的耦合型光纤传感器(2)包括光纤声发射传感器(21)，封装V型槽(23)和封装UV胶 (24);耦合型光纤传感器(21)由两条单模光纤过耦合形成，耦合型光纤传感器(21)两端分 别通过UV胶(24)封装在V型槽(23)中；UV胶(24)封装截止处为传感器耦合区起始处。2. 根据权利要求1所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位系统，其特征 在于，所述激光光源为C波段窄线宽光源，线宽小于2MHz。3. 根据权利要求1所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位系统，其特征 在于，所述第一光电探测器(3)与第二光电探测器(4)的探测波长范围包含光源波长，响应 带宽大于10MHz。4. 根据权利要求1所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位系统，其特征 在于，所述的平板超声源在A0模态的频率为20kHz-250kHz。5. 基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，其特征在于，采用如权利要求 1-4中任意一项所述的系统，包括以下步骤： S1:通过耦合型光纤传感器(2)获得待测平板工件的超声信号，进行Gabor变换，得到信 号的时频图； S2:从时频图中识另ljA〇模态，并从A〇模态中优选两个计算频率分量f i、f 2; S3:利用阈值法判定f!、f 2分量的到达时间tAQ1、tA02; S4:获取待测平板频散曲线，查找对应频率分量的群速度VAQ1、vA02; S5 :根据d= (tAQl-tAQ2)/( 1/VAQ1-1/VAQ2)计算得到超声源距离。6. 根据权利要求5所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，其特征 在于，所述待测平板工件为各向同性材料，各向同性材料的参数包括厚度、横波速及纵波 速。7. 根据权利要求5所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，S1中，所 述Gabor变换的时间分辨率设置为lys，频率分辨率设置为1 kHz。8. 根据权利要求5所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，S2中，两 个计算频率在频散连续处进行优选选取，选取间隔至少大于20kHz，选取范围在20kHz-250kHz〇9. 根据权利要求5所述的基于优化的耦合型光纤传感器平板超声源定位方法，S3中，所 述阈值法为将信号时频图中最大能量的1%_3%作为阈值，绘制其等值线图，计算频率分量 与该等值线图的第一个交点所对应的时刻即为该频率分量的到达时间。
【文档编号】G01H9/00GK105841794SQ201610317010
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】刘懿莹, 王霖洁, 李凤梅, 赵振宇, 付文成, 虞珂
【申请人】西安交通大学