CN103048389A - 双探头补偿式光纤声发射传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术类，更具体地说，它涉及一种能自动抑制环境温度、光源强度变化干扰的用于监测声波的光纤传感器。目的是提供一种具有新型结构、能有效抑制外界温度和光源强度变化的干扰的双探头补偿式光纤声发射传感器。一种双探头补偿式光纤声发射传感器，包括用光纤顺次连接的2个激光器、2个光纤耦合器、光纤传感探头、2个光电探测器和与所述2个光电探测器电连接的信号处理单元；所述2个激光器分别与所述2个光纤耦合器光纤连接，2个光纤耦合器分别与光纤传感探头、2个光电探测器光纤连接，2个光电探测器与信号处理单元电连接。本发明传感器能消除外界环境温度和光源强度变化产生的扰动，有效解决光纤Fabry-Perot传感器常见的输出信号衰减问题。

Description

双探头补偿式光纤声发射传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术类，更具体地说，它涉及一种能自动抑制环境温度、光源强度变化干扰的用于监测声波的光纤传感器。

背景技术

空间飞行器、高速列车、大坝、桥梁、核电站、大型原油储罐等工程结构在运行期间，材料缺陷、腐蚀和超期服役等因素造成大量的损伤隐患，对其工作安全造成了严重威胁。因此，研究新型结构健康监控原理与技术用于工程结构损伤的实时检测和损伤程度的合理评估，对于保障工程结构的运行安全、重大灾害预报、合理设定损伤容限、降低维护费用和延长工程结构工作寿命等方面有着重要的理论意义和广阔的应用前景。声发射现象是进行结构健康监控诊断的重要依据。大多数材料出现形变和裂纹损伤时都有声发射产生。通过接收与分析声发射信号，对声发射源进行定量、定性和定位判断，了解结构的损伤变化、缺陷的活性和严重性，能够达到检测和诊断工程结构损伤的目的。研究能用于工程结构声发射信号精确拾取和识别的传感器已成为声发射技术领域急待解决的关键技术问题。然而，工程结构运行的恶劣环境对声发射检测系统的耐受力提出了严峻挑战。大量工程应用实例证明，湿度和电磁场等环境因素会严重影响目前常用的电量式传感器的检测精度和长期稳定性，不能对绝大多数工程结构进行在线健康监测。光纤传感器能满足在高温、腐蚀与强电磁干扰等恶劣工作环境下对工程结构声发射信号在线实时监控和损伤评估的要求，而且符合现代传感系统小型化、轻型化、高性能与高可靠性等要求。采用Fabry-Perot腔制作的光纤声发射传感器具有结构简单、体积小、时间响应快、高灵敏度和单光纤信号传输等优点，因而受到人们普遍青睐，成为近年来应用于声发射信号检测的光纤传感器主要类型之一。现有的光纤Fabry-Perot声发射传感器如文献“用于液体介质中局放声测的非本征光纤法珀传感器”(赵洪，李敏，王萍萍，张影.《中国电机工程学报》，2008，28(22)，pp.59～63.)报道的光纤Fabry-Perot传感器，该传感器是基于Fabry-Perot腔制作的，在实际运用中，易受环境温度和光源强度变化的影响，造成传感器工作点偏移线性区，使得传感器灵敏度不高，必须采取相应补偿措施以满足传感器的高灵敏度和长期稳定性的要求。

发明内容

本发明针对采用Fabry-Perot腔制作的光纤声发射传感器所存在的易受温度和光源光强变化影响而导致的传感性能下降问题，提供一种具有新型结构、能有效抑制外界温度和光源强度变化的干扰的双探头补偿式光纤声发射传感器。

一种双探头补偿式光纤声发射传感器，包括用光纤顺次连接的2个激光器、2个光纤耦合器、光纤传感探头、2个光电探测器和与所述2个光电探测器电连接的信号处理单元；所述2个激光器分别与所述2个光纤耦合器光纤连接，2个光纤耦合器分别与光纤传感探头、2个光电探测器光纤连接，2个光电探测器与信号处理单元电连接。

