CN102426198A - 一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统 - Google Patents

一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其目的在于克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅传感器引入声发射检测领域，所述传感系统包括：宽带光源，第一、第二两个光纤耦合器，光纤布拉格光栅，可调谐光纤布拉格光栅滤波器，第一、第二两个光电探测电路，模数转化电路，FBGA、计算机；本发明主要用于航空航天器的结构安全监测以及重要部件的损伤检测，灵敏度高，响应速度快，传输距离远，抗电子干扰能力强；相比功率型光纤布拉格光栅声发射传感系统，本发明利用匹配光栅法，解调波长漂移的信息，从而得到原始声发射波的信息，检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。

Description

一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统
技术领域
本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统。
背景技术
声发射是一种应用日趋广泛的现代无损检测和结构材料研究的新技术，它的原理是，受力构件的材料内部在损伤缺陷萌生扩展过程中会释放塑性应变能，应变能以应力波形式向外传播扩展，这种现象即称声发射现象。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。形象地比喻这是一种听声技术，即像医生用听诊器对人体听声来诊病一样，通过听材料内部故障声音声发射来对构件诊断和研究。
光纤光栅是20世纪90年代发展起来的新型光电子器件，经过10多年的发展，光纤光栅的制作技术日趋成熟，系统应用不断拓展。由于光纤光栅的敏感变化参量为光的波长，与其他光纤传感器相比，它有许多独特的优势，例如：在一根光纤上可串接多个光栅传感器或在一根光纤上可以同时刻多个光栅，单独寻址；抗电磁干扰能力强；不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰；体积小，可以置于结构内；它的测量是绝对值，不需要校零；灵敏度高；抗潮湿、抗腐蚀能力强，可以在恶劣环境中长期使用。
现有的光纤光栅传感系统如中国专利ZL201010273400.1“一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统”、ZL200910024155.8“一种光纤光栅应力监测系统”等，都是将光纤光栅用作温度和应力传感器；现有的声发射检测系统如中国专利CN2724019Y“一种基于声发射的地震、滑坡监测系统”等声发射检测系统中所用的声发射传感器都是基于压电陶瓷材料制作的，还没有比较成熟的光纤光栅检测声发射信号的传感系统。
发明内容
本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤光栅传感器引入声发射检测领域，提供了一种匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统的方案，该系统具有检测精度高、灵敏度高、相应速度快、传输距离远、抗电磁干扰能力强的特点。
本发明的技术方案：一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，所述传感系统包括：宽带光源，第一、第二光纤耦合器，光纤布拉格光栅，可调谐光纤布拉格光栅滤波器，第一、第二光电探测电路，模数转化电路，FBGA、计算机；其中，第一光纤耦合器的A端口和C端口分别连接宽带光源和光纤布拉格光栅，B端口连接第二光纤耦合器的D端口；第二光纤耦合器的E端口通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器与第一光电探测电路相连接，F端口直接与第二光电探测电路相连接；宽带光源发出的宽带光经过第一光纤耦合器到达光纤布拉格光栅，被光纤布拉格光栅反射后，符合光栅布拉格波长的窄带光返第一回光纤耦合器后出射；通过第二光纤耦合器后光被均匀分为两路，其中一路通过可调谐光纤光栅滤波器后，通过第一光电探测电路，另一路直接通过第二光电探测电路；两路光经过第一光电探测电路及第二光电探测电路光电转化后，输入模数转化电路后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA进行解调，得到波长漂移信息，最后经过计算机分析运算得到光纤布拉格光栅检测到的声发射信号波形，在计算机上得以显示。
进一步的，所述宽带光源为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。
进一步的，所述第一、第二光纤耦合器为3dB光纤耦合器，分光比为50∶50。
进一步的，所述可调谐光纤布拉格光栅滤波器，要与传感光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽等参数基本一致，中心波长相差0.1nm。
进一步的，所述的第一、第二光电探测电路为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。
本发明与现有技术相比的优点在于：现有的光纤光栅传感器大多数都是检测温度和应力的，而本发明检测的是声发射信号波，主要用于航空航天器的结构安全监测以及重要部件的损伤检测，灵敏度高，响应速度快，传输距离远，抗电子干扰能力强。相比功率型光纤光栅声发射传感系统，本发明所述的系统方案，是利用匹配光栅法，解调波长漂移的信息，从而得到原始声发射波的信息，检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。
附图说明
图1是匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统的原理图；
图中：1、宽带光源，2、第一光纤耦合器，3、光纤布拉格光栅，4、FPGA，5、计算机，6、可调谐光纤布拉格光栅滤波器，7、第一光电探测电路，8、第二光纤耦合器，9、第二光电探测电路，10、模数转化电路；
图2是匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统断铅实验效果图；
图2a为断铅实验的“幅值-时间”图，横坐标：时间/秒，纵坐标：幅值/毫伏；
图2b为断铅实验的“幅值-频率”图，横坐标：频率/Hz，纵坐标：幅值/dB。
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。
如图1所示，本发明所述的匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统包括：宽带光源1，第一、第二光纤耦合器2、8，光纤布拉格光栅3，可调谐光纤布拉格光栅滤波器6，第一、第二光电探测电路7、9，模数转化电路10，FBGA 4；其中，第一光纤耦合器2的A端口和C端口分别连接宽带光源1和光纤布拉格光栅3，B端口连接第二光纤耦合器8的D端口；第二光纤耦合器8的E端口通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器6与第一光电探测电路7相连接，F端口直接与第二光电探测电路9相连接。第一、第二光电探测电路7、9后还有模数转化电路10，FPGA 4以及计算机5依次连接。
宽带光源1发出的宽带光经过第一光纤耦合器2到达光纤布拉格光栅3，被光纤布拉格光栅3反射后，符合光栅布拉格波长的窄带光返回光纤耦合器2后出射。通过第二光纤耦合器8后光被均匀分为两路，其中一路通过可调谐光纤光栅滤波器6后，通过第一光电探测电路7，另一路直接通过第二光电探测电路9。两路光经过第一光电探测电路7及第二光电探测电路9光电转化后，输入模数转化电路10后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA 4进行解调，得到波长漂移信息，最后经过分析运算得到光纤布拉格光栅3检测到的声发射信号波形，在计算机5上得以显示。
所述宽带光源1为ASE(放大自发辐射)宽带光源。宽带光源是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，它的激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是，如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，就产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE光源。它有着易于和光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB谱宽宽、模式好等一系列优点。本发明所用的宽带光源在光谱范围内平坦性好，中心波长1550nm，3dB带宽为30nm。
所述第一、第二光纤耦合器2、8为3dB光纤耦合器，即分光比为50∶50。通过第二光纤耦合器8的窄带光，被均匀等功率地分为两束。一束通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器6，为匹配光，另一束不通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器6，为参考光。所述可调谐光纤布拉格光栅滤波器6，要与光纤布拉格光栅3相匹配，中心波长相差0.1nm，反射率、边模抑制比、3dB带宽等参数应基本一致。这样，匹配光与参考光的光谱形状一致，只是中心波长有所偏移。通过这种匹配光栅解调法，就可以将波长的偏移量检测出来。
第一、第二光电探测电路7、9将光信号转化为电信号，是整个系统性能高低的关键之一。本实施例所述的传感系统，光信号从宽带光源1经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到光电探测器的光功率通常都只有nW量级；本实施例又要求高频高精度的光电转化。本实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。实例中用到的两个光电转化电路完全一样。
模数转化电路10，将光电转化后的模拟电信号转化为数字电信号。数字化的电信号进入主处理器进行运算分析处理。主处理器一般由CPLD、FPGA或DSP以及存储器等电子器件和写入的软件程序组成。主处理器主要进行采入数据的处理和命令的发送。本实施例中应用FPGA 4，它具有丰富的触发器和I/O引脚，芯片集成度高，设计周期短，开发费用低，性能稳定可靠。
如图2所示为匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统断铅实验效果图。将本实施例中的光纤布拉格光栅传感器贴在铝板上，在铝板上折断铅笔芯，来模拟产生声发射信号。所用铅笔芯直径0.5mm的HB铅芯，长度为2.5cm，与铝板成30°角。图2a为断铅实验的“幅值-时间”图，横坐标：时间/秒，纵坐标：幅值/毫伏。图2b为断铅实验的“幅值-频率”图，横坐标：频率/Hz，纵坐标：幅值/dB。从图2a可以看出，断铅激励的突发型声发射信号的特征明显，200um内基本得到收敛，相应速度快。从图2b可以看出，断铅信号频率主要在100KHz-200KHz之间，与实际相符，检测精度高，噪声干扰小。
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 (5)

