CN108195943A - 一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统及其监测方法。本发明以光纤布拉格光栅作为声发射传感器代替传统压电谐振式声发射传感器，以可调谐窄带激光器和光电探测器作为光电转换装置，该光纤声发射系统用于聚合物粘结炸药断裂破坏的光纤声发射监测方法，通过以炸药试件三点弯曲断裂破坏试验为例进行监测分析。该光纤声发射系统具有微秒级响应速度，可以准确监测炸药损伤破坏过程内部能量释放量的时间历程，为掌握炸药损伤破坏规律提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统及其监测方法。
背景技术
聚合物粘结炸药是一种温压成型的颗粒粘结结构，在长期储存过程中因其机械强度较低而容易损伤破坏，准确掌握炸药损伤演变规律是揭示复杂炸药颗粒粘结结构损伤机理的基础。现有技术适用于在线监测炸药损伤演变规律的测试方法主要是应力-应变法、数字图像相关法和声发射等。应力-应变法仅适用于规则标准试件的机械载荷破坏；图像相关法仅能观测到试件的表面；声发射能通过材料损伤释放的能量获得炸药的损伤规律。目前声发射监测方法采用的传感器是压电谐振式探头，除了有一定体积和重量外，其传感电信号泄露的可能性影响了炸药的安全使用。
发明内容
[要解决的技术问题]
本发明的目的是针对压电谐振式声发射传感器存在电荷泄漏，在使用其对炸药损伤监测中可能存在的安全隐患问题，提出了一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统及其监测方法。
[技术方案]
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
本发明提出将光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)作为声发射传感器，利用可调谐窄带激光器和光电探测器作为光电转换装置、结合声发射采集卡建立了一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统。
一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，它包括声发射传感器、光电转换装置和信号采集处理器；所述声发射传感器为光纤布拉格光栅；所述光电转换装置是由可调谐窄带激光器和光电探测器组成，所述光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间分别通过光纤连接起来；所述光电探测器通过信号线与信号采集处理器连接。
本发明更进一步的技术方案，光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间设置有一个光纤环行器。
本发明更进一步的技术方案，所述信号采集处理器是有前置放大器和内置采集卡的计算机组成，所述光电探测器通过信号线首先与前置放大器连接，然后前置放大器后利用信号线与内置采集卡的计算机的连接起来。
本发明更进一步的技术方案，所述声发射传感器是无涂覆层、长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅。
本发明中，采用无涂覆层的光纤布拉格光栅，使得光纤布拉格光栅与炸药表面直接接触，能够增强炸药损伤释放的应力波与传感器的耦合效率。本发明采用长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅长度过长会导致敏感传感器区域过大，而影响损伤源的准确识别，长度过小会降低其反射率。
本发明更进一步的技术方案，所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm、反射率≥80％。
炸药损伤释放的应力波导致炸药表面的光纤布拉格光栅的中心波长变化，变化量低于80pm。因此，光纤布拉格光栅的线性区＞80pm即可。反射率低于80％会导致系统接收到的光强信号过弱而无法探测到炸药损伤。
一种利用上述的光纤声发射系统进行聚合物粘接炸药断裂破坏的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)光源参数设置：利用光谱仪测定光纤布拉格光栅的光谱特征，根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量；
(2)标定方法：以光纤布拉格光栅为中心，利用断铅法在炸药表面不同方向上产生声压信号，结合压电谐振式声发射传感器对光纤布拉格光栅声发射传感器进行标定，获得光纤布拉格光栅在炸药表面不同方向上断铅法释放能量的幅值；
(3)炸药损伤检测方法：将光纤布拉格光栅粘贴在炸药表面，调整光源波长，对炸药进行机械载荷破坏，同步启动运行光纤声发射系统，在炸药破坏结束后停止光纤声发射系统。
