CN105136909B - 一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统，其目的在于减小或消除环境温度变化对系统的干扰，提高系统稳定性和检测精度，并实现多通道测量。所述传感解调系统包括传感部分和解调部分，其中，传感部分主要由待测样件和与之耦合的光纤光栅组成；解调部分包括阵列波导光栅、光电转换器、放大器、采集卡和上位机分析软件。本发明主要用于结构件健康的实时监测和无损检测，相比于传统的窄带光源功率型光纤光栅声发射系统，突破了“单光源—单传感器”的通道限制，实现了“单光源—多传感器”的系统扩展，通过差分法减小或消除了温度干扰，提高了检测精度。本发明所提供的多通道传感解调系统，可以大幅降低设备成本，适用于大规模工程应用。
Description
技术领域
本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统。
背景技术
在外界因素(温度、载荷、压力、磨损等)作用下，材料的内部可能会发生细微的断裂，并释放弹性能，弹性能在材料中以弹性波的形式传播，该弹性波被称为声发射波。材料内部的此类不可见缺陷将成为工程结构中的隐患，缺陷累积所造成的结构整体或局部的突发性失效会导致严重的安全问题，尤其存在于航空航天、交通运输、机械加工等领域。因此，及时准确地监测结构件的健康状态，对于确保安全生产、提高系统可靠性和稳定性、减少不必要的损失和成本具有重要的现实意义。
由于光纤本身的光敏特性，光纤光栅的纤芯在受到轴向力的作用时，折射率将发生变化，当宽带光入射到光纤光栅中时，满足布拉格波长的窄带光会被反射回来，其他波长的光则通过光纤透射出去，实质上是一个带宽较窄的带阻滤波器和一个反射镜。光纤光栅在耐腐蚀、抗氧化、抗电磁干扰、灵敏度、绝缘性等方面具有优良的特性，低成本和低应用门槛使光纤光栅广泛应用于航空航天、地质勘探、路桥建设、天然气运输等领域。
传统的无损检测方法为压电陶瓷声发射检测法。该方法技术纯熟，操作简单，但系统庞大，线缆众多，抗电磁干扰能力差，而基于光纤布拉格光栅的声发射检测系统在保证了较高的灵敏度和测量精度的同时，克服了压电陶瓷的上述缺点，越来越广泛地应用于机床、航空航天等领域。现有的光纤光栅声发射检测系统一般采用可调谐激光器切割光纤光栅线性区的功率解调方法，该方法的缺陷在于：由于光纤光栅中心波长受温度影响较大，每次检测都需要事先寻找3dB线性区，操作繁琐；每套系统只能实现对单个光纤光栅的检测，即“单光源—单传感器”系统，成本较高，不利于维护。“单光源—多传感器”(即多通道)检测系统可以很好地弥补上述不足，因此将成为光纤光栅声发射检测系统未来的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于，克服已有的技术局限，改进光纤布拉格光栅在声发射检测领域单通道的应用现状，提供了一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统，该系统能够减小或消除环境温度变化对系统的干扰，提高系统稳定性和检测精度，并实现多通道测量。
本发明采用的技术方案为：一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统，将ASE宽带激光器通过光环形器与光纤布拉格光栅传感器网络相连，ASE宽带激光器产生的宽带光入射到光纤布拉格光栅传感网络，待测结构件在外界作用下，产生声发射信号，光纤布拉格光栅传感网络接收声发射信号，转化成光信号反射至光环形器，进入阵列波导光栅，由光电转换器转换成电信号，经信号放大器进行放大，通过数据采集卡传输至上位机，以进行后续处理。
进一步的，ASE宽带激光器产生的宽带光，经过光纤布拉格光栅传感网络时，只有相应波长的光会被反射回来；当外界作用到达待测结构件时，会在结构件内部产生微裂纹，并伴随声发射信号的产生，当该信号在待测结构件中传播，到达光纤布拉格光栅传感网络时，会引起光纤光栅中心波长的漂移，产生调制光信号；调制光信号返回至阵列波导光栅，由于阵列波导光栅的分光作用，波长调制光信号转换为功率调制光信号；调制信号经光电转换器转换为电信号，通过信号放大器进行放大，由数据采集卡采集输入至上位机，进行分析处理。
进一步的，ASE宽带激光器光源为C带宽波段通信光；阵列波导光栅为温度可控型。
进一步的，光电转换器为差分输入型光电转换器，能够滤除信号中的直流分量，该直流分量由外界扰动(温度等)引起。
本发明与现有技术相比的优点在于：该系统突破了现有的“单光源—单传感器”模式的检测系统，实现了“单光源—多传感器”模式的系统扩展，使组网式声发射检测成为现实；检测信号的差分输入无需额外的温度补偿，因此无需对光纤光栅传感器进行温度标定，即可减小或消除外界温度扰动，简化了应用系统，提高了检测精度；单一光源串联多个光纤光栅传感器的运作模式，可以大幅降低设备成本，适用于大规模工程应用。
附图说明
图1为基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统示意图；图中：1为ASE宽带光源；2为光环形器；3为光纤布拉格光栅传感器网络；4为待测结构件；5为阵列波导光栅；6为光电转换器；7为信号放大器；8为上位机数据采集系统。
