基于熔锥耦合型光纤声发射传感技术的研究

胡志辉，朱永凯，昂 洋，邹 洁

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210000)

0 引言

声发射( acoustic emission，AE) 又被称做应力波发射，是材料中局域源由于快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象[1]。在外部条件下，固体的缺陷或者潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象也称为声发射。在复合材料结构、材料研究和压力容器评价等方面的研究与应用已经取得了很明显的成果。传统的压电类陶瓷声发射传感器受电磁干扰比较严重，处于强电场环境下其有效性会受到很大的影响，因此研究基于光纤声发射的检测技术具有重要意义。光纤声发射传感器有干涉型，如迈克尔逊、马赫-曾德尔、法布里-帕罗和塞格纳克干涉仪[2-3]。但制作成本相对较高，现场安装比较复杂、易受温度波动等环境因素的影响[4-5]。也有基于光学反射和多涂层等技术的超声检测传感器[6-7]，同样存在条件要求苛刻、结构复杂、不实用等缺点。本文以单模光纤耦合器作为基本结构，在分析光纤耦合振动传感机理的基础上，进行器件设计与封装，通过改变熔融拉锥单模光纤耦合器过程中的结构参数(如耦合区折射率和耦合长度的变化)，从而对外界声发射的振动有着很灵敏的响应，实现对相应振动参数的准确监测。

1 光纤耦合声发射传感结构及原理分析

单模光纤耦合声发射传感器的核心是一个具有特殊长度结构的熔融拉锥型光纤耦合器，以图1的传感器模型为例，具有2个锥形部分(每段各约2 mm长)，耦合区(直径约10 μm，长约2 mm)。用毛细玻璃管(内径0．5 mm，外径0．7 mm，长约55 mm)封装拉制成的耦合器，用瞬干胶固定，制成单模光纤耦合声发射传感器。

图1 光纤声发射传感结构示意图

假设一个光纤耦合器的横截面是圆形的，且插入损耗低，从耦合器输出光的功率可表示为[8]：

(1)

(2)

P1(l)+P2(l)=P0

(3)

式中：P1，P2和P0分别为输出光功率和输入光功率；l为耦合区的长度；C(z)是沿耦合区(z轴)的耦合系数。

耦合比是50∶50的单模光纤耦合器中，两端输出的光功率是相同的(P1=P2=P0/2)。当有一个外部的声场作用于该特殊的耦合器时，一个内部的声波会在耦合器的环氧连接端被激发出来，该声波沿着耦合区传播，传播的结果会导致应变场沿耦合区的扰动，耦合器的锥形区具有应变集中器的作用，处于这个区域的入射声波效果被放大。

根据式(1)、式(2)、式(3)作出图2，它给出了理论上2臂光功率输出随耦合长度的变化，可以看出2臂输出光强随耦合长度延长发生能量的完全交换。

图2 两臂耦合输出和耦合长度的关系

入射声波沿着耦合区传播，由于应变场在机械作用和光弹作用下的变化而使折射率和有效长度发生细微的改变，同时折射率的明显变化会引起耦合系数C(z)相应的变化，不过这种情况下，同有效应变场的变化相比较，耦合系数C(z)的变化是极小的，因此，耦合区长度的变化在光纤耦合器输出功率特征上占据着主导的地位，耦合器的输出功率理论公式如下：

(4)

(5)

式中ε(z，t)为入射声波引起的沿耦合区的动态应变分布。对正弦声波而言，它可表示为[9]：

(6)

式中：f和Λ分别对应声波的频率和波长；ε0(z)为有效应变幅度，取决于耦合区的直径、声功率和材料的性质。

对于一个给定的拉伸力，ε0(z)可以表示为：

(7)

式中：E0为杨氏模量，对于光纤中的的二氧化硅材料，E0=10.5×10-6psi；r(z)是沿耦合区的截面半径。

在F=0．1 N作用下，截面半径和沿耦合区应变之间的关系如图3所示。

图3 耦合区敏感区的应变和半径之间的关系

从图3可以看出，截面半径在大约20 μm以后，应变随着半径减小而迅速增加。正如理论分析的，窄双分支锥形区起着充当应力集中源的作用，耦合腰区的应变相对于其他区的应变更大。在更细的腰区，沿着耦合区的耦合系数C(z)变化更大，所以，更窄的耦合区的耦合器对声波的扰动越发敏感。同时，耦合输出是振动频率和耦合器长度的函数。耦合区长度愈长，对应的传感器的灵敏度越高[10]，但耦合传感器截止频率就会越低。所以，为了使传感器具有较大的频响区间和较高的灵敏度，在试验中需要选取合适的传感器耦合区长度。

2 传感系统设计

试验中采用掺锗石英玻璃作为纤芯材料，纯石英玻璃作为包层材料的阶跃型光纤作为单模光纤耦合型传感器的材料。后加强处理采用间接加热的方法进行，制作过程中的耦合比达到要求后，耦合区继续用低温火焰烧灼，以使耦合区光纤的力学性能得到改进，耦合器从而获得更好的韧性，在测量过程中不会轻易被拉断。采用硅弹性树脂作为耦合区的包层材料，它的温度特性与光纤相匹配，因而不会对耦合区产生显著的应力，影响系统测量的精度。