本发明更进一步的技术方案，在步骤(1)中，所述根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量是设置可调谐窄带激光器发射的光源光谱线宽度小于光纤布拉格光栅线性区约1/4的宽度，中心波长在光纤布拉格光栅反射光谱的线性区内，通过规定该步骤可以提高该系统对炸药损伤应力波的灵敏度。
本发明更进一步的技术方案，在光纤布拉格光栅的环境温度改变后，需要重新利用光谱仪表征光纤布拉格光栅的发射光谱，从而调整可调谐窄带激光器发射的光源光谱的中心波长。
下面将详细地说明本发明。
本发明的光纤声发射传感系统输出的电信号与压电谐振式声发射传感器的输出信号相似，可以通过前置放大器连接计算机中的数据采集卡进行分析。利用断铅法结合压电谐振式声发射传感器对光纤传感器进行对比标定，获得光纤传感器在炸药表面不同方向上测量断铅的幅值大小，要求断铅位置与光纤传感器在同一平面且不同方向的断铅位置与光纤传感器中心距离保持相同。
[有益效果]
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明提出的光纤声发射监测方法已经用于机械载荷下炸药损伤破坏的过程监测。并且该光纤声发射系统具有微秒级响应速度，可以准确监测炸药损伤破坏过程内部能量释放量的时间历程，为掌握炸药损伤破坏规律提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明光纤声发射系统的结构示意图；图中，1为可调谐窄带激光器，2为光纤环行器，3为光电探测器，4为光纤，5为待测试件，6为光纤布拉格光栅，7为信号线，8为前置放大器，9为内置采集卡的计算机；
图2为本发明光纤声发射系统中光纤布拉格光栅反射光谱与可调谐窄带激光器设置特征的示意图；图中，A为可调谐窄带激光器的光谱，B为光纤布拉格光栅的光谱，C为线性区；
图3为本发明光纤声发射系统中声发射传感器在不同方向上的声发射相应特征示意图；
图4为本发明光纤声发射系统中声发射传感器与压电谐振式声发射传感器的安装位置示意图；图中，5为待测试件，6为光纤布拉格光栅，10为压电谐振式声发射传感器，11为载荷点；
图5为本发明三点弯曲试验的监测结果图。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
一种如图1所述的监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，它包括声发射传感器、光电转换装置和信号采集处理器；所述声发射传感器为光纤布拉格光栅6；所述光电转换装置是由可调谐窄带激光器1和光电探测器3组成，所述光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间分别通过光纤4连接起来；所述光电探测器通过信号线7与信号采集处理器连接。光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间设置有一个光纤环行器2。所述信号采集处理器是有前置放大器8和内置采集卡的计算机9组成，所述光电探测器通过信号线首先与前置放大器连接，然后前置放大器后利用信号线与内置采集卡的计算机的连接起来。所述声发射传感器是无涂覆层、长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅。所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm、反射率≥80％。
利用本发明光纤声发射系统进行聚合物粘接炸药断裂破坏的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)光源参数设置：利用光谱仪测定光纤布拉格光栅的光谱特征，根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量；
(2)标定方法：以光纤布拉格光栅为中心，利用断铅法在炸药表面不同方向上产生声压信号，结合压电谐振式声发射传感器对光纤布拉格光栅声发射传感器进行标定，获得光纤布拉格光栅在炸药表面不同方向上断铅法释放能量的幅值；
(3)炸药损伤检测方法：将光纤布拉格光栅粘贴在炸药表面，调整光源波长，对炸药进行机械载荷破坏，同步启动运行光纤声发射系统，在炸药破坏结束后停止光纤声发射系统。
所述根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量是如图2所示设置可调谐窄带激光器发射的光源光谱线宽小于光纤布拉格光栅线性区约1/4的宽度、中心波长在光纤布拉格光栅反射光谱的线性区内。在光纤布拉格光栅的环境温度改变后，需要重新利用光谱仪表征光纤布拉格光栅的发射光谱，从而调整可调谐窄带激光器发射的光源光谱的中心波长。
利用断铅法结合美国物理声学公司生产、型号为R15的压电谐振式声发射传感器对光纤声发射传感器进行对比标定，获得光纤声发射传感器在炸药表面不同方向上测量断铅的幅值大小，要求断铅位置与光纤声发射传感器在同一平面且不同方向的断铅位置与光纤声发射传感器中心距离保持相同。本发明优选将两者距离选为40mm，每相邻方向夹角为22.5°，压电谐振式声发射传感器在光纤传感器附近同时监测不同方向位置的断铅响应，监测结果如图3所示。
