光纤传感器对煤岩体声发射的检测

孙 飞, 韩仁学

(黑龙江科技学院 工程训练与基础实验中心,哈尔滨 150027)

光纤传感器对煤岩体声发射的检测

孙 飞, 韩仁学

(黑龙江科技学院 工程训练与基础实验中心,哈尔滨 150027)

为实时掌握煤岩体安全状况,将光纤 Sagnac传感器应用于煤岩体的声发射检测。当煤岩体因外力或内部缺陷产生的声发射信号被光纤传感器检测到,光纤传感器输出端的输出光强便发生变化;通过对输出光强进行监测,并经傅立叶变换后得到声发射信号的频率特征。对整个系统进行计算机仿真,结果表明,该系统适用于煤岩体声发射信号的特征识别。

声发射;煤岩体;光纤传感器

Abstract:This paper is an effort to realize the real t ime control of coal and rock security using the optical fiber sensor to test acoustic emission of coal and rock.The optical fiber sensor’s detection of acoustic emission signal arising from externalor internal defects tends to give rise to changes in output light intensity of output terminal.The frequency characteristics ofAE signal is obtained by detecting the output optical intensity and using Fourier transfo rm technique.The computer simulation of the system shows that the system is capable of identifying the AE frequency characteristics in the coal rock tran smission.

Key words:acoustic emission;coal rock;optical fiber sensor

0 引 言

经统计,从 2009年 1月到 2010年 11月全国煤矿共发生伤亡 4人以上的安全事故 88起,这些事故不仅严重影响了煤矿的经济效益,更直接威胁到井下矿工的生命安全。这些安全事故多是由于煤矿井下发生结构性变化,最终导致煤矿的动力性破坏造成的。因此,国家正加大对煤矿井下安全检测的科研扶持力度。而井下安全检测一个重要方向就是检测煤岩体声发射现象。

声发射 (Acoustic Emission,简称 AE)又称应力波发射,是材料或零部件受力作用产生变形、断裂,或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段,以瞬态弹性波形式释放应变能的现象[1]。声发射现象表征了固体内部的结构特点和潜在缺陷,可以通过对声发射信号的检测和分析来评估被测固体的健康状况。声发射绝大部分是人耳听不到的,因此仪器是其检测的主要方面。利用仪器进行探测、记录、分析声发射信号,并且根据声发射信号来推断声发射源的技术称之为声发射技术。

近 20年来,我国在结构完整性监控和无损检测领域,利用光纤传感器实现声发射检测的研究取得了许多成果[2-5]。光纤传感器不仅具有体积小、重量轻、易于与结构相藕合的结构优点;而且在功能上可以对应变、温度、振动、超声以及裂纹等许多参数和状态进行检测,具有高灵敏度、响应快的优点。在实际应用中光纤由于不受电磁干扰,材质安全稳定,绝缘性好等优点非常适合在恶劣环境中工作,并且光纤既可以作为传感器又可以作为信号传输通道。因此,笔者将光纤 Sagnac传感器应用于煤岩体的声发射检测中,以期更好地判断裂纹的种类和危害程度。

1 工作原理

1.1 光纤传感器

提出一种基于 Sagnac干涉仪原理构成的光纤传感器,用来检测声发射。该传感器既可埋入固体内部,又可贴附在固体的表面上来探测固体结构中伴随着微裂纹发生及各种原因产生的声发射。

图 1为光纤 Sagnac干涉仪的示意结构。LD是激光二极管,PD是光电二极管。传导光纤 l1和 l2是干涉仪的两个臂,起传输光的作用,光纤敏感区域l是一段被缠绕成圆环状的光纤,用来检测声发射信号,2×2光纤 3 dB耦合器被用来分解和合成干涉光束。从耦合器的一个端注入的光经过耦合器后被分成两束,一束光经 l1→l→l2传输回到耦合器,另一束经 l2→l→l1传输回到耦合器。两束光相遇产生干涉。

图 1 光纤 Sagnac干涉仪原理Fig.1 Fiber optic Sagnac interferometer

当超声波 (声发射信号)作用于 l时,在 l中传输的两束光的位相被调制。超声波对 l1和 l2的作用可以忽略不计,到达光探测器的两束光的光波场EL和 ER可被表示为[6-8]:

式中:P——与注入光的振幅和耦合器的插入损耗成正比的常数;

ω——光波的频率;

φe——超声波导致的传感区域两束光位相的变化;

τ1、τ2——这两束光通过 l1和 l2从 l传播到光探测器所经历的时间;

φ1、φ2——两束光在 l的初位相,与超声波作用在 l上的位置有关。

文中认为作用在煤岩体中的声波是线性传播。作用在光纤 l上的声波,对 l中传输的光波的相位的调制可表示为

式中:ωu——声波的频率;

φe0——相位变化的幅值,与声波的强度成正比。Δφe可表示为

其中 ,τ=τ1+τ2,τ′=τ1-τ2。

在实际检测中,通常只考虑信号的交流部分

式中:u、U——介质固体和气体部分的位移向量;

θ、ε——固体和气体部分的体应变;

A、N——与弹性波理论中的拉梅系数相对应(N=μ);

R——气体体应变与气体压力间的系数;

Q——固体与气体体积变化间的耦合性质;

ρ11——单元体中固体相对气体运动时,固体部分的总的等效质量;

改革开放以来，随着中外文化艺术交流的进一步步提速，抽象美术被更多的介绍到中国。国内美术家有的也开始创作抽家美术作品。这些作品让人眼目一新，感到很美，但真能欣赏的不多，因此，尚未形成大气侯。

ρ12——气体相对于固体部分时,气体部分总的等效质量;

