CN103472136A - 一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，单模光纤耦合传感器部分包括：入射光纤、出射光纤、单模光纤耦合器、光源；信号处理部分包括：光电转换电路、差分放大电路、滤波电路、数据采集卡、计算机；所述光源发出的光通过两路入射光纤进入单模光纤耦合器，、在单模光纤耦合器的耦合区耦合后输出，经过两路出射光纤向光电转换电路传输两路光信号，所述光电转换电路将、光信号转换成电信号，再依次经过差分放大电路、滤波电路进入数据采集卡，所述数据采集卡对采集的信号进行模数转化后传输至计算机进行分析处理。本发明不需用较复杂的机械装置进行增敏和无需考虑外界温度起伏的影响，以及解调成本低，分辨力高的特点。

Description

一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统

技术领域

本发明涉及一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，属于结构健康监测中的声发射检测技术领域。

背景技术

机械设备健康监测是近四十年来才发展起来的一门较新的技术，它是一门集传感器、声学、光学、电子学和计算机学等多门学科为一体的综合技术。它通过对设备某些参数的测取和分析，获得设备状态变化的趋势性规律，判断设备损伤的原因、部位和严重程度，对设备的剩余寿命做出估计，进而指导设备的维修与管理。随着这门技术的迅速发展，机械设备的维修和管理观念也随之发生了巨大的变化，由过去的事故后维修或定期维修发展到现在的基于状态结构健康监测的主动保养维修。这种现代的设备维修方式因其可最大限度地节约维修费用，并可最大限度地避免由于意外停机所造成的间接经济损失而越来越受到重视。

基于声发射的机械构件故障诊断技术是近年来发展的一种新型动态无损检测方法，它采集的声发射信号来自于故障构件的缺陷本身，这样它就可以反映出缺陷随载荷、时间、温度等外变量变化而随时改变的信息。如零部件产生裂纹，发生腐蚀，结构断裂等，这些都会伴随声发射信号的产生，因此对机械设备进行声发射检测，以此来监测机械设备的健康问题。传统的压电陶瓷类传感器，受电磁干扰比较严重，在强电场环境下，其有效性受到很大制约。而且将传感器置于实验试件的外部，由于材料的高吸收，到达探测器的超声波信号强度较小，因此其效果并不理想。然而利用光纤所特有的性质，将其作为光纤AE传感器探测声发射信号作为无损检测的一种新型的手段的研究具有非常重要的意义。

光纤传感器主要集中在以下技术：1光纤干涉技术，2光纤布拉格光栅技术，3过度耦合融熔双锥耦合技术。然而，技术1安装复杂且易受温度起伏影响，技术难度大，技术2必须用机械装置来增强灵敏度且易受温度起伏影响较大，高频的解调困难，成本很高，工程应用在声发射检测上的的很少。3是近年来随着技术的进步，基于光纤耦合器声发射传感器克服了参数不稳定的缺陷，在声发射检测方面重新得到重视的一种技术。

光纤耦合器是一种简单而非常重要的无源光纤器件，它在光纤通信里起着非常重要的作用，光纤耦合技术作为一种基本的器件结构，随着光纤通信的发展己经变得相当成熟。基于过度耦合的光纤声发射传感器以其测量频带宽，解调成本低，抗电磁干扰等优点，受到越来越多的重视。

