基于光纤传输的结构损伤声发射监测系统研究

万 帅，李 青，丁克勤，赵 娜，李 娜

(1.中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018; 2.中国特种设备检测研究院，北京 100013)

基于光纤传输的结构损伤声发射监测系统研究

万 帅1,2，李 青1，丁克勤2，赵 娜2，李 娜2

(1.中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018; 2.中国特种设备检测研究院，北京 100013)

声发射检测技术作为一种先进的故障诊断技术，在大型起重设备检测行业“大行其道”；由于生产现场的环境比较复杂，不可避免地要受到各种噪声的影响；当前对声发射信号大多是靠电缆进行传输，这种传输方式有传输距离有限、信号容易受到干扰等缺点；针对传统电缆传输信号的不足之处提出使用光纤作为传输信号的媒介，设计并开发了一种基于光纤的声发射监测的信号采集系统，能够实现远程监测且信号的抗干扰能力比较好。

声发射技术；光纤传输；信息采集

0 引言

目前起重设备的日常安全维护主要还是依靠工作人员的定期安全检查，而每次检查都会存在时间间隔，并且一般的无损检测技术只是检测了起重机械非工作状态下的一些几何量和物理量，当起重设备工作时就不能检测。这就不能实现对起重机械的结构健康全天候的实时监控，也就无法做到对裂纹扩展、结构损伤的预测报警。有时常规的安全检测结果是合格的，但是当起重设备工作状态下还是会发生结构损伤，甚至材料断裂等严重情况，引发重大安全事故[1]。现今起重机械行业的结构健康检测主要还是依靠声发射检测技术，考虑到起重机械的应用场景如码头、港口，这些地方的工作环境比较复杂对电缆传输信号有很大的影响，且电缆本身的一些物理属性造成信号传输时容易受到外界的干扰并且有信号衰减的问题。这是声发射远程监控的一个局限性。因此，本文提出用光纤取代传统的电缆传输声发射信号，不仅可以实现远距离传输且大大减少了外界的干扰和信号衰减。

1 声发射检测原理

声发射属于一种非常常见的物理现象，主要是指材料的能量迅速放出时发出的瞬时弹性声波的现象。大多数工程材料断裂及形变过程中都会伴有声发射信号发出。不同的材料发出的声发射频率也不相同，但是每一种材料信号频率范围都是相当的宽，一般从几Hz到数MHz[2]。声发射检测技术在港口码头起重机械设备上应用的相当广泛。当起重机械工作时，机械会受到应力作用，随着时间的前进就会产生裂纹及焊缝的内部腐蚀等缺陷，这些缺陷源就会产生声发射信号。

声发射检测的本质就是采集声波并进行分析，其原理如图1所示，从信号源产生的信号(声波)沿着材料内部传播到构件的表面，表面产生微弱的位移，这时传感器就可以把构件表面微弱的机械振动信号转换为模拟信号，然后再通过放大器进行放大处理并记录下来。工程人员可以根据观察到的检测信号进行分析并加以推断从而了解材料产生声发射信号的机制。

图1 声发射检测原理图

声发射信号频率的波段一般从次声波段到超声波，这个范围与材料的属性、声发射源的微观结构、能量释放缓急过程等因素有很大的关系。通常来说，声发射信号的频率范围与声发射源的尺寸和频率成正比关系，源的尺寸越大，频率范围越宽。声发射机构与其频谱是一一对应的，不同的频率成分其对应的幅度也是不一样的。因此当我们对它进行监测时，想要接受到它所包含的所有频段这几乎是不可能完成的任务。由于在现实的生产环境中频率低的信号很容易受到现场环境噪声的干扰，频率较高的信号在电缆中传输时又出现严重的衰减，因此我们在对声发射信号进行采集时通常只会采集频率在几十到几MHz的超声波信号。对于大型的起重机械的金属构建而言，采集与分析的声发射信号频率也是几十到几MHz。

从时域上看，可以把声发射信号看作是由一组频率、幅值和相位不同的信号相加所得，如下式：

其中：s(t)是连续的时域声发射信号；An为第n个声发射信号的幅值；为第n个信号的频率；tn为第n个瞬态信号的相位差；θn为第n个信号的频率；αn为第n个信号传输的衰减系数。

