CN113552221B - 光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计方法。光纤环声发射传感器中，单模光纤紧密绕制在回转体形状的骨架上，通过骨架接收声发射信号，进而改变光纤内传输的光相位实现对声发射信号的检测。建模方法建立了光纤内传输的光相位改变量与光纤环声发射传感器接收到的任意波形声发射波幅值、频率之间的定量关系。本发明提出一种通过改变回转体骨架形状，提高传感器灵敏度和设计光纤环声发射传感器频率响应特性的一般方法，给出了根据检测需要设计专门适用的光纤环声发射传感器的技术路线。

Description

光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计 方法

技术领域

本发明属于声发射无损检测技术领域，具体涉及一种光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计方法。

背景技术

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤可以通过弹光效应、热光效应、光散射等机理，敏感外部环境中的物理参数，包括液位、距离等几何量，应力、应变等力学量，电磁学物理量、化学与生化参量和声学参量等。相较于目前广泛使用的以电信号为传输信号的电类传感器，光纤传感器体积更小、重量更轻，具有结构紧凑、抗电磁干扰、耐腐蚀等显著优势，在工程应用方面前景广阔。

局域源能量快速释放而产生的瞬态弹性波为声发射波。声发射波的来源十分广泛，材料变形与裂纹扩展，流体泄露、摩擦、撞击、燃烧等过程都可以产生声发射波。声发射波信号需要使用专门的声发射传感器和声发射检测系统，完成信号的拾取、传输和采集工作。通过检测声发射波信号，获取幅值、频率、能量等信号特征，可以动态实时监测被测对象内部声发射事件程度、位置等信息，进而指导被测对象的状态评估、缺陷诊断等工作。

现有声发射检测技术采用压电陶瓷声发射传感器，使用铌酸锂等压电陶瓷晶体材料制作敏感元件。压电陶瓷晶体收到声发射波的压力作用发生形变，由于压电效应，在其表面产生自由电荷。可以通过测量压电陶瓷晶体表面的电荷大小，获取声发射波信号。常用的声发射传感器主要分为谐振式和宽频带两种，使用多个不同厚度的压电晶体或采用凹球面形与楔形压电元件，可以制作出频率特性满足需要的压电陶瓷声发射传感器，但灵敏度会明显降低。压电陶瓷晶体不耐腐蚀，且无法工作在极端温度环境中，无法克服电磁干扰敏感的缺陷。上述这些问题导致现有的声发射技术应用受限，技术发展遇到瓶颈。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于针对现有压电陶瓷声发射传感器无法应用于极端环境的技术缺陷，提供一种光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计方法。本发明敏感机理清楚，首次提出采用改变回转体骨架形状，设计光纤环声发射传感器频率响应特性的方法。为根据不同工程应用需要，设计专门适用的多型号声发射传感器，提供了理论依据和方法指导。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种光纤环声发射传感器动态建模方法及其频率响应特性设计方法，包括：给出一种回转体形状骨架的光纤环声发射传感器动态建模方法，建立光纤内传输的光相位改变量与光纤环声发射传感器接收到的任意波形声发射波幅值、频率之间的定量关系。在此基础上给出光纤环声发射传感器频率响应特性的设计方法：首先确定被测对象产生的声发射信号频率范围和测量灵敏度要求，其次按照光纤环声发射传感器动态建模方法设计满足指标要求的传感器骨架参数，最后依据设计结果加工传感器并在标准条件下校准，验证其满足测量要求。设计方法流程图如图2所示。

进一步的，声发射信号的归一化动态灵敏度受到骨架半径随高度的变化规律、骨架高度等参数的影响，动态归一化灵敏度

进一步的，所述单模光纤选用抗弯折光纤，考虑到理论上对于各种频率的声发射信号，传感器的动态灵敏度正比于光纤绕制长度，光纤绕制长度可以根据测量灵敏度需求设计，一般不小于15m。应当注意的是，由于窄带光在光纤中的传输损耗随着传输距离的增加而增大，且较长绕制长度的光纤环声发射传感器制作难度较大，光纤绕制长度不能太长。

