CN113533497A

CN113533497A - 一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统及缺陷诊断方法

Info

Publication number: CN113533497A
Application number: CN202110822147.9A
Authority: CN
Inventors: 魏鹏; 王章玮; 袁海文; 吕建勋; 刘颖异
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-21
Also published as: CN113533497B

Abstract

本发明提供了一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统及缺陷诊断方法，包括：保偏光纤环声发射传感器，保偏光源，第一保偏光纤耦合器组、第二保偏光纤耦合器组、声光调制器组、高频驱动源、混频器组、滤波器组、采集卡及工业测控计算机。本发明属于无损检测领域的声发射探测技术，可以在液氮、液氧、液氢等环境中实时、在线、远距离测量气瓶加压和保压过程中内部产生的声发射信号，并根据检测到的声发射信号对气瓶的缺陷进行诊断和分级，填补了常规无损检测技术无法在线检测和传统压电陶瓷声发射传感器无法在极低温和强腐蚀环境中检测的空白。

Description

一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统及缺陷诊断方法

技术领域

本发明属于声发射无损检测技术领域，具体涉及一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统及缺陷诊断方法。

背景技术

气瓶是航空航天、化工生产和运输的关键部件，用于贮存液体、气体等介质并承载一定的压力，实现动力推进、压力供给等功能，对航空航天、化工生产系统等的性能、可靠性和寿命有着举足轻重的影响。由于目前技术原因气瓶在实际的生产制造过程中，其材料自身的性能影响或者生产制造过程不够严密等因素会导致气瓶存在一些缺陷，使得其在实际使用时不能达到理想的工作状态，因此通过模拟航空航天、极端温度下化工产生的环境，检验气瓶的结构健康状况，排除气瓶因为缺陷而带来的断裂等隐患极其重要。

局域源能量快速释放而产生的瞬态弹性波为声发射波。实际工作中，在气瓶加压和保压过程中，其内部缺陷会由于应力作用扩展而产生声发射波。声发射波信号是一种微弱信号，需要借助高灵敏的设备检测。研究气瓶内部声发射波的检测方法，就是用声发射检测设备探测、记录、分析声发射波信号并利用信号的特征对气瓶缺陷进行诊断。

涡流检测、超声检测、磁粉检测等传统无损检测方法不能实时获取气瓶在加压和保压过程中缺陷的动态信息，无法实现缺陷的在线监测。声发射检测技术可以实现对气瓶内缺陷的实时监测，然而现有声发射检测技术普遍使用压电陶瓷声发射传感器，其中的敏感元件压电晶体无法工作在气瓶极低温和强腐蚀的环境中，因此，利用声发射技术的极端环境下气瓶缺陷的检测系统及缺陷诊断方法尚属空白。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于针对现有声发射检测技术不能在极低温和强腐蚀条件下检测气瓶缺陷的技术空白，提供一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统及缺陷诊断方法，本发明设备简单，成本较低，可以实现在气瓶保压、加压实验和实际工作中，对其内部缺陷进行在役实时和连续监测，并基于声发射检测结果对缺陷程度进行分级，设备灵敏度高、稳定性好，能够正常工作在极低温和强腐蚀的极端环境，诊断结果对气瓶的安全可靠使用具有重要的指导意义。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统，包括：保偏窄带光源，第一保偏光纤耦合器组、第二保偏光纤耦合器组、声光调制器组、高频驱动源、混频器组、滤波器组、采集卡及工业测控计算机。保偏光源接第一保偏光纤耦合器组的一组输入端，第一保偏光纤耦合器组的一组输出端连接声光调制器组的输入端，与参考保偏光纤环组共同构成干涉仪的参考臂；第一保偏光纤耦合器组的另一组输出端连接传感保偏光纤环组的输入端，构成干涉仪的传感臂；第二保偏光纤耦合器组的一组输入端连接传感保偏光纤环组的输出端，第二保偏光纤耦合器组的另一组输入端连接参考保偏光纤环组的输出端，第二保偏光纤耦合器组的一组输出端连接光电探测器组的输入端，光电探测器组的输出端连接混频器组的输入端，混频器由高频驱动源驱动；混频器组的输出端连接滤波器组的输入端；滤波器组的输出端连接到采集卡及工业测控计算机。

进一步的，所述窄带光的中心波长为1550nm，带宽小于0.2nm，输出功率≥100mW，输出光为线偏振光，输出光功率长期稳定度为±0.02dB；受光电转换模块的输入光功率的限制，光源输出光功率分配到每一路光纤环传感器的功率大小不能超过10mW。

