一种多通道光纤环声发射检测系统及解调方法与流程

本发明属于声发射检测的技术领域，具体涉及一种多通道光纤环声发射检测系统及解调方法。

背景技术：

声发射技术起源于上世纪50年代，声发射信号的产生直接来自构件或者材料内部的裂纹缺陷及扩展等动态信息。声发射检测技术的特点使其特别适用于机械设备结构的动态安全检测、健康监测、完整性评估、早期损伤预警和失效预防等，因此声发射技术一直备受关注，目前在航空航天、电力、机械制造、石油化工等领域都有广泛应用。

目前，声发射检测技术以压电陶瓷传感器为主，这种方法具有较高的灵敏度，能进行多通道检测，但是压电陶瓷本身不抗电磁干扰，在恶劣环境中检测效果差，光纤抗电磁干扰、耐腐蚀、轻巧、损耗低、成本低廉等优点使它能在强电磁干扰等恶劣环境中也能正常工作，因此，近年来，拥有传统电类传感器技术无法比拟的独特优势的光纤传感技术，在声发射检测领域取得了很大的进展。其中，光纤F-P腔声发射传感器系统结构复杂，成本昂贵，实用程度不高；光纤光栅传感器3dB点容易发生漂移，致使传感器的探测灵敏度降低，甚至探测不到声发射信号，因此实用性不太理想。另外，光纤传感技术中常见的光纤干涉解调方法有光纤锁相环法、微分交叉相乘法和反正切法。光纤锁相环法需要加入PZT相位调制，其对传感系统的频率响应有一定影响，而且有源补偿器件不利于全光纤成网，不利于搭建多通道检测系统；微分交叉相乘法和反正切法，两种方法均需要混频器将外部信号和系统干涉信号混频，在此过程中，本振频率和载波频率不尽完全相同，容易造成频率差异和相位差异，从而影响后续的解调。

现有的光类传感器声发射检测技术主要集中在光纤光栅声发射检测领域，如中国专利CN105116056A“基于FBG传感系统和二阶统计量的声发射定位系统及方法”、CN102419348A“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法”等公开的声发射检测系统都是基于光纤光栅声发射传感器的，光纤光栅易受温度等外部影响，从而影响声发射信号的检测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种多通道光纤环声发射检测系统及解调方法。该系统具有抗强电磁干扰、灵敏度高、多通道同时检测、响应频带宽、硬件成本低廉，该解调方法具有简单高效、运算速度快，能够快速地解调出声发射信号，从而实现对结构体健康状况的实时监测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种多通道光纤环声发射检测系统，所述检测系统包括窄带光源，隔离器，第一2*2耦合器，第二2*2耦合器，第三2*2耦合器，第四2*2耦合器，第五2*2耦合器，第一1*4耦合器，第二1*4耦合器，参考光纤环，第一传感光纤环，第二传感光纤环，第三传感光纤环，第四传感光纤环，光电探测电路，带通滤波电路，前置放大电路，模数转换电路，FPGA和计算机；其中，第一2*2耦合器的A端与隔离器的输出端相连，第一2*2耦合器的B端参考光纤环相连，第一2*2耦合器的C端与第二1*4耦合器的I端相连；其中，第一1*4耦合器的D端与参考光纤环相连，第一1*4耦合器的E端和第二2*2耦合器的N端相连，第一1*4耦合器的F端与第三2*2耦合器的Q端相连，第一1*4耦合器的G端与第四2*2耦合器的T端相连，第一1*4耦合器的H端与第五2*2耦合器的W端相连；其中，第二1*4耦合器的J端与第一传感光纤环相连，第二1*4耦合器的K端与第二传感光纤环相连，第二1*4耦合器的L端与第三传感光纤环相连，第二1*4耦合器的M端与第四传感光纤环相连；其中，第二2*2耦合器的O端与传感光纤环相连，P端与光电探测电路相连；其中，第三2*2耦合器的R端与第一传感光纤环相连，第三2*2耦合器的S端与光电探测电路相连；其中，第四2*2耦合器的U端与第三传感光纤环相连，第四2*2耦合器的V端与光电探测电路相连；其中，第五2*2耦合器的X端与第四传感光纤环相连，第五2*2耦合器的Y端与光电探测电路相连；窄带光源发出的窄带光经隔离器，由第一2*2耦合器的A端进入，被分为两路光，一路由B端进入参考光纤环，形成参考臂，后进入第一1*4耦合器的D端，被分为四路参考光，以便与四路传感光发生干涉，另一路由第一2*2耦合器的C端进入第二1*4耦合器的I端，被分为四路传感光，形成传感臂，后分别接入4个传感光纤环即第一传感光纤环，第二传感光纤环，第三传感光纤环，第四传感光纤环，从4个传感光纤环即第一传感光纤环，第二传感光纤环，第三传感光纤环，第四传感光纤环出来的四路传感光分别与四路参考光进入第二2*2耦合器，第三2*2耦合器，第四2*2耦合器，第五2*2耦合器，发生干涉现象，产生的四路干涉信号进入光电探测电路，实现光电转换，再先后经带通滤波电路、前置放大电路、模数转换电路进行滤波处理，幅值放大和将模拟信号转换为数字信号，然后接入FPGA实现高速采集，最后由计算机实时显示声发射信号。