以三点弯曲试验为例，选取尺寸为9mm×18mm×80mm的长方体炸药待测试件5进行机械载荷破坏试验。将FBG和压电谐振式声发射传感器10固定在待测炸药试件的18mm×80mm面，一并放在跨度为72mm的三点弯曲载荷台上，传感器与试件的安装位置示意图如图4所示，图中的三个黑色圆点为载荷点11。利用电子材料力学试验机对炸药试件进行低速率载荷破坏试验，光纤声发射系统与试验机同步启动运行直至试件破坏结束，记录试验过程试件释放能量的时间和幅值。监测炸药三点弯曲破坏释放能量的典型结果见图5，图5的结果证明该系统能够与美国物理声学公司商用声发射系统相同地监测到炸药三点弯曲载荷损伤状况。
综上，光纤声发射监测系统能够准确监测到炸药损伤断裂，在时间尺度上可以精确到微秒级，为掌握炸药损伤破坏规律提供数据支撑。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (8)
1.一种监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，其特征在于它包括声发射传感器、光电转换装置和信号采集处理器；所述声发射传感器为光纤布拉格光栅；所述光电转换装置是由可调谐窄带激光器和光电探测器组成，所述光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间分别通过光纤连接起来；所述光电探测器通过信号线与信号采集处理器连接。
2.根据权利要求1所述的监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，其特征在于光纤布拉格光栅与可调谐窄带激光器和光电探测器之间设置有一个光纤环行器。
3.根据权利要求1所述的监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，其特征在于所述信号采集处理器是有前置放大器和内置采集卡的计算机组成，所述光电探测器通过信号线首先与前置放大器连接，然后前置放大器后利用信号线与内置采集卡的计算机的连接起来。
4.根据权利要求1所述的监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，其特征在于所述声发射传感器是无涂覆层、长度在9～11mm范围内的光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求4所述的监测炸药损伤破坏过程的光纤声发射系统，其特征在于所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm、反射率≥80％。
6.一种利用权利要求1～5任意一项所述的光纤声发射系统进行聚合物粘接炸药断裂破坏的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)光源参数设置：利用光谱仪测定光纤布拉格光栅的光谱特征，根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量；
(2)标定方法：以光纤布拉格光栅为中心，利用断铅法在炸药表面不同方向上产生声压信号，结合压电谐振式声发射传感器对光纤布拉格光栅声发射传感器进行标定，获得光纤布拉格光栅在炸药表面不同方向上断铅法释放能量的幅值；
(3)炸药损伤检测方法：将光纤布拉格光栅粘贴在炸药表面，调整光源波长，对炸药进行机械载荷破坏，同步启动运行光纤声发射系统，在炸药破坏结束后停止光纤声发射系统。
7.根据权利要求6所述的聚合物粘接炸药断裂破坏的检测方法，其特征在于在步骤(1)中，所述根据测量的光谱特征设置可调谐窄带激光器的波长和输出能量是设置可调谐窄带激光器发射的光源光谱线宽＜光纤布拉格光栅线性区宽度的1/4、中心波长在光纤布拉格光栅反射光谱的线性区内，并且可调谐窄带激光器发射的光源光谱中心波长幅值＞光纤布拉格光栅的中心波长幅值。
8.根据权利要求7所述的聚合物粘接炸药断裂破坏的检测方法，其特征在于在光纤布拉格光栅的环境温度改变后，需要重新利用光谱仪表征光纤布拉格光栅的发射光谱，从而调整可调谐窄带激光器发射的光源光谱的中心波长。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109374682A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-02-22 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 一种脆性材料起裂时间的监测装置 |
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| CN108195943B (zh) | 2023-11-03 |
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