ρ22——气体和固体之间的质量耦合系数。

横波方程为

式 (2)与弹性理论中的横波方程具有相同的形式,Vs为横波的传播速度。

纵波方程为

其中,P=A+2N。

由含瓦斯煤体横波方程和纵波方程可以看出,双相介质中的横波方程仍然保持单相介质中的传播形式;纵波方程发生明显改变,并且方程比较复杂。

在检测煤岩体的声发射信号的过程中,要将光纤传感器探头附着在煤岩体的表面,检测到的声发射信号以横波为主,因此,以横波信号的特点来分析煤岩体内部情况。

文中提出光纤声发射检测系统,光纤探头对各种信号都能敏感探测。图 2是光纤探头的制作示意图,光纤探头有效接收部分为排除最外侧一圈的内侧部分,其螺旋圈数越多灵敏度越大,由此可以计算光纤探头灵敏度:

式中:n——折射率;

λ0——真空中光的波长;

ξ——光应变补偿系数;

UDCmax——干涉仪最大直流输出电压;

q——光纤单面环的数目;

p——环面的个数;

J1——一阶贝赛尔函数;

Ri——第 i个环的半径。

图 2 光纤探头Fig.2 FOD sensor

1.2 波导器

在煤岩体传统检测中多使用波导器进行检测。图 3为波导器的简易示意图,波导器由前端波导杆和后端连接的压电陶瓷传感器组成,输出信号为电信号。

图 3 波导器Fig.3 Waveguide

波导器与煤岩体接触良好时,波导器长度从0.1 m到 1 m变化时信号数变化不大,从 1 m到5 m变化时信号数略有增加。从波导器固定端到自由端,相应的加速度幅值绝对值的最大值快速减小,且波导器长度大于 1 m后,相应的加速度幅值绝对值的最大值变化较平缓,但由于随着波导器长度的增加造成声发射波形被拉长,从而统计出的声发射信号数从 0.1 m到 1 m变化时信号数变化不大,且从 1 m之后呈现略微增加的规律。声发射事件数随波导器直径的增加,除微事件外,其余都变化不大。由此可以看出波导器的特点:

(1)波导器的直径越小,波导器上固定端加速度幅值绝对值的最大值越大,且从固定端点到自由端点的加速度幅值绝对值的最大值的变化幅度越大;在波导器的不同直径下从固定端到煤岩体边界面,相应的加速度幅值绝对值的最大值快速减小,幅值变化速率很大;应力波从煤岩体边界面开始,随着波导器的直径变化,加速度幅值绝对值的最大值变化幅度很小,相对趋于平稳。

(2)波导器长度越小,固定端的加速度幅值绝对值的最大值越大;无论波导器的长度多大,从固定端到自由端,相应的加速度幅值绝对值的最大值快速减小;波导器长度大于 1 m后,相应的加速度幅值绝对值的最大值变化较平缓;长度大于 1 m的波导器加速度幅值绝对值的最大值整体上呈指数衰减。

2 仿真分析

利用MATLAB进行系统仿真。选取一个频率为 25 kHz,幅值为 1,初始相位为 0的正弦波为输入信号。取调制正弦信号的频率ωu/2π=25 kHz,当Δφ=0时,调制信号的波形见图 4。

图 4 调制信号波形Fig.4 M odulated signal waveform

图 5为公式 (1)中γ分别为 5、4、3、2、1和 0.3时,传感器输出光强度 Iout所对应的电压信号波形。图 6为信号对应的傅立叶变换频谱。

从图 5和图 6可以看出,随着γ的数值减小,输出信号的波形越来越接近正弦波,信号趋于单一频率,但是这个频率是调制信号频率的 2倍。

3 结束语

基于 Sagnac干涉仪原理构成的光纤传感器,充分利用了光纤传感器的优点,用来检测煤岩体声发射信号,不仅解决了当前压电类声发射传感器对于不同信号的适用性差和对微信号检测困难的问题,更能对煤岩体的健康状况进行长时期的实时无损监测,这是以往采用的声发射检测技术无法做到的,从而为煤矿井下安全检测开启了一个新的局面。

[1] 腾山邦久.声发射(AE)技术的应用[M].冯夏庭,译.北京:冶金工业出版社,1996:1-2.

[2] 梁艺军,刘志海,杨 军,等.测量微振动的光纤 Sagnac干涉传感器[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(1):118-122.

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[4] SH IOT ANI T,SHIGEISHEIM,OHTSU M.Acoustic emission characteristics of concrete-piles[J].Construction and BuildingMaterials,1999,13(1/2):73-85.

[5] SHIGEISHIM,OHTSU M.Acoustic emission moment tensor analysis:development for crack identification in concrete materials[J].Construction and BuildingMaterials,2001,15(5/6):311-319.

[6] YUAN L IBO,ZHOU L IM IN,J IN WEI.Detection of acoustic emission in structure using sagnac like fiber loop interferometer[J].Sensors and ActuatorsA:Physical,2005,118(1):6-13.

[7] JAND T S,LEE S S,K IM Y G.Surfacebonded fiber optic sagnac sensors for ultrasound detection[J].Ultrasonics,2004,42(1/9):837-841.

[8] LEE C T,CHANGL W,CHIEN P Y.Frequencymultiplier using cascade integrated optic phase modulators based on sagnac interferometer[J].Optics Communications,1998,158(1/6):181-188.

(编辑 王 冬)

Fiber-optic sensor test of acoustic em ission for coal rock

SUN Fei, HAN Renxue
(Center for Engineering Training&Basic Experimentation,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TN253;TP277

A

1671-0118(2010)05-0363-04

2010-08-26

孙 飞 (1979-),男,山东省嘉祥人,讲师,硕士,研究方向:光学工程,E-mail:sf505@hotmail.com。