CN102680581A

CN102680581A - 一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法

Info

Publication number: CN102680581A
Application number: CN2012101874545A
Authority: CN
Inventors: 魏鹏; 李宁; 涂万里; 李成贵
Original assignee: AVIAT ACADEMY OF PLA; Beihang University
Current assignee: AVIAT ACADEMY OF PLA; Beihang University
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN102680581B

Abstract

本发明提供了一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法，其目的在于提高光纤光栅在变温环境下的检测精度，扩大光纤光栅传感器在声发射检测领域的应用，所述传感方法包括：传感和解调两部分；其中，传感部分主要通过与待检测材料相耦合的传感光纤光栅来实现；解调部分包括光电转换、放大、采集、处理等。本发明主要用于结构健康监测以及结构重要部件的损伤检测，相比于采用窄带光源的功率型光纤光栅声发射传感系统，本发明自带温度补偿，可有效减小温度变化对光纤光栅传感器的影响，提高光纤光栅传感器的检测精度，同时降低了设备成本，利于实际工程应用。

Description

一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法

技术领域

本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法。

背景技术

当受到外界作用（如应力、温度、腐蚀、载荷等）时，金属材料或复合材料内部会发生变形或断裂，同时释放出弹性能，称为声发射。声发射技术就是采用高灵敏度的声发射传感器实时采集这些来自于材料缺陷的声发射信号，并通过对这些声发射信号的分析处理，来了解材料缺陷的发展情况，以实现对材料健康状况的监测。由于声发射技术的动态性、敏感性、整体性、普适性等优点，使得它在航空、航天、地震预报以及金属加工等方面有广泛的应用。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内产生沿纤芯轴向周期性变化的折射率。当一束宽带光进入光纤布拉格光栅时，只有满足其反射条件（布拉格波长）的很窄的光才能被光纤布拉格光栅反射回去，其余的光透射而出，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，使得光纤布拉格光栅一经问世，便在光纤传感领域发挥着重要作用，并在高速公路、桥梁、矿山、地质勘探、铁路、石油/天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。

现有的光纤光栅传感系统如中国专利CN200920129512.2“一种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系统”、CN200610130121.3“光纤光栅传感系统”都可以同时测量温度与应变；现有的光纤声发射检测系统如中国专利CN201110207340.8“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”等声发射检测系统适于在恒温环境下检测，若环境温度变化较大，则会影响光纤布拉格光栅检测精度。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅引入声发射领域，提供了一种自带温度补偿的匹配型光纤布拉格光栅声发射传感方法，该方法具有检测灵敏度高、不受电磁干扰、适于动/静态检测、适于恒温/变温环境工作等特点。

本发明的技术方案：一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法，将掺铒光纤激光器4与匹配光纤布拉格光栅5相连，输出温度补偿后的窄带光信号6到达传感光纤布拉格光栅7；外界作用1作用于金属或复合材料2，使之产生声发射信号3，并使用传感光纤布拉格光栅7接收声发射信号3，反射出调制光信号8；调制光信号8进入光电探测器9转换为电信号10，到达后期信号分析处理11；

其中，掺铒光纤激光器输出的光经匹配光纤布拉格光栅后，只有符合匹配光纤布拉格光栅中心波长的窄带光被反射出去，由于匹配光纤布拉格光栅与传感光纤布拉格光栅处于同一温度场，故二者温度变化相同，抵消了传感光纤布拉格光栅由于环境温度影响产生的波长漂移，即匹配光纤布拉格光栅实现了温度补偿，输出经过温度补偿后的窄带光信号，到达传感光纤布拉格光栅，使其处于工作点（反射谱3dB带宽处）；当外界作用（应力、腐蚀、载荷等）到达金属或复合材料时，会引起后者内部产生微裂纹，同时伴随有声发射信号，该声发射信号被耦合于金属或复合材料表面的传感光纤布拉格光栅接收到，引起传感光纤布拉格光栅的中心波长发生变化，输出调制光信号，该调制光信号被光电探测器转换为电信号，再进行后期信号分析处理。

进一步的，所述匹配光纤布拉格光栅为可调谐光栅，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、温度灵敏系数参数一致，中心波长相差0.1nm。

进一步的，所述传感光纤布拉格光栅耦合于金属或复合材料的表面：若传感光纤布拉格光栅未封装，则用502胶水粘贴于金属或复合材料的表面；若传感光纤布拉格光栅已封装，则将封装后的传感光纤布拉格光栅使用凡士林耦合于金属或复合材料的表面。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的光纤布拉格光栅传感器大多数都工作在恒温或温度变化较小的环境下，一旦环境温度变化较大，光纤布拉格光栅的检测精度便会降低，影响最终检测结果，而本发明采用的自带温度补偿的匹配型光纤布拉格光栅声发射传感方法，可以最大限度的降低温度对光纤布拉格光栅传感器的影响，使得光纤布拉格光栅传感器在变温环境下同样具有正常工作的能力，同时降低了系统的成本，利于工程实际应用。

附图说明

图1是自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法；

图中：1、外界作用（应力、腐蚀、载荷等），2、金属或复合材料，3、声发射信号，4、掺铒光纤激光器，5、匹配光纤布拉格光栅，6、温度补偿后的窄带光信号，7、传感光纤布拉格光栅，8、调制光信号，9、光电探测器，10、电信号，11、后期信号分析处理；