所述的激光器为DFB激光器。

所述2个光电探测器均为PIN光电探测器。

所述2个光纤耦合器均为1×2单模光纤耦合器，分光比为50％。

所述的光纤传感探头由2个封装在铜管里的非本征光纤Fabry-Perot腔构成，所述的非本征光纤Fabry-Perot腔由入射光纤、反射光纤及用于固定与准直入射光纤、反射光纤的石英毛细管组成，封装在所述石英毛细管里的入射光纤与反射光纤之间构成空气腔。

所述石英毛细管的两端与所述入射光纤、反射光纤连接处具有熔接形成的2个焊点。

所述的入射光纤与反射光纤为2段端部抛光的单模光纤，端面反射率约为4％。

所述的石英毛细管与所述入射光纤、反射光纤的2个焊点间距为1cm。

所述的连接光纤为单模石英光纤。

本发明采用了传感器工作点的双探头补偿技术，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出一种具有新型结构的光纤声发射传感器设计方法，能消除外界环境温度和光源强度变化产生的扰动，有效解决光纤Fabry-Perot传感器常见的输出信号衰减问题。

2、本发明设计的光纤声发射传感器环境适应性强，能在高温、腐蚀与强电磁干扰等恶劣工作环境下使用，具有长期稳定性好、寿命长的特点。

附图说明

图1为光纤传感探头2路输出光的强度曲线。

图2为本发明第一实施例的结构示意图。

图3为光纤传感探头的结构示意图。

图4为本发明第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明的工作原理如下：

光纤传感探头返回光束的强度与构成探头的Fabry-Perot腔的长度变化有关，当有声发射波作用于光纤传感探头时，声压导致Fabry-Perot腔的长度变化，光纤传感探头返回光束的光强变化信息也就包含了声发射信息，通过后续的信号解调电路，提取出有用的声发射信息。构成光纤传感探头的Fabry-Perot腔的输出光强I可由(1)式表达。

$I=A\{1+\cos (\frac{{4\mathrm{\πL}}_0}{\mathrm{\λ}}+\frac{4\mathrm{\π\ΔL}}{\mathrm{\λ}})\}---\left(1\right)$

式中，A为与激光器出射光强度有关的常量；L0为Fabry-Perot腔的初始长度；ΔL为声发射波作用于传感探头引起的Fabry-Perot腔长度改变量；λ为射入Fabry-Perot腔的DFB激光器出射光的波长。

由式(1)可见，通过信号处理单元从Fabry-Perot腔的输出光强I中求出ΔL，即可获取声发射信号信息。

设构成光纤传感探头的2个Fabry-Perot腔的初始长度分别为L01与L02，2个Fabry-Perot腔的2路输出光的相位差Δθc为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_c=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(L_{01}-L_{02})---\left(2\right)$

根据(2)式，在设计2个Fabry-Perot腔的初始长度L01与L02时，使它们差值为λ/8的奇数倍，可使2路输出光的相位差Δθc为π/2的奇数倍，2路输出光的强度曲线如附图1所示。横轴表示为Fabry-Perot腔长度，纵轴为输出光的强度。图中小圆圈表示曲线的直线段中点。设外界环境温度发生变化，引起Fabry-Perot腔长在一定长度内变化，这时其中一路输出光强依次进入或脱离曲线的波峰或波谷区域，而另一路的输出光强的依次进入或脱离曲线的直线段中点，任意时刻总可保证有一路输出光强信号始终位于直线段中点，克服了输出信号衰减与失真。

本发明传感器设有两个光电探测器，能抑制DFB激光器输出光强度变化的干扰，处理方法说明如下。2个光电探测器2路输出电流I01和I02可由下式表达

I₀₁＝K(1+cosθ₀₁)     (3)

I₀₂＝K(1±sinθ₀₁)    (4)

式中，K为与激光器光强、分光比及光电探测器响应度等有关的常量。

2路输出电流进入信号处理单元后，对2路输出信号做低通滤波，获取2路信号中的直流成分，即为式(3)和式(4)中的K项，计算2路信号K值的平均值，然后用2路输出信号分别除以K的平均值，以消除K对2路输出信号的影响，从而消除了光源强度变化对传感器输出信号的干扰。

