一种基于光纤光栅的声发射检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于光纤光栅的声发射检测装置。

背景技术：

近几十年来，声发射检测技术作为一种新的无损检测技术得到了迅速的发展。声发射(Acoustic Emission，AE)是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，有时又称作应力波发射。在外部条件下，固体(材料或零件)的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展是结构失效的重要机制。这种直接与变形与断裂机制有关的源是声发射源。近年来，流体的泄漏、摩擦、撞击等与变形和断裂机制无关的另一种弹性波源，被称作其它或者二次声波源。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号来推断声发射源的技术叫做声发射技术。随着计算机和微型计算机的快速迅猛的发展，声发射技术作为新的无损检测也迅速发展。声发射技术应用范围已经覆盖了航空航天、石油化工、铁路、汽车、建筑、电力等众多经济领域。

现有的声音发射检测装置功能较为单一，如单独采用压电传感器实施检测，或者采用光纤光栅传感器实施检测，无法加固两种检测的优势。

由于需要兼顾检测的量程和精度，现有的信号放大器无法适应。

因此，有必要设计一种基于光纤光栅的声发射检测装置。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于光纤光栅的声发射检测装置，该基于光纤光栅的声发射检测装置结构紧凑，能灵活地选择传感器，功能丰富。

实用新型的技术解决方案如下：

一种基于光纤光栅的声发射检测装置，包括声发射装置、光纤检测模块、压电传感器、前置放大器和数据采集模块；

(1)声发射模块包括用于产生声音信号的激励器和作为声传播介质的基板；

(2)光纤检测模块包括光源、光耦合模块、光纤光栅传感器和光电转换模块；

光源、光电转换模块以及光纤光栅传感器均与光耦合模块相连；

(3)声发射检测装置还包括二选一模拟开关，光纤光栅传感器和压电传感器均设置在基板上；光电转换模块的信号输出端以及压电传感器的信号输出端分别连接二选一模拟开关的2个输入通道；二选一模拟开关的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接数据采集模块；二选一模拟开关的控制端接数据采集模块的控制信号输出端口。

数据采集模块连接有显示屏和上位机；显示屏上设有背光调节电路。

光耦合模块采用光纤耦合器或光环行器。

前置放大器为放大倍数可调的放大器；数据采集模块为MCU；

二选一模拟开关的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的 4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout， Vout接MCU的ADC端；

MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B。

Vout与Vin的计算公式：

Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB 来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的 R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。

基板为铝基板。

有益效果：

本实用新型的基于光纤光栅的声发射检测装置，具有以下特点：

(1)集成了压电传感器和光纤光栅传感器这两种检测模块，且通过二选一选择器实现两种检测信号的融合，因此，在实施检测时，可以根据具体情况灵活选择采用哪种检测模式，还可以进一步融合两种检测结果，从而更有效的实施信号采集和分析，而且也进一步提高了检测的系统的可靠性，即使一个检测模块失效，另一个检测模块依然可以工作。

(2)采用放大倍数可调的前置放大器

可以灵活选择量程和放大倍数，灵活性好，且有利于提高检测精度。

(3)具有可调亮度的调光电路

在恶劣的环境下，能灵活调节显示屏亮度，便于操作人员操作和读书。

综上所述，这种基于光纤光栅的声发射检测装置结构巧妙而紧凑，功能丰富，易于实施，可靠性高，具有现有技术不可比拟的灵活性。

附图说明

图1是本实用新型的基于光纤光栅的声发射检测装置的总体结构示意图；

图2是光环行器的原理图；

图3是可调放大倍数的放大器的原理图；

图4是显示屏背光调光电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：如图1-4所示，一种基于光纤光栅的声发射检测装置，包括声发射装置、光纤检测模块、压电传感器、前置放大器和数据采集模块；

(1)声发射模块包括用于产生声音信号的激励器和作为声传播介质的基板；

(2)光纤检测模块包括光源、光耦合模块、光纤光栅传感器和光电转换模块；

光源、光电转换模块以及光纤光栅传感器均与光耦合模块相连；

(3)声发射检测装置还包括二选一模拟开关，光纤光栅传感器和压电传感器均设置在基板上；光电转换模块的信号输出端以及压电传感器的信号输出端分别连接二选一模拟开关的2个输入通道；二选一模拟开关的输出端接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接数据采集模块；二选一模拟开关的控制端接数据采集模块的控制信号输出端口。