进一步的，所述声光调制器组由高频驱动源驱动，使光纤中传输的光信号在其中产生固定频率的频移，移至更高频段，然后接入光纤环声发射传感器。

进一步的，所述混频器组由高频驱动源驱动，利用信号解调技术，实现从高频载波信号中，提取光纤环声发射传感器拾取到的声发射信号。

进一步的，本发明所述的光纤环声发射传感系统各部件均使用保偏器件。由于液氮、液氧、液氢等极端环境下加压和保压过程存在爆炸危险，因此信号解调系统应当与敏感元件之间保持足够大的安全距离，为了确保相位调制后的光信号在长距离传输中不受光纤内部应力和宏弯等的影响，导致偏振态的改变，干涉仪光路的各部件均使用保偏器件，确保光纤环声发射检测系统的灵敏度不受偏振态的变化而出现波动。

另外，本发明提供一种极端环境中气瓶缺陷诊断方法：1)在气瓶上布置多路保偏光纤环声发射传感器，利用本发明所述的保偏光纤环声发射传感系统采集的声发射信号，2)提取单次声发射事件的幅值、能量和位置信息，并与气瓶的压力状态相结合分析，得出三个用于气瓶缺陷程度分级的关键指标：高幅值声发射事件占比、声发射事件定位集中度和保压声发射事件计数，3)基于上述指标将气瓶内部缺陷按严重程度分为三级：I级(无缺陷)、II级(可能存在缺陷)和III级(明显存在缺陷)。

本发明与现有技术相比的优点在于：传统无损检测方法无法监测气瓶内部压力变化全过程中的缺陷动态信息，无法满足气瓶内部缺陷实时监测的需要；现有的声发射信号检测方法由于压电陶瓷传感器中敏感元件不耐低温和易受腐蚀的特性，无法用于气瓶的声发射信号检测，限制了声发射检测技术在气瓶健康监测领域的应用。本发明相对于传统无损检测方法和压电陶瓷声发射检测方法，兼具在线连续监测和可以工作在极端环境中的双重优势，这使得声发射检测技术应用于气瓶检测成为可能。本发明在提出极低温、强腐蚀条件下声发射检测系统的同时，还给出了针对检测系统的缺陷分级方法，使得检测结果对工程实践更具有指导意义。

附图说明

图1为本发明涉及到的声发射检测系统结构框图。

图中：1、保偏光源，2、第一保偏光纤耦合器组，3、参考保偏光纤环组，4、声光调制器组，5、传感保偏光纤环组，6、高频驱动源，7、第二保偏光纤耦合器组，8、光电探测器组，9、混频器组，10、滤波器组，11、采集卡及工业测控计算机。

图2是本发明涉及到的检测方案和传感器布置方法示意图。

图中：1为气瓶，2为气瓶焊缝，3和4为压力注入端和压力释放端，5、6、7和8为布置在气瓶上的保偏光纤环声发射传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。应当理解，此处描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述的基于干涉仪的扭力轴多通道声发射检测系统包括：1、保偏光源，2、第一保偏光纤耦合器组，3、参考保偏光纤环组，4、声光调制器组，5、传感保偏光纤环组，6、高频驱动源，7、第二保偏光纤耦合器组，8、光电探测器组，9、混频器组，10、滤波器组，11、采集卡及工业测控计算机；保偏光源1发出的线偏振光进入第一保偏光纤耦合器组2，50％的光从一组输出端进入由高频驱动源6驱动的声光调制器组4的输入端，与参考保偏光纤环组3一起构成干涉仪的参考臂，另外50％的光经另一组输出端进入传感保偏光纤环组5的输入端，此为干涉仪的传感臂，感受气瓶上由于加压和保压，加工缺陷扩展产生的声发射信号；从传感保偏光纤环组和参考保偏光纤环组出来的线偏振光，在第二保偏光纤耦合器7组内两两发生干涉；发生干涉后的光进入光电探测器组8转换为电信号；电信号在由高频驱动源6驱动的混频器组9进行解调，得到声发射信号；在经过滤波器组10的带通滤波，获得去噪后的声发射信号；去噪后的声发射信号经采集卡处理后，最后在工业测控计算机11上显示。

如图2所示，在气瓶垂直于焊缝的大圆平面上等距均匀布置4路保偏光纤环声发射传感器，传感器用铜丝可靠固定在气瓶表面。

当气瓶内部产生声发射信号时，粘贴在其表面的传感臂保偏光纤环传感器接收声发射信号，声压改变光纤的长度引起部分相移，又由于声压对光纤产生光弹效应，这就导致了其光波的相位受到调制，相位调制的大小与声压的大小有关，这路光与经过参考臂的相位调制器的光发生干涉，经过光电探测器后转换成强弱变化的电流信号，经混频器解调后送入带通滤波器中，通过滤波器的信号，经过信号分析与处理，得到的就是检测到的声发射信号。

下面给出三种缺陷分级指标的概念和具体计算方法。

1)高幅值声发射事件占比p

声发射事件的幅值与材料中声发射源的强度有直接关系，幅度分布与材料的形变机制有关。对于气瓶，幅度分布中高幅度声发射事件的个数多少，表征了加压过程中气瓶出现破坏性结构损伤的多少，进而判定气瓶的缺陷程度。通常情况下，气瓶的声发射检测中，噪声阈值设置为40dB，我们认为信号幅值超过80dB为高幅值声发射事件，其出现意味着气瓶内部存在不可忽略的缺陷，出现了较为明显的结构破坏。

