CN102419348B - 一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法 - Google Patents

一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型检测方法，其目的在于克服已有的技术局限，通过以下技术方案得以实现：本发明在已有的光纤布拉格光栅声发射功率型传感系统的基础上，检测此系统所用到的传感光纤布拉格光栅(FBG)的光谱图，得到FBG中心波长与3dB带宽的参数值；进而调整传感系统窄带激光器输出的窄带光的中心波长至光栅反射谱3dB带宽附近；最后以标准的正弦波信号为基准，模拟声发射信号，根据检测得到的波形，细调窄带光波长。本发明的检测方法，配合光纤布拉格光栅声发射传感系统，能够方便地精确地检测各种声发射信号，重复性好，可靠性强。本发明的检测方法还可以推广到其他类似原理的以窄带脉冲为光载体的声发射信号传感系统中。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法
技术领域
本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法。
技术背景
光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，在光纤中形成纤芯折射率沿轴向呈现周期性规律分布的物理结构，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的光滤波器或反射镜。利用光纤光栅的波长量对应变、温度的线性响应特性，通过特殊的封装方式能将许多种物理量的变化转化为光栅上应变、温度的变化，可以形成多种类别的光纤光栅传感器。目前，光纤光栅传感器已逐步应用于应变、温度、压力、振动、声波、磁场、加速度、流量、热膨胀系数、电流、化学成分等多种物理量的测量。
声发射检测是一种新型的无损检测方法，又称应力波发射，是材料或零部件受外力作用下产生变形、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。声发射技术就是采用高灵敏度的声发射传感器安装于受力构件表面形成一定数目的传感器阵列实时接受和采集来自于材料缺陷的声发射信号，进而通过对这些声发射信号的识别、判断和分析等，对材料损伤缺陷进行检测研究，对构件强度损伤、寿命等分析和研究。
目前，国内外声发射检测系统中，所用的传感器主要都是压电陶瓷传感器。它为单端谐振式传感器，主要组成部分是压电晶片，单端接收模式工作，另一端自由。这种谐振式压电传感器，虽然性能稳定可靠，但仍然存在体积大、频带窄、抗震动能力差、传输距离短、只能安装于试件表面并且易受电磁干扰影响等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的技术局限，提供一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法。
本发明在已有的光纤布拉格光栅声发射传感系统的基础上，首先检测此传感系统所用到的FBG传感器的光谱图，得到FBG传感器中心波长与3dB带宽的参数值。进而调整此传感系统的窄带激光器输出的窄带光的中心波长至光栅反射谱3dB带宽附近。最后以标准的正弦波信号为基准，模拟声发射信号，根据检测得到的波形，细调窄带光波长。
本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法，其具体方法是：
步骤1：检测FBG传感器的反射光谱。光纤耦合器的输入端分别连接宽带光源和光谱仪，输出端连接FBG传感器。宽带光源输出的光经过光纤耦合器，入射到FBG传感器上，符合FBG传感器中心波长的窄带光被FBG传感器反射后，通过光纤耦合器进入光谱仪。在光谱仪上观察并记录测得波形。
步骤2：精确标定FBG传感器的反射光谱。光纤耦合器的输入端分别连接窄带光源和波长计，输出端连接FBG传感器。窄带光源输出的光经过光纤耦合器，入射到FBG传感器上，符合FBG传感器中心波长的窄带光被FBG传感器反射后，通过光纤耦合器进入波长计。在波长计上读出此时的光功率。以0.01nm为间隔，调节窄带光源的输出波长，根据步骤1得到的FBG传感器中心波长，检测此中心波长附近30个波长点的功率值。
步骤3：单位换算与曲线拟合。根据公式
Figure BDA0000084525620000021
将步骤2测得的功率P/mW换算成P/dB。然后以波长值为横坐标，功率值为纵坐标，做出精确的FBG传感器反射光谱曲线。
步骤4：粗调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器输出波长。根据已得到的精确的FBG传感器反射光谱曲线，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的一处波长段(不只一处)，取此段波长的中间值，将传感系统的窄带激光器输出波长调节到这个值。
步骤5：细调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器输出波长。以标准的正弦波声发射信号激励源为基准，其中，该正弦波声发射信号激励源包括两件设备：正弦波信号发生器(9)，用于发射正弦波电信号，和压电换能器(11)，用于将电信号转化为声波信号；光纤布拉格光栅声发射传感系统来检测该声波信号；FBG传感器(4)与压电换能器(11)一起放在铝板(10)上，该声波信号通过铝板(10)被FBG传感器(4)所接收。以±0.05nm为步长，微调窄带激光器的输出波长，并观察传感系统所采集到的正弦信号的波形。
步骤6：若步骤5传感系统所采集到的正弦波波形始终不稳定，重复步骤4、步骤5，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的另一处波长段。直到传感系统采集到的正弦波波形稳定、无噪声干扰。则此时光纤布拉格光栅声发射传感系统已达到最佳检测状态，可以采集各种声发射信号。
本发明的检测方法，配合光纤布拉格光栅声发射传感系统，能够方便地精确地检测各种声发射信号，重复性好，可靠性强。本发明的检测方法还可以推广到其他类似原理的以窄带脉冲为光载体的声发射信号传感系统中。