2 声发射光纤信号采集系统

声发射光纤信号采集系统从整体结构上看主要有：信号采集与预处理部分、光纤传输部分和上位机软件3个部分所构成。系统的原理如图2所示。

图2 声发射光纤信息采集系统框图

2.1 信号采集与预处理

信号的采集与预处理主要是由声发射传感器和信号调理两部分组成，其中声发射传感器负责采集声发射信号，该信号是微弱的电信号，需要对此信号进行相关调理。信号的调理包括信号的放大和信号的滤波。因为声发射传感器受到的是模拟信号且是比较微弱，在处理之前需通过放大器进行放大。然后对放大后的模拟信号进行调理，通过调理电路处理后再送给A/D 芯片处理。最后由控制电路完成实时声发射，并提取特征和声发射波形采集。因为声发射传感器输出端的信号比较微弱不容易观察，且在通过远程传输的过程中信号的衰减在所难免，因此必须要在接近传感器的位置接入前端放大器对信号进行放大，将传感器输出端的信号按照一定的倍数放大，使其适合后端处理模块处理。最后，将调度后的信号传送给信号处理模块对其进行处理。前端放大器处理的是模拟信号，前端处理电路的工作电源采用的是电源和信号共线方式输送，工作原理框图如图 3 所示。

图3 工作原理框图

2.2 光纤传输模块

光纤传输模块处理的是光信号，采集器采到的信号是模拟信号。首先将采集器传输过来的模拟信号进行A/D转换，使其变成数字信号，然后再进行电光调制。在光纤传输模块中，将电信号所携信息加到光载波上，使光载波按电信号的变化而变化，这就是所谓的光波调制[4]。就根本上来说，光波的调制和电波的调制没有什么本质区别，它们都可以携带信号，此信号包括：幅度、频率、强度、相位以及偏振等参数，也即有调幅、调频、调强度、调相、调偏等调制方式。但为了便于反向操作即解调，因此在光频端一般多采用光的强度调制方式。

光纤传输的后端处理模块必须要对光信号进行光电解调操作。光电解调模块的功能是用最小的失真度和附加噪声恢复出由光纤传输过来的光信号所携带的信息。光电解调模块的前端主要包括光电二极管(反向偏压)和前置两部分[5]。反向偏压的光电二极管用来接收由光纤耦合输出的光信号。在对电路进行分析时，可将光电二极管看作是一个电流源，此电流源是二极管和结电容Cd并联的产物，电流源的等效电路图如图4所示，图中的RL是电流源的负载电阻。

图4 电流源等效电路图

光电解调前端模块的等效电路图如图5所示。其中

C

i

为电路的总输入电容，此中包含有二极管

I

p

的结电容和前放大器

G

引起的电容。

图5 光电解调前端电路图

当输入电路的总电阻Ri和前置放大器中的阻抗都比较大时，这时通过加大放大器的输入电压，由于Ri值较大，可以起到减小热噪声且接收端的灵敏度也能得到提高。这种电路的带宽可表示为：

Δf=(2πRiCi)-1

从上述公式可以看出，当Ri较大则Δf就越小，即带宽就越窄。

Rb是前置放大电路的输入电阻，RL是光电二极管的负载电阻，Ri是输入电路的总等效电阻。

等效输入电阻Ri表示为：

Ri=Rb//RL

输入电路引入的热噪声表示为：

由此可以看出,RL越大，带宽越小。在保证电路的灵敏度的前提下，由上面的公式可以减小输入电阻Ri的方法使带宽得到增大，或提高高频也可以起到增加带宽的作用。

2.3 软件设计与开发

针对声发射光纤信息采集系统的需求开发了声发射信息采集软件，选用visual studio2010开发环境，该开发环境提供了大量的控件便于系统的开发。声发射光纤信息采集系统主要有数据采集模块、参数设置模块、特征参数提取模块、历史数据查询模块等四部分组成。软件系统框图如图6所示。

图6 软件系统框图

声发射数据采集模块主要采集撞击对时间的实时折线图和幅度对时间的实时散点图，幅度信号用dB表示，幅度与事件大小有直接的关系，不受门槛影响，直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量，反映事件的相对能量或强度。撞击计数即是对撞击的次数的计数。此特征信号参数的意义在于对声发射活动性评价和反映声发射活动的总量及频度[6]。软件的主界面如图7所示。

图7 声发射采集软件主界面

通过设置按钮来设置通道信息包括门槛值、模拟滤波器上下限、波形采样率、定时参数等。设置界面如图8所示。

图8 设置界面

通过单击采集按钮开始声发射信息的采集并实时显示在主界面，暂停按钮可以暂停本次采集，点击停止按钮结束本次采集并将采集的信息以XML文件格式保存，文件名自动保存为时间，如201605271328.XML。这样可以避免文件名重复又利于根据实验时间快速查找历史数据。XML文件具有存储空间小、解析速度快等优点。单击重放按钮可以查看历史数据。

3 数据采集对比实验

基于光纤的声发射采集系统能否应用到实际生产环境需要实验数据的验证，为此设计了数据采集对比实验。在实验所用的试样应力集中位置的正反面(同一位置)放置两个声发射传感器，一个用光纤系统采集，另一个用电缆进行数据采集。将这两套系统所采集的数据进行对比，看光纤采集到的数据与用电缆采集到的数据是否吻合，如果两者的数据能够很好的吻合，这就说明声发射光纤采集是有实用价值的。