根据光纤耦合传感器的传感原理，设计了如图4的光纤传感检测系统。包括光源、传感器、光电转换、接收放大电路、滤波器和信号处理单元。V1和V2分别为耦合器两个端口的解调输出电压，光源发出的光进入耦合型光纤振动传感器，从传感器的两个输出臂出射，发出的光通过光电二极管接收，为了抵消因光源输出功率的波动以及外界噪音信号对测量结果的影响，需要对光电转换后的信号进行比较放大，随后对放大过后的电压信号进行滤波和A/ D转换，最终通过计算机进行信号的显示及分析处理。

图4 声发射检测系统

系统采用放大自发辐射光源(ASE，amplifier spontaneous emission)光源，中心波长为1 550 nm，波长范围为1 520～1 620 nm，谱宽高达80 nm，总输出功率13 dB(20 mW)，功率稳定性为±0．05 dB(超过8 h)。放大电路前端采用EPM605光电二极管，响应时间为0．3 ns，最大额定电流为5 mA，保证测量转换电路的快速响应。由于光电转换后信号的电压非常低，并且电源的输出功率波动也会对输出电压产生影响，所以，在接收端采用比较放大电路，可以有效地抑制光源功率波动对输出结果的影响，然后通过高通滤波器消除信号中的噪声信号。

图5 耦合型声发射传感器实物图

系统实物图如图5所示，将声发射传感器用胶水粘贴在铝合金板上面，对旁边的压电元件施加激励，激励信号由安捷伦33250A波形发生器产生，信号类型为正弦波，幅度为10 V，频率值取10～200 kHz范围内的部分离散值。该次试验的激励频率为：从10 kHz频率开始以递增的方式每隔约10 kHz取一个激励频率，测量系统共采集了20组传感信号。经过比较下面列举6个频率处的传感信号，如图6～图11所示。

(a)

(b)

(a)

(b)

由试验发现单模光纤耦合声发射传感器在陶瓷片的谐振频率处都能还原激励波形，但在反谐振频率处基本无响应，在其他频段断续出现响应区与死区，这与陶瓷片的幅度频率响应曲线规律一致[9]，故认为只要陶瓷片振动幅度达到一定值，耦合器式传感器对超声(15～200 kHz) 的响应是平坦的，在频段100～150 kHz对压电陶瓷激励信号有更准确的反映。

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

考虑结构材料中的声发射现象是本文研究的内容，试验材料是铝合金板，而且这些材料中主要产生的是突发性的声发射信号，此外金属材料中频率量级在105～106Hz左右，断铅的中心频率量级为105Hz，故声发射源采用断铅的方法来模拟，采用伸长量为2．5 mm，直径为0．5 mm的HB铅笔芯以30°角折断的信号作为标定信号，断铅信号如图12所示。

图12 耦合声发射传感器接收的断铅信号

图13 耦合声发射传感器接收断铅信号的频率响应

从图13可以知道耦合声发射传感器能很好地反映断铅模拟的声发射源信号，在频率150 kHz左右有着更高的频率响应，这对后续监测金属材料的声发射现象提供了很好的选择。为了研究单模光纤耦合传感器的布设方式对声发射信号接收的影响，通过改变压电陶瓷激励源在铝合金板上相对于光纤传感器的放置位置，可以测得传感器对不同方位振动的响应如表1所示。

表1 光纤声发射传感器对不同方位的信号响应

从表1可看出耦合型单模光纤声发射传感器对不同方向的振动信号响应差别很小。因此振动信号的方向可以认为不会引起耦合输出的变化。利用它对方位不敏感这一特性，把多个传感器组成分布式传感网路，可以实现对声发射信号的频率、振幅和方位的测量。声发射是一个频段的超声，复合材料的频谱分布在1～150 kHz，压力容器的声发射频谱主要集中在20～200 kHz，岩石的声发射频谱在1～100 kHz的范围大致分布，该声发射传感器可以在上述方面得到好的应用。

3 结论

采用单模耦合型光纤传感器来实现振动的测量，根据耦合区中光纤耦合的效率是耦合区的长度函数的原理，制作了耦合型光纤声发射传感器，设计了包括传感器、解调电路、信号处理几部分组成的检测系统，实现了对微小震动及模拟声发射源的准确测量。耦合器式光纤声发射传感器克服了传统压电式传感器谱频响应窄、易受干扰的缺点，作为一种强度调制型传感器，与其他类型的光纤声发射传感器相比具有制作容易、结构简单、检测方便且稳定的特点。该传感器有望在金属或复合材料与结构的无损探伤、电力无损检测等领域得到应用。

参考文献：

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[10]蒋奇，隋青美，马宾．单模光纤耦合传感器的设计．光学精密工程，2009，17(11)：2657-2664．

作者简介：胡志辉(1987-)，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感技术、无损检测技术。E-mail ：823996601@qq．com

朱永凯(1975-)，博士，硕士生导师，主要从事结构健康监测，光纤传感、光电检测方向研究。