图2示出了本发明传感器的结构，包括用单模石英光纤顺次连接的两个DFB激光器、两个光纤耦合器、一个光纤传感探头、两个光电探测器和与光电探测器电连接的信号处理单元。两个DFB激光器的出射光分别进入两个光纤耦合器分光，分光后的光束进入光纤传感探头，由光纤传感探头返回的光束再次分别进入两个光纤耦合器，然后分别进入两个光电探测器转换为两路电流信号，两路电流信号进入信号处理单元进行信号解调。上述2个光纤耦合器均为1×2单模光纤耦合器，分光比为50％，光电探测器均为PIN光电探测器。

当有声发射波作用于光纤传感探头时，声压导致传感探头中的2个Fabry-Perot腔的长度变化，光纤传感探头返回的两路光束的光强变化信息也就包含了声发射信息，两路光束经过光纤耦合器分别进入两个光电探测器转换为两路电流信号，两路输出电流进入信号处理单元后，对两路输出信号做低通滤波，获取两路信号中的直流成分，计算这两路信号直流成分的平均值，然后用输出信号分别除以直流成分的平均值，以消除光源强度变化对传感器输出信号的干扰，然后对处理后的信号进行解调处理，提取声发射信号。

当外界环境温度发生变化，引起传感探头中的两个Fabry-Perot腔的长度在一定长度内变化，这时其中一路输出光强依次进入或脱离曲线的波峰或波谷区域，而另一路的输出光强的依次进入或脱离曲线的直线段中点，任意时刻总可保证有一路信号工作点始终位于直线段中点，从而克服了输出信号衰减与失真。

图3为光纤传感探头的结构示意图，由2个封装在铜管1里的非本征光纤Fabry-Perot腔构成，所述的非本征光纤Fabry-Perot腔由入射光纤2、反射光纤3及用于固定与准直入射光纤、反射光纤的石英毛细管4组成，封装在所述石英毛细管里的入射光纤与反射光纤之间构成空气腔5。所述石英毛细管的两端与所述入射光纤、反射光纤连接处具有熔接形成的2个焊点6，焊点之间距离为1cm，入射光纤与反射光纤为2段端部抛光的单模光纤，端面反射率约为4％。

图4示出了本发明实施过程另一结构，本实施结构只需采用一只DFB激光器，用一个光纤耦合器对DFB激光器出射光进行分光，以获取两路输出光。相比采用两只DFB激光器能降低系统构成成本，且能达到相同的使用效果。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：包括用光纤顺次连接的2个激光器、2个光纤耦合器、光纤传感探头、2个光电探测器和与所述2个光电探测器电连接的信号处理单元；所述2个激光器分别与所述2个光纤耦合器光纤连接，2个光纤耦合器分别与光纤传感探头、2个光电探测器光纤连接，2个光电探测器与信号处理单元电连接。

2.如权利要求1所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述的激光器为DFB激光器。

3.如权利要求1所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述2个光电探测器均为PIN光电探测器。

4.如权利要求1所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述2个光纤耦合器均为1×2单模光纤耦合器，分光比为50％。

5.如权利要求1所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述的光纤传感探头由2个封装在铜管(1)里的非本征光纤Fabry-Perot腔构成，所述的非本征光纤Fabry-Perot腔由入射光纤(2)、反射光纤(3)及用于固定与准直入射光纤(2)、反射光纤(3)的石英毛细管(4)组成，封装在所述石英毛细管(4)里的入射光纤(2)与反射光纤(3)之间构成空气腔(5)。

6.如权利要求5所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述石英毛细管(5)的两端与所述入射光纤、反射光纤连接处具有熔接形成的2个焊点(6)。

7.如权利要求5所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述的入射光纤与反射光纤为2段端部抛光的单模光纤，端面反射率约为4％。

8.如权利要求5所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述的石英毛细管(4)与所述入射光纤(2)、反射光纤(3)的2个焊点间距为1cm。

9.如权利要求1所述的双探头补偿式光纤声发射传感器，其特征在于：所述的连接光纤为单模石英光纤。

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