附图说明
图1是FBG传感器反射光谱检测实验图；
图2是FBG传感器反射光谱精确标定实验图；
图3是正弦信号波标定实验装置图；
其中，1为宽带光源；2为光谱仪；3为光纤耦合器；4为FBG传感器；5为窄带光源；6为波长计；7为窄带激光器；8为光纤光栅声发射传感系统；9为正弦波信号发生器；10为铝板；11为压电换能器。
图4是精确标定的FBG传感器反射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
本发明配合已有的光纤布拉格光栅声发射传感系统，阐述一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号功率型无损检测方法。有如下步骤。
步骤1：检测FBG传感器4的反射光谱。如图1所示，光纤耦合器3的输入端分别连接宽带光源1和光谱仪2，输出端连接FBG传感器4。宽带光源1输出的光经过光纤耦合器3，入射到FBG传感器4上，符合FBG传感器4中心波长的窄带光被FBG传感器4反射后，通过光纤耦合器3进入光谱仪2。在光谱仪2上观察并记录测得波形。
步骤2：精确标定FBG传感器4的反射光谱。如图2所示，光纤耦合器3的输入端分别连接窄带光源5和波长计6，输出端连接FBG传感器4。窄带光源5输出的光经过光纤耦合器3，入射到FBG传感器4上，符合FBG传感器4中心波长的窄带光被FBG传感器4反射后，通过光纤耦合器3进入波长计6。在波长计6上读出此时的光功率。以0.01nm为间隔，调节窄带光源5的输出波长，根据步骤1得到的FBG传感器4中心波长，检测此中心波长附近30个波长点的功率值。
步骤3：单位换算与曲线拟合。根据公式将步骤2测得的功率P/mW换算成P/dB。然后以波长值为横坐标，功率值为纵坐标，做出精确的FBG传感器4反射光谱曲线，如图4所示。
步骤4：粗调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器7输出波长。根据已得到的精确的FBG传感器4反射光谱曲线，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的一处波长段(不只一处)，取此段波长的中间值，将传感系统的窄带激光器7输出波长调节到这个值。
步骤5：细调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器7输出波长。如图3所示，以标准的正弦波声发射信号激励源为基准，其中，该正弦波声发射信号激励源包括两件设备：正弦波信号发生器9，用于发射正弦波电信号，和压电换能器11，用于将电信号转化为声波信号；光纤布拉格光栅声发射传感系统来检测该声波信号；FBG传感器4与压电换能器11一起放在铝板10上，该声波信号通过铝板10被FBG传感器4所接收。以±0.05nm为步长，微调窄带激光器7的输出波长，并观察传感系统所采集到的正弦信号的波形。
步骤6：若步骤5传感系统所采集到的正弦波波形始终不稳定，重复步骤4、步骤5，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的另一处波长段。直到传感系统采集到的正弦波波形稳定、无噪声干扰。则此时光纤布拉格光栅声发射传感系统已达到最佳检测状态，可以采集各种声发射信号。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号的功率型的无损检测方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：检测FBG传感器（4）的反射光谱；
光纤耦合器（3）的输入端分别连接宽带光源（1）和光谱仪（2），输出端连接FBG传感器（4）；宽带光源（1）输出的光经过光纤耦合器（3），入射到FBG传感器（4）上，符合FBG传感器（4）中心波长的窄带光被FBG传感器（4）反射后，通过光纤耦合器（3）进入光谱仪（2）；在光谱仪（2）上观察并记录测得波形；
步骤2：精确标定FBG传感器（4）的反射光谱；
光纤耦合器（3）的输入端分别连接窄带光源（5）和波长计（6），输出端连接FBG传感器（4）；窄带光源（5）输出的光经过光纤耦合器（3），入射到FBG传感器（4）上，符合FBG传感器（4）中心波长的窄带光被FBG传感器（4）反射后，通过光纤耦合器（3）进入波长计（6）；在波长计（6）上读出此时的光功率；以0.01nm为间隔，调节窄带光源（5）的输出波长，根据步骤1得到的FBG传感器（4）中心波长，检测此中心波长附近30个波长点的功率值；
步骤3：单位换算与曲线拟合；
根据公式
Figure FDA00002827587600011
将步骤2测得的功率PmW换算成PdB；然后以波长值为横坐标，功率值为纵坐标，做出精确的FBG传感器（4）反射光谱曲线；
步骤4：粗调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器（7）输出波长；根据已得到的精确的FBG传感器（4）反射光谱曲线，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的一处波长段或者几处波长段，取此段波长的中间值，将传感系统的窄带激光器（7）输出波长调节到这个值；
步骤5：细调光纤布拉格光栅声发射传感系统的窄带激光器（7）输出波长；以标准的正弦波声发射信号激励源为基准，其中，该正弦波声发射信号激励源包括两件设备：正弦波信号发生器（9），用于发射正弦波电信号，和压电换能器（11），用于将电信号转化为声波信号；光纤布拉格光栅声发射传感系统来检测该声波信号；FBG传感器（4）与压电换能器（11）一起放在铝板（10）上，该声波信号通过铝板（10）被FBG传感器（4）所接收；以±0.05nm为步长，微调窄带激光器（7）的输出波长，并观察传感系统所采集到的正弦信号的波形；
步骤6：若步骤5所述传感系统所采集到的正弦波波形始终不稳定，重复步骤4、步骤5，观察并找出光谱3dB带宽附近线性度较好的另一处波长段；直到所述传感系统采集到的正弦波波形稳定、无噪声干扰；则此时光纤布拉格光栅声发射传感系统已达到最佳检测状态，可以采集各种声发射信号。
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