进一步的，所述传感器骨架为回转体形状，上下底面平整，骨架内无缺陷，侧面充分光滑。为减小光纤绕制部分的宏弯损耗，骨架各处截面半径应不小于10mm，骨架高度需要考虑使用空间要求和光纤绕制长度。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的声发射检测技术使用的压电陶瓷声发射传感器，一方面，应用场合局限性大，既无法使用在极端环境中，也非本质安全、不适合在易燃易爆等危险场合使用，还易受电磁干扰、无法工作在强电磁场环境中；另一方面，谐振式压电陶瓷声发射传感器频率响应范围，而宽频式压电陶瓷声发射传感器加工复杂、灵敏度较低。本发明提出光纤环声发射传感器相对压电陶瓷声发射传感器具有更高的灵活性和环境适应性，可以填补压电陶瓷应用领域的空白；光纤环声发射传感器的频率响应特性可以通过改变骨架形状而调整，满足各种被测对象的需求，实现简单、灵活度高。

附图说明

图1为本发明涉及的新型光纤环声发射传感器结构示意图。

图中：1为光纤输入端，2为光纤输出端，3为传感器骨架，4为抗弯折单模光纤。

图2为本发明涉及的通过改变骨架形状提高传感器灵敏度和设计传感器频率响应特性的技术路线。

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，本发明所述的一种新型光纤环声发射传感器及其机理建模方法包括：1、光纤输入端，2、光纤输出端，3、传感器骨架，4、抗弯折单模光纤；窄带光通过光纤输入端1进入光纤环声发射传感器；当被测对象中产生声发射波信号时，声发射波信号通过传感器骨架传导至绕制光纤环上，光纤环感受到声发射波信号，其内部传输的光相位发生改变；经过相位调制的光信号从光纤输出端2引出解调。以下给出动态灵敏度建模方法的详细建模过程：

建立如图1所示柱坐标系，形状为回转体的传感器骨架上紧密缠绕着光纤，建立图示柱坐标系，记骨架平行于上下表面的截面半径ρ随截面位置z的变化规律为ρ(z)，ρ(z)可以用来描述回转体骨架形状。

设有一简谐变化的声发射信号P垂直作用在传感器下表面上，其幅值为P₀，角频率为ω，即 P＝P₀cosωt，忽略光纤绕制一圈在骨架轴向上产生的位移，以距离下底面为z的一圈光纤环段为研究对象，其相位变化量

Δφ_i＝βΔL_i+Δβ_iL_i＝Δφ_i1+Δφ_i2 (1)

式中，β是光纤的传播常数，L_i＝2πρ(z)为光纤环段的长度，ΔL_i为光纤环段长度的变化，Δβ_i为光纤传播常量的变化。第一项Δφ_i1为声发射信号作用于光纤环段声发射传感器后，引起的相位变化量，由两部分组成：一是声发射波通过光纤环骨架传导至光纤环段引起的相位变化，二是声发射波引起传感器骨架边缘变形，产生微小位移，从而使光纤环段长度发生变化引起相位变化。

当光纤环段受到骨架传来的大小为σ_i0的径向应力时，设D为光纤直径，忽略相邻绕制的光纤环段之间的相互作用并假设ρ＞＞D，光纤环段纤轴上一点的应力状态可以表示为

在此应力状态下，光纤环段内光波的相位变化可以表示为

式中，ΔL_i1为声发射波直接作用于光纤环段引起的长度变化；ΔL_i2为骨架边缘产生位移引起的光纤环段长度变化，E为光纤的弹性模量，为光纤环段沿轴方向应变。

记位移分量分别为u_ρ，w，则ΔL_i2的表达式为

ΔL_i2＝2πu_ρi (4)

式中，u_ρi为光纤环段上每点的径向位移。为了求解骨架在底面受到简谐声压时的位移分布情况，运用弹性力学理论，可知应力分量及位移分量的表达式为

根据弹性波传播理论，骨架内一点处声压大小满足

其中，为纵波在骨架中的传播速度。代入式(4)中，得到骨架边缘产生位移引起的光纤长度变化

光纤受到的径向正应力与骨架侧面的正应力大小相等，即σ_i0＝σ_ρi。因此，结合式(3)和式(7)，得到Δφ_i1表达式为

式(1)中的第二项Δφ₂则为由于受到声发射波作用，光纤传播常量变化引起的相位变化，取决于光纤折射率的改变和纤芯直径的变化，所以Δφ₂可以表示为

式中，β可以表示为n_effk₀，n_eff为光纤有效折射率，k₀为自由空间光传播系数，ΔD为光纤直径的变化，由于受声发射波影响的折射率变化很小，大约在1％以内，因此可将β表示为nk₀，可得

