一种反射式光纤声发射系统及监测方法与流程

本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种适用于狭小空间温度冲击试验的反射式光纤声发射系统及监测方法。

背景技术：

采用声发射系统可以获得固体结构变温条件下的损伤、破坏或失效信息，现有的声发射系统采用压电材料作为传感器，探头体积大，不能安装在狭缝空间。光纤传感器因体积纤细、柔韧，能够安装在狭缝空间，已有相关文献建立了光纤声发射系统，但是绝大部分系统因传感原理受温度限制而不能应用于变温试验中。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种反射式光纤声发射系统及监测方法，该系统具有微秒级响应速度，可以准确监测狭小空间内的固体结构损伤破坏失效过程。

为了达到上述技术效果，本发明提供了如下技术方案：

一种反射式光纤声发射系统，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；所述光纤发射传感器为光纤布拉格光栅，所述环形器与可调谐窄带光源、耦合器和光电探测器按顺序通过光纤相连，所述耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，所述波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机通过电信号线连接，所述前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，所述声发射采集卡与计算机通过电信号线连接。

进一步的技术方案为，所述光纤声发射传感器是无涂覆层、长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅。

进一步的技术方案为，所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm反射率≥80％。

进一步的技术方案为，所述波长测量模块内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mw。

进一步的技术方案为，所述可调谐窄带光源的波长可以连续调谐，调谐范围为1520nm～1570nm，精度≤50pm，宽度≤10pm，功率≥5mw的光源。

本发明还提供了一种利用上述的光纤声发射系统进行炸药断裂破坏的监测方法，该方法包括以下步骤：

(1)光源参数设置：利用波长测量模块测定光纤布拉格光栅的中心波长，根据测量的中心波长通过计算机设置可调谐窄带光源的波长；

(2)标定方法：以光纤布拉格光栅为中心，利用断铅法在炸药表面不同方向上产生声压信号，结合压电谐振式声发射传感器对光纤布拉格光栅声发射传感器进行标定，获得光纤布拉格光栅在炸药表面不同方向上断铅法释放能量的幅值；

(3)炸药损伤监测方法：将光纤布拉格光栅粘贴在炸药表面，调整光源波长，对炸药进行机械载荷破坏，同步启动运行光纤声发射系统，在炸药破坏结束后停止光纤声发射系统。

进一步的技术方案为，在步骤(1)中，所述根据测量的光谱特征设置可调谐窄带光源的波长，使光源的波长处在光纤布拉格光栅的半波长位置。

进一步的技术方案为，光纤布拉格光栅的环境温度改变后，波长测量模块追踪光纤布拉格光栅的中心波长，从而实时调整可调谐窄带光源发射的波长。

下面对本发明进行进一步的说明，该装置中的波长测量模块用于实时测量光纤声发射传感器的中心波长λb，内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mw，利用光纤布拉格光栅作为光纤声发射传感器，其反射光谱是一个圆弧形波峰，λb为中心波长，波峰值的一半对应的光谱宽度为2λb，计算机通过波长测量模块获得时间t1时的λb(t1)，本系统中该光源通过环形器和耦合器入射到光纤声发射传感器，光纤声发射传感器反射光通过耦合器分为两束，波长测量模块通过耦合器追踪光纤声发射传感器的波长。波长值λl(t2)通过计算机获得的λb(t1)进行赋值，使λl(t2)＝λb(t1)+λb，或λl(t2)＝λb(t1)-λb，t2-t1>50μs且越接近50μs越好，表明光源波长与光纤声发射传感器波长响应一致，且能区分20khz(1/50μs)以上的声发射信号，本申请中的环形器具有三个端口，分别为①端口、②端口、③端口，这三个端口实现光的单向传输功能，即①端口→②端口→③端口，其中，①端口到②端口光损耗越小越好，①端口到③端口光强为0；②端口到①端口光强越小越好，②端口到③端口光损耗越小越好；③端口到②端口光强越小越好，③端口到①端口光强为0。本申请中的光电探测器灵敏度越高越好，将声发射光强信号转换成模拟电压信号。本系统中光电探测器通过环形器接收光纤声发射传感器反射的总光强i，总光强i包含波长测量模块内置宽带光源光强iw和可调谐窄带光源光强in两部分，因后者远大于前者，所以可以认为总光强i接近于in，其中宽带光源光强iw很小，不显示。本申请中前置放大器用于接收模拟电压信号，并将其放大，声发射采集卡用于采集前置放大器放大的声发射信号，输入到电脑。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供一种将光纤布拉格光栅作为声发射传感器，利用波长测量模块与耦合器实时跟踪光纤布拉格光栅的中心波长，结合声发射采集卡和前置放大器建立了一种监测固体结构变温损伤破坏过程的光纤声发射系统。该系统具有微秒级响应速度，可以准确监测变温特种环境下狭小空间内的固体结构损伤破坏失效过程。