图2是光纤布拉格光栅匹配温度补偿原理。

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，本发明所述的自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法包括：传感和解调两个步骤其中，传感通过与待检测金属或复合材料2相耦合的传感光纤布拉格光栅7来实现；解调包括光电转换、信号放大、采集及处理。具体实施如下：掺铒光纤激光器4输出的光经匹配光纤布拉格光栅5后，只有符合匹配光纤布拉格光栅5中心波长的窄带光被反射出去，由于匹配光纤布拉格光栅5与传感光纤布拉格光栅7处于同一温度场，故二者温度变化相同，即匹配光纤布拉格光栅5实现了温度补偿，输出经过温度补偿后的窄带光信号6，到达传感光纤布拉格光栅7，使其处于工作点（反射谱3dB带宽处）；当外界作用（应力、腐蚀、载荷等）1到达金属或复合材料2时，会引起后者内部产生微裂纹，同时伴随有声发射信号3，该声发射信号被耦合于金属或复合材料2表面的传感光纤布拉格光栅7接收到，引起传感光纤布拉格光栅7的中心波长发生变化，输出调制光信号8，该调制光信号被光电探测器9转换为电信号10，再进行后期信号分析处理11。

匹配光纤布拉格光栅5与传感光纤布拉格光栅7，都是反射谱3dB带宽小于0.3nm的光栅，反射率在90%以上。掺铒光纤激光器4发出的光到达匹配光纤布拉格光栅5后，只有符合匹配光纤布拉格光栅5中心波长的窄带光被反射出去。同时匹配光纤布拉格光栅5与传感光纤布拉格光栅7相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数等参数基本一致，中心波长相差0.1nm，如图2所示。匹配光纤布拉格光栅5的中心反射波长恰好位于传感光纤布拉格光栅7的3dB工作点处，经匹配光纤布拉格光栅5反射的光使得传感光纤布拉格光栅7具有最高的工作灵敏度。又由于匹配光纤布拉格光栅5与传感光纤布拉格光栅7处于同一温度场中，二者的反射谱随温度变化相同，这就极大的消弱了温度对传感光纤布拉格光栅7的影响，实现了温度补偿，即匹配光纤布拉格光栅5输出经过温度补偿后的窄带光信号6。此时，接收到窄带光信号6的传感光纤布拉格光栅7只受到外界应力的影响。

当外界作用（应力、腐蚀、载荷等）1到达金属或复合材料2时，会引起后者内部产生微裂纹，同时伴随有声发射信号3。声发射信号3属于应力波，被耦合于金属或复合材料2表面的传感光纤布拉格光栅7接收到，改变了传感光纤布拉格光栅7的栅区周期长度，同时由于弹光效应引起栅区折射率变化，导致传感光纤布拉格光栅7的中心发射波长发生变化，输出调制光信号8。

光电探测器9，将接收到的调制光信号8转换为电信号10。调制光信号8经过数次反射、光纤接口、光路损耗等，信号极其微弱，且具有较宽频带，故此处需用频带宽、信噪比高、转换速度快的光电探测器。

后期信号分析处理11包括对电信号10的放大、A/D转换、采集、处理等。

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

1.一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法，将掺铒光纤激光器（4）与匹配光纤布拉格光栅（5）相连，输出温度补偿后的窄带光信号（6）到达传感光纤布拉格光栅（7）；外界作用（1）作用于金属或复合材料（2），使之产生声发射信号（3），并使用传感光纤布拉格光栅（7）接收声发射信号（3），反射出调制光信号（8）；调制光信号（8）进入光电探测器（9）转换为电信号（10），到达后期信号分析处理（11）；

其特征是包括以下步骤：

其中掺铒光纤激光器（4）输出的光经匹配光纤布拉格光栅（5）后，只有符合匹配光纤布拉格光栅（5）中心波长的窄带光被反射出去，匹配光纤布拉格光栅（5）与传感光纤布拉格光栅（7）处于同一温度场，二者温度变化相同，即匹配光纤布拉格光栅（5）实现了温度补偿，输出经过温度补偿后的窄带光信号（6），到达传感光纤布拉格光栅（7），使其处于工作点，即反射谱3dB带宽处；当外界作用（1）到达金属或复合材料（2）时，会引起后者内部产生微裂纹，同时伴随有声发射信号（3），该声发射信号被耦合于金属或复合材料（2）表面的传感光纤布拉格光栅（7）接收到，引起传感光纤布拉格光栅（7）的中心波长发生变化，输出调制光信号（8），该调制光信号（8）被光电探测器（9）转换为电信号（10），再进行后期信号分析处理（11）。

2.根据权利要求1所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法，其特征是：所述匹配光纤布拉格光栅（5）为可调谐光栅，要与传感光纤布拉格光栅（7）相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数参数一致，中心波长相差0.1nm。

3.根据权利要求1所述的一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感方法，其特征是：所述传感光纤布拉格光栅（7）耦合于金属或复合材料（2）的表面：若传感光纤布拉格光栅（7）未封装，则用502胶水粘贴于金属或复合材料（2）的表面；若传感光纤布拉格光栅（7）已封装，则将封装后的传感光纤布拉格光栅（7）使用凡士林耦合于金属或复合材料（2）的表面。