3.1 实验器材

本实验器材主要有：基于光纤的声发射信号采集系统、拉伸试验机、计算机软件、拉伸试件等器材。

试件所用材质为钢 Q235-B，试件的中心厚度和宽度分别为4 mm、20 mm，试件总长度为340 mm，试件的示意图和实物图如图9所示。

图9 试件示意图和实物图(图中圆点为传感器安放处)

3.2 实验步骤

在准备好上述所需器材后按照如下步骤进行实验。第一步：将试验机上的电夹的距离调整到试件长度略大一点的位置，确保试件能够放入，并留出安装传感器的位置；第二步：在放置传感器的位置均匀涂抹粘合剂后，用磁吸座将传感器安放好；第三步：检测设备调试：试验中的光纤长度大约500 m长，需要对其进行断铅实验以测试传感器的幅度响应，并校准传感器的灵敏度；第四步：由于实验现场有很大的噪声干扰，所以需要进行滤波。开启声发射检测系统测量周围的噪声值(声发射幅度值)，根据实验现场所测的噪声值(40 dB以下)，将声发射系统的门槛值设置为45 dB,这样系统就会将低于45 dB的信号过滤掉。第五步：设置拉伸试验机的参数，将拉伸试验机的拉伸速率设置为5 mm/min,加载信号为正弦波信号，拉伸频率设置为3.5 Hz。设置好参数后，检查系统是否连接完好。最后，先启动拉伸试验机后再开启声发射检测系统，采集声发射信号直到试件被拉断。实验装置如图10所示。

图10 试验装置图

3.3 数据对比与分析

当试件被拉断后关闭声发射检测系统，检测系统采集到了拉伸过程中的声发射信号。2个试样被拉断时的信号图，其中横轴是时间(s),纵轴是幅度(dB)如11图所示。

图11 幅值对时间散点图对比图

由上述两组图的对比可以看出，光纤采集的信号和电缆采集的信号吻合比较好。以此有理由相信基于光纤的声发射信号采集系统是能够替代传统的电缆采集系统。

4 结束语

通过多组实验数据对比分析可知，基于光纤的声发射信号采集系统基本包含了传统的电缆所有的功能，并且还能电缆采集所不具有的有点。该系统能在复杂的生产环境下进行远距离信号传输，并具有很好的看干扰性。使用光纤对起重机械结构健康远程监测将会得到广泛的应用。基于光纤的声发射信号采集技术为开展远程机械结构健康的监测提供技术支持，具有非常好的发展前景。

[1] 李 力，陈向前，赵美云，等．起重机活性缺陷的声发射信号特征[J]．无损检测，2008，30(6)：334-337．

[2] 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):302-307.

[3] 刘 娟,丁克勤.光纤声发射传感器的研究现状与展望[J].传感器与微系统,2010,29(9): 5-7.

[4] 李 威,罗春华,杨 臻.基于光电信号转换原理与单片机的弹丸测速系统[J].机械管理开发,2008,23(6):29-30.

[5] 曾庆军,刘 利,黄巧亮,等.具有远程监控功能的光纤收发器及数据传输方法[J].中国: 江苏科技大学发明, 200910234398,2009,11,24.

[6] 丁克勤.大型起重机械运行状态虚拟仿真与动力学评价方法应用研究[R]. “十一五”支撑计划课题(2006BAK02B04)研究报告.中国特种设备检测研究院, 2009.

Research on Monitoring System of Acoustic Emission of Structural Damage Based on Optical Fiber Transmission

Wan Shuai1，2，Li Qing1，Ding Keqing2，Zhao Na2，Li Na2

(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China； 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute,Beijing 100013,China)

Acoustic emission detection technology as an advanced fault diagnosis technology, is widely used in the large-scale lifting equipment testing industry. The occurrence of interfere noise,the fashion of interfere and the effect to the system in the AE automatic online monitoring system is analyzed. At present， most of the acoustic emission signal transmission by cable，this way of transmission has a limited transmission distance, and signal easily disturbed. It proposed in this paper based on the optical fiber transmission technology, designed and developed a information collection system based on optical fiber acoustic emission monitoring.This way has the advantages of long distance transmission, strong anti-jamming capability.

acoustic emission technology; optical fiber transmission; information collection

2016-06-20；

2016-07-19。

国家863计划课题(2015AA043702)。

万 帅(1989-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，主要从事检测技术方向的研究。

丁克勤(1968-)，男，安徽枞阳人，研究员，博士，博士生导师，主要从事电磁检测技术方向的研究。

1671-4598(2016)12-0020-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.007

TP273

A