图2为某波长光纤光栅反射谱与阵列波导光栅反射谱。
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，本发明所述的基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统，包括“传感”和“解调”两部分。其中，传感部分通过与待测结构件4表面相耦合的光纤布拉格光栅传感器网络3实现；解调部分包括阵列波导光栅5、光电转换器6、信号放大器7和上位机采集系统8。具体实施如下：ASE激光器光源1输出的宽带光，经过光环形器2到达光纤光栅传感器网络3，光纤光栅传感器网络3中的各个传感器的中心波长均不相同，只有与各个光纤光栅中心波长相匹配的特定波长窄带光被反射回来；每个特定波长的反射光经光环形器2进入阵列波导光栅5后，会被分配到相应波长位置的相邻两通道输出，如图2所示，图2中左边曲线是阵列波导光栅5第n个通道CHn的响应谱线，中间曲线是某特定波长的光纤光栅传感器响应谱线，右边曲线是阵列波导光栅5第n+1个通道CHn+1的响应谱线，阵列波导光栅5两个通道的输出功率正比于原反射光与阵列波导光栅5某通道中心波长重叠部分面积；输出光经过差分光电转换器6转换成电信号，再经过信号放大器7进行信号放大，由采集卡将放大后的信号传输至上位机系统8。
当外界作用(载荷、应力等)施加于待测结构件4，使待测结构件4的内部产生微裂纹时，会伴随声发射信号的输出。该声发射信号以弹性波的方式在待测结构件4中传播，在被光纤光栅传感器网络3接收到时，引起光栅栅区的变化；由于弹光效应，光纤光栅栅区的折射率也随之变化，使光纤光栅的中心波长发生漂移。该信号将以上述方式输出至上位机采集系统，进行后续数据分析处理。
光纤光栅传感器网络3中的各个传感器位于同一温度场，由温度引起的波长漂移将混入阵列波导光栅5中，反应在光电转换器上为基本稳定的直流分量；由外界作用(载荷、应力等)引起的光纤光栅中心波长的漂移，反应在光电转换器上为相位翻转的交流信号。由于光电转换器6的差分作用，阵列波导光栅5输出信号的直流分量相互抵消，交流分量相互叠加，减小或消除了外界温度的干扰。
阵列波导光栅5为有热型阵列波导光栅，通道间隔为100GHz，16通道输出，可使用内部加热器改变阵列波导的温度，使阵列波导光栅5的输出通道的中心波长做偏移调整。调节阵列波导光栅5的温度控制，使光电转换器6的输出归零，此时特定波长的反射光谱恰好位于阵列波导光栅5的两相邻输出通道的中心位置，温度引起的直流分量完全抵消。
光电转换器6，将阵列波导光栅5输出的光信号转换成电信号。该光信号具有较大带宽，经过反射、传导、分光等，光功率损耗较大，信号微弱，并且需要滤除信号中的直流分量，故此处需采用宽频带、高信噪比、高转换速率的差分式光电转换器。
后期信号处理在上位机中完成，包括A/D转换、采集、数学分析等。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域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)
1.一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统，其特征在于：将ASE宽带激光器(1)通过光环形器(2)与光纤布拉格光栅传感器网络(3)相连，ASE宽带激光器(1)产生的宽带光入射到光纤布拉格光栅传感网络(3)，待测结构件(4)在外界作用下，产生声发射信号，光纤布拉格光栅传感网络(3)接收声发射信号，转化成光信号反射至光环形器(2)，进入阵列波导光栅(5)，由光电转换器(6)转换成电信号，经信号放大器(7)进行放大，通过数据采集卡传输至上位机(8)，以进行后续处理；
其中ASE宽带激光器(1)产生的是宽带光；
所述ASE宽带激光器(1)光源为宽带通信光，阵列波导光栅(5)为温度可控型；
光电转换器(6)为差分输入型光电转换器，能够滤除信号中的直流分量，该直流分量由外界扰动引起；
具体实施如下：ASE激光器光源(1)输出的宽带光，经过光环形器(2)到达光纤光栅传感器网络(3)，光纤光栅传感器网络(3)中的各个传感器的中心波长均不相同，只有与各个光纤光栅中心波长相匹配的特定波长窄带光被反射回来；每个特定波长的反射光经光环形器(2)进入阵列波导光栅(5)后，会被分配到相应波长位置的相邻两通道输出，输出光经过差分光电转换器(6)转换成电信号，再经过信号放大器(7)进行信号放大，由采集卡将放大后的信号传输至上位机系统(8)；
阵列波导光栅(5)为有热型阵列波导光栅，通道间隔为100GHz，16通道输出，可使用内部加热器改变阵列波导的温度，使阵列波导光栅(5)的输出通道的中心波长做偏移调整，调节阵列波导光栅(5)的温度控制，使光电转换器(6)的输出归零，此时特定波长的反射光谱恰好位于阵列波导光栅(5)的两相邻输出通道的中心位置，温度引起的直流分量完全抵消。
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