进一步的，所述窄带光源中心波长为1550nm，功率5mW，带宽0.02nm。

进一步的，2*2耦合器的分光比为50:50，1*4耦合器的分光比为25:25:25:25。

进一步的，所述参考光纤环与传感光纤环同等长度，传感光纤环为ITU-T G.652.D型单模裸光纤绕制在骨架上。

进一步的，所述光电探测电路为四通道的半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。

进一步的，所述带通滤波电路上限截止频率为200kHz，下限截止频率为100kHz。

另外，本发明提供种多通道光纤环声发射检测系统的解调方法：窄带光源发出的窄带光经隔离器，由第一2*2耦合器的A端进入，被分为两路光，一路50％的光由第一2*2耦合器的B端进入参考光纤环，形成参考臂，后进入第一1*4耦合器的D端，被分为四路参考光，每一路光光强分别为25％、25％、25％、25％，以便与四路传感光发生干涉，另一路50％的光由第一2*2耦合器的C端进入第二1*4耦合器的I端，被分为四路传感光，每一路光光强分别为25％、25％、25％、25％，形成四路传感臂，每一路传感臂分别接入4个传感光纤环即第一传感光纤环，第二传感光纤环，第三传感光纤环，第四传感光纤环，从第一传感光纤环，第二传感光纤环，第三传感光纤环，第四传感光纤环出来的四路传感光分别与四路参考光进入第二2*2耦合器，第三2*2耦合器，第四2*2耦合器，第五2*2耦合器，发生干涉现象，产生的四路干涉信号进入光电探测电路，实现光电转换，再先经带通滤波电路将转换来的电信号进行滤波处理，从而滤除直流信号、低频环境噪声和高频的倍频信号，仅存留声发射信号的基频信号，然后经前置放大电路、模数转换电路实现幅值放大和模拟信号数字化，然后接入FPGA进行高速采集，最后由计算机实现声发射信号的显示。

本发明与现有技术相比，优点在于：以压电陶瓷为传感器，本身不抗电磁干扰，在恶劣环境中检测效果差；以光纤F-P腔声发射传感器检测声发射信号，系统结构复杂，成本昂贵，实用程度不高；以光纤光栅传感器感知声发射信号，易受温度等外部影响，探测灵敏度降低，甚至探测不到声发射信号，而本发明所述的多通道系统具有抗强电磁干扰、灵敏度高、多通道同时检测，响应频带宽、硬件成本低廉，本发明中解调方法具有简单高效、运算速度快，能够快速地解调出声发射信号，从而实现对结构体健康状况的实时监测。

附图说明

图1是一种多通道光纤环声发射检测系统结构示意图。

图中：1、窄带光源，2、隔离器，3、第一2*2耦合器，4、参考光纤环，5、第一1*4耦合器，6、第二1*4耦合器，7、第一传感光纤环，8、第二传感光纤环，9、第三传感光纤环，10、第四传感光纤环，11、第二2*2耦合器，12、第三2*2耦合器，13、第四2*2耦合器，14、第五2*2耦合器，15、光电探测电路，16、带通滤波电路，17、前置放大电路，18、模数转换电路，19、FPGA，20、计算机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明为一种多通道光纤环声发射检测系统结构示意图。检测系统包括：窄带光源1，隔离器2，5个2*2耦合器(3,11-14)，2个1*4耦合器(5,6)，参考光纤环4，4个传感光纤环(7-10)，光电探测电路15，带通滤波电路16，前置放大电路17，模数转换电路18，FPGA19，计算机20；其中，第一2*2耦合器3的A端与隔离器2的输出端相连，第一2*2耦合器3的B端参考光纤环4相连，第一2*2耦合器3的C端与第二1*4耦合器6的I端相连；其中，第一1*4耦合器5的D端与参考光纤环4相连，第一1*4耦合器5的E端和第二2*2耦合器11的N端相连，第一1*4耦合器5的F端与第三2*2耦合器12的Q端相连，第一1*4耦合器5的G端与第四2*2耦合器13的T端相连，第一1*4耦合器5的H端与第五2*2耦合器14的W端相连；其中，第二1*4耦合器6的J端与第一传感光纤环7相连，第二1*4耦合器6的K端与第二传感光纤环8相连，第二1*4耦合器6的L端与第三传感光纤环9相连，第二1*4耦合器6的M端与第四传感光纤环10相连；其中，第二2*2耦合器11的O端与第一传感光纤环7相连，第二2*2耦合器11的P端与光电探测电路15相连；其中，第三2*2耦合器12的R端与第二传感光纤环8相连，第三2*2耦合器12的S端与光电探测电路15相连；其中，第四2*2耦合器13的U端与第三传感光纤环9相连，第四2*2耦合器13的V端与光电探测电路15相连；其中，第五2*2耦合器14的X端与第四传感光纤环10相连，第五2*2耦合器14的Y端与光电探测电路15相连；窄带光源1发出的窄带光经隔离器2，由第一2*2耦合器3的A端进入，被分为两路光，一路由第一2*2耦合器3的B端进入参考光纤环4，形成参考臂，后进入第一1*4耦合器5的D端，被分为四路参考光，以便与四路传感光发生干涉，另一路由第一2*2耦合器3的C端进入第二1*4耦合器6的I端，被分为四路传感光，形成传感臂，后分别接入4个传感光纤环(即第一传感光纤环7、第二传感光纤环8、第三传感光纤环9、第四传感光纤环10)，从传感光纤环出来的四路传感光分别与四路参考光进入4个耦合器(即第二2*2耦合器11、第三2*2耦合器12、第四2*2耦合器13、第五2*2耦合器14)，发生干涉现象。