数据采集模块连接有显示屏和上位机；显示屏上设有背光调节电路。

光耦合模块采用光纤耦合器或光环行器。

前置放大器为放大倍数可调的放大器；数据采集模块为MCU；

二选一模拟开关的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的 4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout， Vout接MCU的ADC端；

MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B。

Vout与Vin的计算公式：

Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB 来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的 R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。

基板为铝基板。

光源为窄带光源，从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，因此，采用窄带光源更合理。

显示屏的背光亮度调节电路包括MCU、LED灯串、三极管、电位器Rx和A/D 转换器；三极管为NPN型三极管；显示屏的固定架上海设有旋钮开关与电位器 Rx同轴相连；

电位器Rx和第一电阻R1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极Vcc，分压支路的另一端接地；电位器Rx和第一电阻R1的连接点接A/D转换器的输入端；A/D转换器的输出端接MCU的数据输入端口；

LED灯串包括多个串接的LED灯；LED灯串的正极接电源正极Vcc；LED灯串的负极接三极管的C极，三极管的E极经第二电阻R2接地；三极管的B极的接MCU的输出端。电源正极Vcc为5V，A/D转换器为8位串行输出型转换器。

以下对本实用新型中的各重要部件详细介绍：

(1)压电声发射传感器

传统声发射传感器主要为压电谐振式声发射传感器。压电式传感器分为谐振式和非谐振式，非谐振式传感器一般工作在谐振频率1/3以下频段，灵敏度较低，但有很平坦的响应，故一般可用于宽频带接收。谐振式传感器工作于频率响应曲线的谐振频率附近，灵敏度高，但带宽受到限制，一般用于发射型换能器，也可用于窄带接收。由于声发射信号较弱，各种干扰较大，因此，谐振式传感器一般作为换能器运用到压电谐振式传感器。

压电声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。根据不同的检测目的和环境采用不同结构和性能的声发射传感器。其中，谐振式高灵敏度声发射传感器是声发射检测中使用最多的一种。压电谐振式声发射检测过程中，运用压电效应。压电效应是可逆的，分为正压电效应和逆压电效应。一般情况下，我们把正压电效应称作是压电效应。

当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象为正压电效应。利用正压电效应制成的正压电传感器可以将振动、压力、加速度等非电量转换成电量，从而进行高精度的测量。

当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或者是机械应力，当外电场撤去后，变形或者应力也随之消失，这种现象称作逆压电效应。利用逆压电效应可制成超声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器等。逆压电效应可以用作声发射信号的产生。

电介质受力所产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数。它与机械形变方向有关，一定材料一定方向上则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式(压缩或者伸长)。有明显压电效应的材料是压电材料，常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、镓酸锂LiGaO3等单晶和钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT等多晶。新型压电材料有高分子压电薄(如聚偏二氟乙烯 PVDF)和压电半导体。

由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它重量轻、结构简单、工作简单、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点，因此，压电式传感器的应用获得迅速的发展。在测试技术中，压电转换元件能测量可转换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和震动感等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。但是压电材料制成的声发射传感器无静态输出，而且要求输出阻抗较高，不耐高温、容易受电磁干扰等，在一些磁场、电场较强的场合不宜使用。

(2)光纤声发射传感器

光纤传感器(fiber-optic sensor,FOS)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，与以电为基础的传感器有着本质的区别。目前已经研制出两千多种光纤传感器，可以用于测量温度、压力、应变、振动、超声等物理量；气体成分、pH值等化学量；抗体、基因等生物量。光纤传感器与传统的电子类传感器相比有以下优点：

(a)传感器的体积小，重量轻，可以方便地安装在设备的内部，安装在变压器油箱或者绕组内部可以进行长期监测。(2)光纤传感器用光波作为传感信号，测量不受外界电磁场的干扰，长期漂移相对较小，可以在高压等强电场环境下对电力进行长期的监测。(3)光纤传感器通过光信号的特征变化来实现对外界参数检测的功能，传输光缆不带电，传感器由玻璃纤维制成，绝缘性能好，本质安全，适合于石油等工作场所。