附图说明

图1为本发明的反射式光纤声发射系统整体结构示意图；

图2为本发明的反射式光纤声发射传感器反射光谱示意图；

图3为本系统中到达光电探测器的光谱示意图。

具体实施方式

实施例1

一种如图1所示的一种反射式光纤声发射系统，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；所述光纤发射传感器为光纤布拉格光栅，所述环形器与可调谐窄带光源、耦合器和光电探测器按顺序通过光纤相连，所述耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，所述波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机通过电信号线连接，所述前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，所述声发射采集卡与计算机通过电信号线连接。其中环形器具有三个端口，①端口到②端口光损耗越小越好，①端口到③端口光强为0；②端口到①端口光强越小越好，②端口到③端口光损耗越小越好；③端口到②端口光强越小越好，③端口到①端口光强为0。所述耦合器设置在所述光纤环形器与所述光纤布拉格光栅之间，耦合器的光损耗越小越好，即①端口与②端口光强的和与③端口光强的差越小越好。本系统中光电探测器通过环形器接收光纤声发射传感器反射的总光强i，总光强i包含波长测量模块内置宽带光源光强iw和可调谐窄带光源光强in两部分，因后者远大于前者，所以可以认为总光强i接近于in，其中宽带光源光强iw很小，不显示。所述光纤声发射传感器是无涂覆层、长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅。所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm反射率≥80％。所述波长测量模块内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mw。所述可调谐窄带光源的波长可以连续调谐，调谐范围为1520nm～1570nm，精度≤50pm，宽度≤10pm，功率≥5mw的光源。本系统中该光源通过环形器入射到光纤声发射传感器，波长值λl(t2)通过计算机获得的λb(t1)进行赋值，使λl(t2)＝λb(t1)+λb，或λl(t2)＝λb(t1)-λb，t2-t1>50μs且越接近50μs越好，表明光源波长与光纤声发射传感器波长响应一致，且能区分20khz(1/50μs)以上的声发射信号，以本申请中前置放大器用于接收模拟电压信号，并将其放大，声发射采集卡用于采集前置放大器放大的声发射信号，输入到电脑。

利用本发明反射式光纤声发射系统进行炸药断裂破坏的监测方法，该方法包括以下步骤：

(1)光源参数设置：利用波长测量模块测定光纤布拉格光栅的中心波长，根据测量的中心波长通过计算机设置可调谐窄带光源的波长和输出能量；

(2)标定方法：以光纤布拉格光栅为中心，利用断铅法在炸药表面不同方向上产生声压信号，结合压电谐振式声发射传感器对光纤布拉格光栅声发射传感器进行标定，获得光纤布拉格光栅在炸药表面不同方向上断铅法释放能量的幅值；

(3)炸药损伤监测方法：将光纤布拉格光栅粘贴在炸药表面，调整光源波长，对炸药进行机械载荷破坏，同步启动运行光纤声发射系统，在炸药破坏结束后停止光纤声发射系统。

波长测量模块通过耦合器获得光纤布拉格光栅中心波长λb，计算机将含有偏置波长与λb赋值给可调谐窄带光源，光源发射出窄带光，通过环形器与耦合器入射到光纤布拉格光栅，光栅反射的光强信息通过耦合器和环形器入射到光电探测器。当粘贴有光纤布拉格光栅的被测固体损伤破坏时，光电探测器获得的动态光强信息能够转换成电信号，被前置放大器增强后，由声发射采集卡获得，并保存显示在计算中。优势在于当被测固体在变温环境下，本发明的光纤声发射系统不会因为光纤光栅波长的变化而失效，仍可以有效地监测到固体损伤信号。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。