由应变-光学效应可知

式中，p_ij为光纤的光学应力张量。由于没有剪切应变，则

因此，式(11)可以写为

光纤折射率变化量

光纤直径的变化可以简化为

式(9)中dβ/dD，可以变换为

式中

式中，n_clad为光纤包层折射率，n_core为光纤纤芯折射率，求导可以得到

db/dV代表b-V曲线的斜率，描述的是波导模式。将式(10)、(14)、(15)、(16)、(18)和(19)代入式(9) 中，可得

在单位长度、单位应力，相同绕制半径的情况下，式(20)的第一项约为第二项的10^6倍，因此，可将第二项忽略不计，式(20)可进一步简化改写为

根据式(1)、(8)和(21)，可得距离下底面为z的一圈光纤环段的相位变化量

骨架上光纤环的绕制圈数

考虑到相邻光纤环段间紧密绕制且h＞＞D，则骨架上所有光纤环产生的相位变化

式中包括三个积分式，令

因此，式(24)可以简记为

式(25)即为理论上光纤相位变化与简谐声发射信号之间的对应关系。

动态归一化灵敏度

对于一般声发射信号P_AE，可以将其表示为傅里叶级数的形式

其中，为构成声发射信号的各频率及其初相位，P_i为各频率分量对应的幅值大小。此时，根据线性叠加原理，声发射信号引起的光纤内传输的光相位改变量

从式(26)中可以看出，对于不同频率的简谐声发射信号，其灵敏度与回转体骨架形状ρ(z)有关，可以通过选取恰当的ρ(z)，设计满足工程应用的光纤环声发射传感器的频率响应特性。

对于圆柱形骨架ρ(z)＝a(a为常数)：

当ρ(z)＝a时，三个积分式

则由式(25)得

归一化动态灵敏度

结合以上分析可以得出结论：(1)在声发射信号常见频率范围(20-500kHz)内，圆柱形光纤环声发射传感器在低频段具有较高的灵敏度；随着信号频率的增大，灵敏度逐渐下降；

(2)保持其他参数不变，增加圆柱形骨架半径，可以提高传感器的灵敏度，且低频段灵敏度的提高比高频段明显；

(3)保持其他参数不变，增加圆柱形骨架高度，传感器低频段灵敏度明显下降；出现了若干等间隔的谐振频率点和不灵敏频率点，随着高度的增加，谐振频率点和不灵敏频率点的间隔减小；

(4)保持其他参数不变，正弹性模量较小的材料灵敏度较高，泊松比较高的材料频率特性较为平坦，频带较宽；

(5)保持骨架体积不变，将圆柱形骨架变为圆台形骨架(下底面直径大于上底面直径)，可以提高光纤环声发射传感器在20-500kHz范围内的灵敏度。

对于固定上下底面半径的任意形状骨架(a，b为常数且a＞b，α≠0)，运用类似的分析方法，可以得到，光纤环声发射传感器在20-400kHz的频率范围内，其灵敏度随着参数α的增大而提高。这为我们设计更高灵敏度的光纤环声发射传感器提供了重要的理论研究和方法指导。

窄带光的选择非常关键，它直接影响到光纤环声发射传感器传输信号的稳定性，窄带光要求功率稳定，带宽小具有足够长的相干长度。本发明所选用的窄带光中心波长为1550nm，带宽小于0.2nm，输出功率≥ 100mW，输出光功率长期稳定度为±0.02dB。

传感器骨架材料的选择直接影响光纤环声发射传感器的性能。骨架材料选择范围广泛，可根据光纤环声发射传感器使用的环境和被测声发射波信号的特点选取，选取时关注材料的力学性能、绝缘性、耐腐蚀性、加工难易程度等方面。

抗弯折单模光纤是光纤环声发射传感器的敏感元件，应当选择宏弯损耗较小的单模光纤绕制光纤环，确保从光纤输出端2输出的光信号有足够的强度用于之后的信号解调分析。本发明使用的是G657.B3型抗弯折单模光纤，最小弯折半径为5mm，为了使得损耗足够小，使用时应当保证弯曲半径均匀且不小于10mm。

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 (2)

1.一种光纤环声发射传感器频率响应特性设计方法，其特征在于，包括：给出一种回转体形状传感器骨架的光纤环声发射传感器动态建模方法，建立光纤内传输的光相位改变量与光纤环声发射传感器接收到的任意波形声发射波幅值、频率之间的定量关系；在此基础上首先确定被测对象产生的声发射信号频率范围和测量灵敏度要求，其次按照光纤环声发射传感器动态建模方法设计满足指标要求的传感器骨架参数，最后依据设计结果加工传感器并在标准条件下校准，验证其满足测量要求；