(b)光纤传感器(FOS)用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介。光纤传感器的组成和原理：光导纤维可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤中传播时光波的特征参量——振幅、相位、偏振态、波长等因外界因素(如温度、压力、磁场、电场等)的作用直接或者间接地发生变化，因此光纤传感器可用作探测各种物理量^【7】。光纤传感器系统一般由光源、传输光纤、传感探头、光电转换和信号处理等四个部分。光源发出的光波通过入射光线传到传感探头，受到被测物理量的调制，然后携带调制信息的光波经光电转换后变为电信号，通过解调即可得到被测物理量的状态。

声发射检测技术具有检测材料内部动态过程的能力，它在许多技术领域内得到越来越多的运用。主要包括以下方面：

⑴材料检测：由于裂纹的萌发与扩展伴随着强烈的声发射活动，声发射技术成为断裂力学的重要研究手段。应用于复合材料、增强塑料、陶瓷材料和金属材料的性能测试，材料的断裂试验，金属和合金材料的疲劳试验以及腐蚀监测，材料的摩擦测试等。

⑵电力工业：变压器局部放电的检测，高压容器和汽包的检测，蒸汽管线的连续泄漏监测，锅炉泄漏的监测，汽轮机轴承运行状况的监测，阀门蒸汽损失的定量测试等。

⑶石油化工工业：高温反应器、换热器、管线、低温容器、球星容器和柱形容器的检测和结构完整性评价，阀门的泄漏检测，埋地管道的泄漏检测，腐蚀状况的实时探测和海岸管道内部存在沙子的探测等等。

⑷民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展到连续检测等。

⑸航空航天工业：飞机起落架的原位监测，发动机叶片和直升机叶片的检测，航空器的在线连续监测，飞机壳体的断裂探测，航空器的验证性试验等。

⑹交通运输业：公路和铁路槽车的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。

⑺金属加工：工具磨损和断裂的探测，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。

光纤AE传感技术

光纤光栅声发射检测原理是：将光源的光经入射光纤送入调制区，在调制区内待测AE波对光进行调制使光的光学性质(如强度、相位、波长、频率、偏振态等)发生变化，从而使已调光携带AE波的信息，然后，将已调光送入解调装置，从被调制的光波中提取外界信号(被测量)。

外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型(Functional Fiber，简称FF型)或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。因为光源耦合的发射光纤同光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型(Nonfunctional Fiber，简称NFF)或非本征型光纤传感器，在非本征型光纤传感器中，光纤只起传光作用，传感探头为其他敏感元件。发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。

根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。

光纤Bragg光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成，通过对芯层掺杂(通常是掺锗)，使芯层折射率比包层折射率n2大，从而形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，形成空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤Bragg光栅声发射检测系统的解调原理

布拉格(Bragg)光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常约为0.1～0.5nm)。这样，光纤光栅就起到了光波选择反射镜的作用。这样反射条件就称为Bragg条件，只有满足Bragg条件的光波才能被光纤光栅反射只有波长满足Bragg条件光波才能被FBG反射回来,其余波长的光被透射。所谓相位相匹配是指布拉格波长决定于折射率调制的空间周期A和调制的幅度(也就是有效折射率)大小，数学公式如式子1，为Bragg光栅方程。

λB＝2neffΛ (1)

由式1所示的光纤光栅的Bragg方程可知，光纤光栅的Bragg波长取决于光栅周期A和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生变化的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,由式2可得知Bragg波长的漂移量为

ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)

这即是光纤光栅传感的基本原理光纤光栅声发射检测的探测系统

光纤光栅声发射检测系统主要由两部分构成，探测系统和解调系统。其中探测系统中运用到光纤光栅传感器的询问技术即精确测量波长漂移的技术。常见的探测系统有：基于线性边带滤波器的探测系统、基于光谱仪的探测系统、基于可调声光滤波器的探测系统、基于WDM光纤耦合器的探测系统、基于可调F-P (Fabry-Perot)的滤波器的探测系统等。本实用新型简单介绍这几个探测系统：

本次实现采用的是基于光谱的探测系统。光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测系统装置：一个或者多个出射狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出多需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光电元件上，变成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱线。应用到光电探测系统扩大了能够检测的工作光谱范围：提高了测量的精度、灵敏度和速度；随着信息技术的不断发展，光谱仪实现了数字化和自动化。

从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，经环行器进入光谱仪，可直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等等。当传感光栅受到外部微扰时，反射光谱的特性就会发生变化，如峰值位置的移动、谱形的变化等。因此从光谱仪的光的反射光谱特性的变化就可以获得传感光栅上所受外部扰动的信息。