对于CN102313779“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”公开的基于光纤布拉格光栅的专利由于基于测量反射中心波长变化的原理，存在解调复杂，制作成本高，波长的检测较为困难，实际应用中得用机械装置来增强灵敏度且易受温度起伏的影响的劣势，在应用时得考虑温度补偿和波长漂移等因素，进行监测的成本相对比较高，技术成熟度低，该技术在成熟稳定性还是成本都存在局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，不需用较复杂的机械装置进行增敏和无需考虑外界温度起伏的影响，以及解调成本低，分辨力高，可以根据需要设置不同频带的耦合型声发射传感器部分，该系统相对传统的压电式声发射传感器具有抗电磁干扰，传输距离长，可在腐蚀和高温等恶劣环境下布设的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统包括单模光纤耦合传感器部分和信号处理部分，所述单模光纤耦合传感器部分包括：入射光纤、出射光纤、单模光纤耦合器、光源；所述信号处理部分包括：光电转换电路、差分放大电路、滤波电路、数据采集卡、计算机；其中单模光纤耦合器紧固在封装材料内，封装材料和单模光纤耦合器之间通过环氧树脂胶粘剂粘贴；所述光源发出的光通过两路入射光纤进入单模光纤耦合器，所述两路入射光在单模光纤耦合器的耦合区耦合后输出，经过两路出射光纤向光电转换电路传输两路光信号，所述光电转换电路将接收的两路光信号转换成电信号，再依次经过差分放大电路、滤波电路进入数据采集卡，所述数据采集卡对采集的信号进行模数转化后传输至计算机进行分析处理，以实现对声发射信号的测量。

作为本发明的一种优选技术方案：所述封装材料为毛细玻璃管，环氧树脂胶粘剂为固化胶；所述两路入射光纤和出射光纤分别与单模光纤耦合器的两端连接后，通过固化胶封装在所述毛细玻璃管中；所述单模光纤耦合器分别与两路入射光纤、两路出射光纤连接处形成锥形区，所述入射光在锥形区进行应变集中。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光源为ASE宽带光源，中心波长为1550nm，波长范围为1520至1620nm，谱宽为80nm。

作为本发明的一种优选技术方案：所述单模光纤耦合器为1×2型单模光纤耦合器，分光比为50%。

作为本发明的一种优选技术方案：所述单模光纤耦合传感器部分的频带范围为20-200KHz。

作为本发明的一种优选技术方案：所述光电转换电路为PIN光电二极管电路。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明和光纤光栅声发射传感系统有着本质的区别，光纤光栅声发射传感系统基于中心波长变化的波长调制型，需用价格昂贵的窄带光源进行波长扫描，而本系统属于强度调制型，基于锥形区与耦合区受扰动变化，而引起耦合长度变化使两传感臂输出光强发生相应的变化，光源可使用常用的宽带光源。同时相对光纤光栅类型的声发射传感器，本传感系统具有不需用较复杂的机械装置进行增敏和无需考虑外界温度起伏的影响，以及解调成本低，分辨力高，可以根据自己的需要定制不同频带的耦合型声发射传感器部分。随着光激励器件的小型化和可靠性的提高，本发明具有广泛的应用前景。

综上，本发明具有成本低、结构简单不受温度漂移影响的特点。可用于机械设备结构健康监测以及重要部件的损伤检测，具有检测频带宽，检测的范围达到20-200KHz，灵敏度高，应变分辨力达到1.5（με），可以根据需要设置不同频带的耦合型声发射传感器部分，该系统相对传统的压电式声发射传感器具有抗电磁干扰，传输距离长，可在腐蚀和高温等恶劣环境下布设的优点。

附图说明

图1为本发明的单模光纤耦合传感器部分的结构示意图。

图2为本发明的基于单模光纤耦合器的声发射传感系统的结构框图。

图3为本发明的声发射传感系统的原理图。

图4（a）和图4（b）分别为本系统对压电陶瓷振动信号为50K和200K赫兹的频谱响应图。图4（c）为本系统对断铅模拟的声发射信号的频谱响应图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图2所示，本发明提供了一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，包括单模光纤耦合传感器部分和信号处理部分，所述单模光纤耦合传感器部分包括：入射光纤、出射光纤、单模光纤耦合器、光源；所述信号处理部分包括：光电转换电路、差分放大电路、滤波电路、数据采集卡、计算机；其中单模光纤耦合器紧固在封装材料内，封装材料和单模光纤耦合器之间通过环氧树脂胶粘剂粘贴；所述光源发出的光通过两路入射光纤进入单模光纤耦合器，所述两路入射光在单模光纤耦合器的耦合区耦合后输出，经过两路出射光纤向光电转换电路传输两路光信号，所述光电转换电路将接收的两路光信号转换成电信号，再依次经过差分放大电路、滤波电路进入数据采集卡，所述数据采集卡对采集的信号进行模数转化后传输至计算机进行分析处理，以实现对声发射信号的测量。