解调方法具体如下：声发射信号作用于四个传感光纤环(即第一传感光纤环7、第二传感光纤环8、第三传感光纤环9、第四传感光纤环10)，将传感光纤环输出光路和参考光纤环分光后的光路接入2*2耦合器中产生干涉信号，表达形式为：

I＝||A1||²+||A2||²+2||A1||||A2||cosα·cos(φ(t)+φ0) (1)

该干涉信号包含直流分量和交流分量2||A1||||A2||cosα·cos(φ(t)+φ0)，其中交流分量中含有待解调的声发射信号φ(t)，A1和A2分别为产生干涉的两路信号的幅值，α为A1和A2的夹角，φ0为初相位差。可将交流分量记为：

在这里B＝2||A1||||A2||cosα，将声发射信号设为单一频率信号φ(t)＝Ccos(ωst)，信号频率为ωs，幅值为C，初相位为0。带入到上式中，为：

干涉信号接入差分式光电探测电路15，进行光电转换，得到对应的电信号V，利用贝塞尔函数将得到电信号展开，为：

其中包含直流信号、声发射信号及其倍频信号。在进行光电转换过程中也可能掺杂一些低频环境噪声信号；

利用带通滤波电路16，对采集来电信号进行滤波处理，将带通滤波器上限截止频率为200kHz，下限截止频率为100kHz，因为声发射信号频率主要位于100kHz-200kHz之间，从而滤除直流信号、低频环境噪声和声发射信号的倍频信号，仅存留声发射信号的基频信号；将较弱的声发射信号引入前置放大电路17中进行信号放大，达到后续可供模数转换和采集的信号幅值；将放大后的电信号经模数转换电路18离散化、数字化，将放大后的模拟电信号转化为数字电信号，后接入FPGA 19进行数据的高速采集；最后由计算机20实现声发射信号的实时显示。

所述光纤耦合器为熔融拉锥法制作的单模光纤耦合器，它是将两根除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双椎体形式的特殊波导结构。本发明中2*2耦合器的分光比为50:50，1*4耦合器的分光比为25:25:25:25。

所述参考光纤环与传感光纤环同等长度，传感光纤环为ITU-T G.652.D型单模裸光纤绕制在骨架上，直径30mm。

所述光电探测电路15为四通道半导体InGaAs PIN型光电二极管。本实施例又要求高频高精度的光电转换，故选用半导体InGaAs PIN型光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频谱响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、信噪比高等优点。

所述带通滤波电路16，起到将直流信号、低频噪声信号和高频声发射倍频信号滤除的作用。选用上限截止频率为200kHz，下限截止频率为100kHz，中心频率150kHz，带宽为100kHz，阻带衰减为70dB，通带波动为100mdB。

所述前置放大电路17，起到将经光电转换后的电信号放大的作用。由于所需放大的电信号属于宽频微弱信号，故需选用带宽较宽，信噪比高的前置放大电路。本发明所用前置放大电路17的信噪比在50dB以上，带宽20-1200KHz。

所述模数转化电路18，起到将放大后的模拟电信号转化为数字电信号的作用。

所述FPGA19，起到对转换后的数字信号进行高速采集、平滑滤波的作用，本实施例需要较高速的采集速度，选用了Xilinx KINTEX 7系列的FPGA。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。