记气瓶检测加压过程中，记录到的声发射事件总数为，其中幅值高于80dB的声发射事件个数为，则高幅值声发射事件占比

2)声发射事件定位集中度σ

使用多通道光纤环声发射传感系统，可以利用时差定位的方法确定声发射事件发生的位置信息。声发射事件被密集地定位到某一区域，意味着这一区域声发射事件活动强烈，材料内部结构变化剧烈，很有可能存在内部缺陷或损伤。

记录气瓶在加压过程中产生的所有声发射事件的位置信息，对所有声发射事件的定位点进行聚类分析：

根据各定位点间的距离，利用高斯核函数计算各定位点处的局部密度

其中，d_c为截断距离。

计算所有定位点到相邻高密度点的最小距离，对于局部密度最高的点：

δ_i＝max_j(d_ij)

对于非局部密度最高的点：

给定局部密度阈值ρ_min和距离阈值δ_min，对于定位点i，若满足ρ_i＞ρ_min且δ_i＞δ_min，则认为该点为定位集中点，将所有定位集中点中局部密度最大的点对应的局部密度与平均局部密度之比作为声发射事件定位集中度σ，即

其中，

局部密度阈值ρ_min和距离阈值δ_min需要根据所有定位点局部密度和距离的分布确定。

3)保压声发射事件计数N_p

气瓶在保压过程中，各部分所受应力基本不发生变化，若在此过程中光纤环声发射传感系统检测到了声发射事件，则说明气瓶内部某处出现了缺陷或损伤的失稳扩展。这将严重危害气瓶的安全使用。

定义保压过程中，检测到的声发射事件的个数为保压声发射事件计数N_p。

根据上述分析，对气瓶使用高幅值声发射事件占比、声发射事件定位集中度和保压声发射事件计数三个分级指标，进行缺陷程度分级。确定各缺陷等级的分级阈值，如表所示。

具体判定方法为：

1)全部三个分级指标判据中有两个达到III级阈值的，可以判定为III级缺陷等级；

2)全部三个分级指标判据中没有两个达到III级级阈值，但有两个达到II级阈值的，可以判定为II级缺陷等级；

3)全部三个分级指标判据中没有两个达到II级阈值的，可以判定为I级缺陷等级。

本发明未公开的技术内容属于本技术领域的公知技术。

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

1.一种极端环境中气瓶声发射信号的检测系统，其特征在于，包括：保偏光源(1)、第一保偏光纤耦合器组(2)、参考保偏光纤环组(3)、声光调制器组(4)、传感保偏光纤环组(5)、高频驱动源(6)、第二保偏光纤耦合器组(7)、光电探测器组(8)、混频器组(9)、滤波器组(10)和采集卡及工业测控计算机(11)。

本发明采用结构独创的保偏光纤环声发射传感器，作为极端环境中拾取气瓶上声发射信号的敏感元件。参考保偏光纤环组(3)和传感保偏光纤环组(4)中包括若干结构相同的光纤环声发射传感器，传感器骨架材料为低温性能好、耐腐蚀的高分子聚合物材质，骨架上缠绕保偏单模光纤，光纤使用胶水可靠粘贴在骨架表面。传感保偏光纤环与参考保偏光纤环成对使用，传感保偏光纤环使用时用粘性高、耐低温和耐腐蚀的耦合剂可靠粘贴在气瓶表面，并使用紧固装置固定，参考保偏光纤环置于无振动干扰的环境中。

将光纤干涉仪传感技术应用于气瓶声发射检测，可以使得传感系统检测到气瓶在液氮、液氧、液氢等极低温和强腐蚀环境中加压、保压等过程产生的声发射信号，实现在极端状态下的在线监测。由于光纤环声发射传感器低温性能优越、化学性质稳定，可以突破现有压电陶瓷声发射传感器不能在极低温和强腐蚀条件下工作的限制，填补了现有声发射检测技术的空白，为气瓶健康监测提供重要的技术支持。

2.一种极端环境中气瓶缺陷诊断方法，利用权利要求1所述的极端环境中气瓶声发射信号的检测系统，其特征在于：1)在气瓶上布置多路保偏光纤环声发射传感器，利用本发明所述的保偏光纤环声发射传感系统采集的声发射信号，2)提取单次声发射事件的幅值、能量和位置信息，并与气瓶的压力状态相结合分析，得出三个用于气瓶缺陷程度分级的关键指标：高幅值声发射事件占比、声发射事件定位集中度和保压声发射事件计数，3)基于上述指标将气瓶内部缺陷按严重程度分为三级：I级(无缺陷)、II级(可能存在缺陷)和III级(明显存在缺陷)。