基于Sagnac光纤声发射传感器研究

马云栋，李英年，薛 为，张 璇

（1.黑龙江省大庆市东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省大庆市大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司第六大队，黑龙江 大庆 163318）

声发射信号是一种来自材料内部由于突然释放应变能而形成的一种弹性应力波，它包含了材料内部损伤的信息，因此声发射技术能够用来识别发生在受载材料中不同类型的损伤。传统声发射(AE）检测的基本原理是给被检查对象施加压力或其它外部条件（如高温等），使检测对象中的缺陷或潜在缺陷自动发声，根据接收到来自缺陷的应力被推测缺陷的位置和大小[1,2]。而光纤传感器是用轻而小的光纤取代了传统的压电陶瓷制成的传感器。与传统的压电陶瓷PZT相比，光纤AE传感器具有：频带宽、不受电磁干扰、灵敏度高、体积小、损坏阀值高、不必与被测物体接触及电子设备与传感器可以间隔很多等很多优点[3]。

本文以Sagnac光纤为研究对象，采用 Sagnac环为前端传感器，并搭建光纤声发射检测系统。最终通过整个系统将光纤声发射传感器与传统压电声发射传感器进行对比，测试光纤声发射检测的性能，以满足对石油石化行业大型设备的无损检测的要求。

1 基本原理

光纤Sagnac声发射传感器原理如图1所示。

图1光纤Sagnac原理图

光源由LD激光器充当，并被光纤所接收，然后经由3dB耦合器分为两束，这样就形成了干涉仪的两个传感臂和。光经过被传输到输出端，而另一束光则经过也被传输到输出端。被缠绕成圆环状的光纤的作用是感应声发射信号的，当信号作用其上时，其中光波的位相就会被调制[4]。这两束场强为和的被光探测器PD所接收到的光可表示为:

其中，A是一常数，其与3dB耦合器的损耗和入射光的振幅是成正比的，ω则为光波频率；φs是光波的位相变化；τL和τR分别为这两束光经由传感臂到达检测器所经历的时间；而准1和准2则分别为两光束的初位相，是由传导光纤的长度所决定的[5]。由上两式可知光电探测器所探测到的光强可用下式表示:

2 实验系统的构建和结果分析

光纤声发射检测系统主要由两部分构成，探测系统和解调系统。本系统包括：He-Ne激光光源、FC连接器、3dB单模光纤耦合器、单模光纤偏振控制器、单模光纤环形传感器、光电探测器(PD)与放大器、高速数据采集卡，PC机和PZT压电换能器与函数信号发生器，实验装置如图2所示。

图2实验装置图

实验使用一块钢板作为声传输介质，PZT和传感光纤被固接在面上。光纤传感器的探头部分是由直径20mm,匝数为30的单模光纤平面环构成。光源为1 550 nm窄线宽同轴激光光源，波导由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。Fc连接器采用对接端面呈球面的插针（PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高，并利用光电探测器将光信号转换为电信号。

在实验的过程中，所用的光纤声发射信号采集卡型号为PCI-1802L型高速数据采集卡，使用了Labviews软件进行控制，本实验先后采用了标准AE信号、摩擦信号、以及敲击信号进行实验，图3-5中左图为传统声发射采集的波形图，右侧为采用光纤声发射系统采集的波形图。图中的文字受软件的限制字体不能更改。

图3标准AE信号的对比波形图

图4摩擦信号对比图

图5敲击信号对比波形图

3 结束语

本文所构建的光纤声发射传感系统可以大致完成对标准声发射信号的检测，与传统声发射检测对比，光纤声发射传感器克服了传统压电式传感器易受干扰、谱频响应窄的缺点。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结构简单，操作简易，设备体积小，造价低廉的特点。该传感系统开拓了声发射检测采集系统的应用范围。

[1]沈功田，戴 光，刘时风.中国声发射检测技术进展[J].无损检测，2003，25(6)：307-307.

[2]梁艺军.光纤声发射检测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

[3]Geoffrey A C,Philip JN,Lange-Scale Remotely Interrogated Arrays of Fiber-Optic Interferometer Sensors for Underwater Acoustic Applications[J].IEEE Sensors Journal，2003，3（1）：25-28.

[4]Phil Cole，Jon Watson．Acoustic Emission for Corrosion Detection [C]．3rdMiddle East Nondestructive Testing Conference&Exhibition，Bahrain．2005:169-175.

[5]陈丽洁，蓝 宇，冷建兴.压电谐振式声发射接收传感器设计[J].传感器技术,2005，33（4）:37-39.