光纤光栅声发射检测的解调系统

光纤光栅传感解调系统包括光电探测和信号处理两个部分。在光纤Bragg光栅的传感系统中，光纤布拉格光栅作为波长调制型传感器，被测信息引起Bragg 反射波长的移动，其被测信息转化为特征波长的移动。要获得原来的被测量，就需要从测得的光信号中检测出布拉格波长的漂移，实现光纤光栅的解调。信号解调是传感器系统总的关键技术，它的作用主要是能够及时、准确的提取信号幅值的大小并无是真的在线被测信号随时间的变化过程。因此，光纤光栅解调系的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度.由于光的基本性能都可以收到调制，因此解调系统中对应的检测就是光的强度检测、相位检测、频率检测、偏振态检测等。目前用于波长解调有很多种方法，如滤波法、干涉法、光栅色散法、可调谐窄带激光器扫描法等。本次实验过程中使用的是窄带激光器匹配法解调。

窄带激光器匹配解调的基本原理是用窄带光源取代宽带光源，输出波长与光纤光栅的光谱接近且谱线宽度小于Bragg反射光谱宽度的光，窄带光输出的光经过耦合器进入传感光纤光栅(FBG)。当传感光纤反射光谱发生变化时，光电转换模块的接收光强变化反映了激光器的输出光谱及传感光纤光栅反射谱的匹配状况。理论上讲，当激光器与传感器光纤光栅的反射光中心波长达到完全匹配时，窄带光与反射光谱完全重叠，阴影部分面积最大，光电转换模块接收到的光功率达到极大值。当Bragg波长受外界信号即声发射信号调制发生偏移时，由窄带激光器产生的光与反射光谱重叠的部分就会减少，光强就会发生变化，最终经过光电转换模块、前置放大器、数据采集卡显示在上位机上。

下面简单介绍各仪器在实验过程中的应用：

(1)光谱仪：

光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测系统装置：一个或者多个出射狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出多需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光电元件上，办成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱线。实验过程中从宽带光源发出的光经过环行器到达传感光纤光栅时，只有以Bragg 波长为中心的窄带光才会被光栅所反射，经环行器进入光谱仪，可直接从光谱仪中观察反射光谱的特性，如带宽、峰值位置、谱的形状等等。当传感光栅受到外部微扰时，反射光谱的特性就会发生变化，如峰值位置的移动、谱形的变化等。

(2)光纤耦合器

光纤耦合器(Coupler)又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、法兰盘，是用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域。一般是一种具有Y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。实验过程中使用的是这种光纤耦合器。其功能相当于环行器，但是光功率损耗较大。

(3)环行器

光环行器是利用法拉第旋转磁光效应和双折射晶体的偏振光学特性制成的多端口单向传输非互易光无源器件。光环行器的工作原理如图2所示，从端口A 输入的光信号只能在端口B输出，端口B对端口A反向隔离；从端口B输入的光信号只能在端口C输出，端口C对端口B反向隔离。三个端口的功率相差不多，但成本比光纤耦合器高。

(3)法兰盘

光纤适配器(又名法兰盘),也叫光纤连接器，是光纤活动连接器对中连接部件。一般应用于光纤通信设备、仪器等，其性能稳定可靠，但会损耗光功率。光纤之间是由适配器通过其内部的开口套管连接起来的，以保证光纤跳线之间的最高连接性能。光纤适配器有SC，FC，ST之分。SC代表Standard Connector， ST代表Straight Tip，FC代表Fiber Connector。实验过程中使用到的是FC/APC 法兰盘。

(4)光电转换原理

一般情况下，二极管处于反向工作状态。当光照射在PN结上时，当电信号送入光电耦合器的输入端时会形成光电流，光强度越大，光电流越大。因此，最终通过电阻、放大器等转换成相应的电压。

(5)激励源

激励源可分为噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀和金镉合金相变等连续波源可以由压电传感器、电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生 脉冲波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂和激光脉冲等产生。传播介质可以是钢、铝或其它材料的棒、板和块。实验过程中主要用激励器来提供连续声发射信号和AE信号(声发射,Acoustic Emission，AE)，即连续信号和纺锤信号，铅笔芯断裂来提供断铅信号，使用的传播介质是铝板。