1.一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征是：所述传感系统包括：宽带光源(1)，第一、第二光纤耦合器(2、8)，光纤布拉格光栅(3)，可调谐光纤布拉格光栅滤波器(6)，第一、第二光电探测电路(7、9)，模数转化电路(10)，FBGA(4)、计算机(5)；其中，第一光纤耦合器(2)的A端口和C端口分别连接宽带光源(1)和光纤布拉格光栅(3)，B端口连接第二光纤耦合器(8)的D端口；第二光纤耦合器(8)的E端口通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器(6)与第一光电探测电路(7)相连接，F端口直接与第二光电探测电路(9)相连接；宽带光源(1)发出的宽带光经过第一光纤耦合器(2)到达光纤布拉格光栅(3)，被光纤布拉格光栅(3)反射后，符合光栅布拉格波长的窄带光返第一回光纤耦合器(2)后出射；通过第二光纤耦合器(8)后光被均匀分为两路，其中一路通过可调谐光纤光栅滤波器(6)后，通过第一光电探测电路(7)，另一路直接通过第二光电探测电路(9)；两路光经过第一光电探测电路(7)及第二光电探测电路(9)光电转化后，输入模数转化电路(10)后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA(4)进行解调，得到波长漂移信息，最后经过计算机(5)分析运算得到光纤布拉格光栅(3)检测到的声发射信号波形，在计算机(5)上得以显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征是：所述宽带光源(1)为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征是：所述第一、第二光纤耦合器(2、8)为3dB光纤耦合器，分光比为50∶50。
4.根据权利要求1所述的一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征是：所述可调谐光纤布拉格光栅滤波器(6)，要与传感光纤布拉格光栅(3)相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽等参数基本一致，中心波长相差0.1nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征是：所述的第一、第二光电探测电路(7、9)为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。
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