单模光纤耦合传感器部分的结构如图1所示，包括入射光纤1、出射光纤2、用于应变集中的锥形区3，以及单模光纤耦合器的耦合区4、毛细玻璃管6、固化胶5，其中两路入射光纤1和出射光纤2分别连接在单模光纤耦合器的两端后通过固化胶5封装在所述毛细玻璃管6中，通过固化胶5来封装构成传感器的空气腔，耦合区4(长约2mm，直径约10μm)，两个锥形部分3(每段各约2mm长)，毛细玻璃管6（长约55mm，内径0.5mm，外径0.7mm)封装该耦合器，用固化胶5固定；两束入射光经入射光纤1后在锥形区3进行应变集中后，经过耦合区4进行耦合经出射光纤2输出两路光信号。单模光纤传感器部分在频带20-200KHz内对声发射信号具有良好的响应。

如图3所示，利用单模光纤耦合器接收声发射信号，宽带光源以光信号的形式传输到单模光纤耦合器，V1和V2分别为单模光纤耦合器两个端口的解调输出电压，宽带光源发出的光通过光电二极管接收，对光电转换后的信号进行比较放大，抵消光源输出功率的波动和外界噪声信号对测量结果的影响，经过模数转换处理，然后输入进入计算机进行分析，在计算机上显示波形和数据。

在本发明系统中，光源是用于实现电-光的转换，本发明实例选用的为ASE宽带光源，中心波长为1550nm，波长范围为1520至1620nm，谱宽高达80nm，使得其偏振相关损耗较小等优点，同时又无需复杂的供电电路。对于单模光纤耦合器可以为1×2单模光纤耦合器，分光比为50%，耦合周期为80，属于过度耦合。其中InGaAs半导体PIN光电二极管由于偏置电压低、频率响应高，一级放大电路选用BB公司的OPA111运放，具有低噪声，低偏置电流，高开环增益的特点。

当一个外部的声场作用于制作封装的单模光纤耦合器时，会在单模光纤耦合器的环氧连接端激发出一个内部的声波，这个声波沿着耦合区传播，传播的结果导致应变场沿耦合区的扰动，耦合器两端的锥形区起到应变集中器的作用，在这个区域入射声波的效果被放大。

作为入射声波沿着耦合区传播的结果，且由于应变场在光弹作用和机械作用下变化而使折射率和有效长度发生改变，折射率的明显变化会引起耦合系数C(z)变化，但是，在这种情况下，与有效应变场的变化相比，耦合系数的变化是非常小的，所以，耦合区长度的变化在单模光纤耦合器输出功率的特征上占主导地位，因此，单模光纤耦合器的输出功率可以表示为

$P_1(l,t)=P_0{\cos }^2\left\{{\∫}_0^{l}C\left(z\right)\right[1+\mathrm{\ϵ}(z,t)\left]\mathrm{dz}\right\}---\left(1\right)$

$P_2(l,t)=P_0{\sin }^2\left\{{\∫}_0^{l}C\left(z\right)\right[1+\mathrm{\ϵ}(z,t)\left]\mathrm{dz}\right\}---\left(2\right)$

这里ε(z,t)是由入射声波引起的沿耦合区的动态应变分布，对于一个正弦声波，它可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}(z,t)={\mathrm{\ϵ}}_0\left(z\right)\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}-2\mathrm{\πftr})---\left(3\right)$

这里P₁、P₂和P₀分别是输出光功率和输入光功率。C(z)是沿耦合区(z轴)的耦合系数，l是耦合区的长度，ε(z,t)是由入射声波引起的沿耦合区的动态应变，t为时间，Λ和f分别对应声波的波长和频率，ε₀(z)是有效应变幅度，取决于声功率、耦合区的直径和材料的性质。在窄的耦合区的单模光纤耦合器对声波的扰动更敏感。耦合输出是单模光纤耦合器长度和振动频率的函数，外部的扰动导致两光纤输出端光功率的变化，通过后续电路处理实现对声发射信号的测量。