其中，光纤环声发射传感器包括光纤输入端、光纤输出端、传感器骨架、抗弯折单模光纤；窄带光通过光纤输入端进入光纤环声发射传感器；当被测对象中产生声发射波信号时，声发射波信号通过传感器骨架传导至绕制光纤环上，光纤环感受到声发射波信号，其内部传输的光相位发生改变；经过相位调制的光信号从光纤输出端引出解调；

所述动态建模方法包括：建立柱坐标系，形状为回转体的传感器骨架上紧密缠绕着光纤，记骨架平行于上下表面的截面半径ρ随截面位置z的变化规律为ρ(z)，ρ(z)用来描述回转体骨架形状；设有一简谐变化的声发射信号P垂直作用在传感器下表面上，其幅值为P₀，角频率为ω，即P＝P₀cosωt，忽略光纤绕制一圈在骨架轴向上产生的位移，距离下底面为z的一圈光纤环段的相位变化量如下式

Δφ_i＝βΔL_i+Δβ_iL_i＝Δφ_i1+Δφ_i2

其中，β是光纤的传播常数，L_i＝2πρ(z)为光纤环段的长度，ΔL_i为光纤环段长度的变化，Δβ_i为光纤传播常量的变化，第一项Δφ_i1为声发射信号作用于光纤环段声发射传感器后，引起的相位变化量，由两部分组成：一是声发射波通过光纤环骨架传导至光纤环段引起的相位变化，二是声发射波引起传感器骨架边缘变形，产生微小位移，从而使光纤环段长度发生变化引起相位变化；Δφ_i1表示为

式中，ΔL_i1为声发射波直接作用于光纤环段引起的长度变化；ΔL_i2为骨架边缘产生位移引起的光纤环段长度变化，E为光纤的弹性模量，D为光纤直径，为光纤环段沿轴方向应变，σ_i0为光纤受到的径向应力；

运用弹性力学理论，应力分量及位移分量的表达式为

其中，E_m，v_m分别为骨架的弹性模量和泊松比，h为骨架高度；

根据弹性波传播理论，骨架内一点处声压大小满足

其中，为纵波在骨架中的传播速度，ρ_m为骨架密度；传感器骨架边缘产生位移引起的光纤环段长度变化为

光纤受到的径向正应力与骨架侧面的正应力大小相等，即σ_i0＝σ_ρi，得到Δφ_i1表达式

物理光学结合应变-光学效应可以得到，由于受到声发射波作用，光纤传播常量变化引起的相位变化

式中，β可以表示为n_effk₀，n_eff为光纤有效折射率，k₀为自由空间光传播系数，ΔD为光纤直径的变化，由于受声发射波影响的折射率变化很小，大约在1％以内，因此可将β表示为nk₀，可得

由应变-光学效应可知

式中，p_ij为光纤的光学应力张量；由于没有剪切应变，则

因而可得

光纤折射率变化量

光纤直径的变化可以简化为

dβ/dD，可以变换为

式中

V＝k₀D(n_core ²-n_clad ²)^1/2

式中，n_clad为光纤包层折射率，n_core为光纤纤芯折射率，求导可以得到

db/dV代表b-V曲线的斜率，描述的是波导模式，从而可得

在单位长度、单位应力，相同绕制半径的情况下，上式的第一项约为第二项的10^6倍，可将第二项忽略不计，上式可进一步简化改写为

从而可得距离下底面为z的一圈光纤环段的相位变化量

骨架上光纤环的绕制圈数

考虑到相邻光纤环段间紧密绕制且h＞＞D，则骨架上所有光纤环产生的相位变化

式中包括三个积分式，令

则

动态归一化灵敏度

对于一般声发射信号P_AE，可以将其表示为傅里叶级数的形式

其中，ω_i，为构成声发射信号的各频率及其初相位，P_i为各频率分量对应的幅值大小；根据线性叠加原理，声发射信号引起的光纤内传输的光相位改变量

对于不同频率的简谐声发射信号，其灵敏度与回转体骨架形状ρ(z)有关，通过选取恰当的ρ(z)，设计满足工程应用的光纤环声发射传感器的频率响应特性。

2.根据权利要求1所述的光纤环声发射传感器频率响应特性设计方法，其特征在于：对于圆柱形骨架，ρ(z)＝a，a为常数，三个积分式

归一化动态灵敏度

对于圆柱形骨架，增大骨架半径可以提高光纤环声发射传感器在低频段的灵敏度；减小骨架高度可以提高光纤环声发射传感器在高频段的灵敏度。