本发明采用InGaAs半导体PIN光电二极管对光信号进行探测，它偏置电压低、光谱响应宽，频率响应高，光电转换效率高，很好地满足了本系统的要求。PIN光电二极管相当于一个电流源，当其负载阻抗为零时,它的输出特性最好,同时由于光电二极管探测到的光电流信号比较微弱,并且有噪声的影响,通常都在光电二极管的输出端紧密连接一个低噪声前置放大器,一是放大光电二极管所输出的微弱电信号,二是匹配后续电路与光电二极管之间的阻抗。要求放大器具有高速，低噪声，高增益，低输出阻抗，足够的信号带宽和负载能力，良好的线性和抗干扰能力，结构紧凑和良好的接地和屏蔽。并且由于前置放大器对电路的噪声影响很大,同时其产生的噪声将随有用信号一起被二级放大电路放大,因此,前置放大器的精度,稳定度和灵敏度将直接决定整个系统的性能指标,根据系统的要求,选用OPA111设计一级放大电路,OPAlll具有低噪声,低偏置电流,高开环增益的特点。

熔融拉锥的耦合光纤声发射传感器部分分别与ASE宽带光源、光电转换电路部分连接；透射光经过光电转换及滤波装置进行光电信号转换、信号放大、信号滤波处理后变成正负5V范围内的电压信号，数据采集卡采集信号后与嵌入式主板联接，接着是在计算机上进行处理分析。

如图4（a）和图4（b）分别为声发射传感系统对压电陶瓷振动信号为50K和200K赫兹的频谱响应，从图可以发现对该频带内的振动信号有良好的响应。图4（c）为本系统对断铅模拟的声发射信号的频谱响应，可以很好的反映声发射源的频谱值。

因此，本发明的传感系统具有不需用较复杂的机械装置进行增敏和无需考虑外界温度起伏的影响，以及解调成本低，分辨力高，可以根据需要定制不同频带的耦合型声发射传感器部分，有成本低、结构简单不受温度漂移影响的特点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：包括单模光纤耦合传感器部分和信号处理部分，所述单模光纤耦合传感器部分包括：入射光纤（1）、出射光纤（2）、单模光纤耦合器、光源；所述信号处理部分包括：光电转换电路、差分放大电路、滤波电路、数据采集卡、计算机；其中单模光纤耦合器紧固在封装材料内，封装材料和单模光纤耦合器之间通过环氧树脂胶粘剂粘贴；所述光源发出的光通过两路入射光纤进入单模光纤耦合器，所述两路入射光在单模光纤耦合器的耦合区耦合后输出，经过两路出射光纤向光电转换电路传输两路光信号，所述光电转换电路将接收的两路光信号转换成电信号，再依次经过差分放大电路、滤波电路进入数据采集卡，所述数据采集卡对采集的信号进行模数转化后传输至计算机进行分析处理。

2. 根据权利要求1所述基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：所述封装材料为毛细玻璃管（6），环氧树脂胶粘剂为固化胶（5）；所述两路入射光纤（1）和出射光纤（2）分别与单模光纤耦合器（4）的两端连接后，通过固化胶（5）封装在所述毛细玻璃管（6）中；所述单模光纤耦合器分别与两路入射光纤、两路出射光纤（2）连接处形成锥形区（3），所述入射光在锥形区（3）进行应变集中。

3. 根据权利要求1所述基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：所述光源为ASE宽带光源，中心波长为1550nm，波长范围为1520至1620nm，谱宽为80nm。

4. 根据权利要求1所述基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：所述单模光纤耦合器为1×2型单模光纤耦合器，分光比为50%，耦合周期为80。

5. 根据权利要求1所述基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：所述单模光纤传感器部分的频带范围为20-200KHz。

6. 根据权利要求1所述基于单模光纤耦合器的声发射传感系统，其特征在于：所述光电转换电路为PIN光电二极管电路。

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