CN113552222A - 一种光纤环声发射传感器新结构及其静态建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤环声发射传感器新结构及其静态建模方法，将抗弯折单模光纤绕制成环，缠绕在材料制作的圆柱形骨架上，声发射信号耦合至光纤环传感器骨架并通过光纤环传感器骨架传导至光纤环，引起绕制在其上的光纤结构参数改变，进而产生光纤中传输的光相位调制。根据传感器的使用要求给出传感器的建模方法，说明光纤环声发射传感器为线性度良好的传感器。本发明用于声发射检测领域，相比传统压电陶瓷声发射传感器，光纤环声发射传感器具有抗电磁干扰、本质安全、化学性质稳定、成本低廉和高灵敏度的优点，可以实现极端温度等环境下，固体和液体中声发射信号的检测，拓展了声发射技术检测范围。
Description
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新结构及其静态建模方法。
背景技术
光纤是一种利用光全内反射效应引导光波的线性材料。20世纪60年代，极低损耗光纤理论被提出，据此，美国康宁公司制备出了极低损耗的光纤。在此之后，光纤在通信、传感等领域的应用快速发展。光纤由于弹光效应、热光效应、光散射等机理，其本身具有感知外部物理参数的能力，其敏感的物理量包括液位、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。由于光纤传感器普遍体积小、重量轻，抗电磁干扰，防水防潮，大带宽、高灵敏度和低成本等优势，在自动化生产、产品质量控制、电力系统和通讯系统的监控等一系列领域都表现出独特的优越性。
局域源能量快速释放而产生的瞬态弹性波为声发射波。在应力作用下的材料变形与裂纹扩展，流体泄露、摩擦、撞击、燃烧等弹性波源都可以产生声发射波。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。通过检测声发射波信号，获取其中的幅值、频率、能量等特征，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普遍采用压电陶瓷声发射传感器，其利用压电陶瓷晶体作为敏感元件，压电陶瓷晶体受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。压电陶瓷晶体不耐腐蚀，且无法工作在极端温度环境中；压电陶瓷声发射传感器本身具有的与电信号传感和传输相关的电测法测量原理，决定了压电陶瓷声发射测量技术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不能用于超/特高压电力系统、航空航天等极端环境中，限制了技术发展。
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新结构及其静态建模方法。本发明敏感机理清楚，传感器制作及建模方法简单，成本较低，可以实现超/特高压电力系统、航空航天等极端环境中的声发射检测。
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新结构，包括：光纤输入端，光纤输出端，传感器骨架，抗弯折单模光纤绕制的光纤环。抗弯折单模光纤在传感器骨架上紧密地绕制多层，传感器骨架同时起到支撑抗弯折单模光纤绕制的光纤环和作为介质将声发射信号传导至光纤环的作用。使用时，窄带光由光纤输入端进入传感器并从光纤输出端引出，骨架底面使用耦合剂与被测对象紧密耦合。
进一步的，所述单模光纤选用抗弯折光纤，考虑到理论上传感器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，所述传感器骨架为圆柱形状，上下底面平整，骨架内无缺陷。为减小光纤绕制部分的宏弯损耗，骨架半径应不小于10mm，骨架高度由使用空间要求和光纤绕制长度决定。
另外，本发明给出了光纤环声发射传感器新结构的静态建模方法。由于在使用中要求传感器与被测对象表面紧密耦合，通常使用夹具固定传感器，方法假设，传感器上表面无轴向位移；假设光纤环声发射传感器接收到沿传感器轴向方向的恒定声压。
本发明给出的光纤环声发射传感器新结构的静态建模方法指出，声发射信号作用于光纤环声发射传感器后，引起光纤中传输光的相位改变量由两部分组成：一是声发射波直接作用于光纤引起的相位变化，二是声发射波引起传感器骨架边缘变形，产生微小位移，从而使光纤长度发生变化引起相位变化。二者共同影响，使得光纤中传输的光相位的改变量Δφ与被测声发射信号的声压P满足线性关系：Δφ＝KφP，其中，静态归一化灵敏度
据此，可以认为光纤环声发射传感器是线性度良好的传感器，在给定光纤结构参数和窄带光频率的条件下，可以通过选取杨氏模量较小、泊松比较大的骨架或增加绕制光纤的长度、减小光纤的绕制半径，提高传感器的灵敏度。
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压电陶瓷声发射传感器，一方面，压电陶瓷晶体作为敏感元件无法使用在极端环境中，另一方面，压电陶瓷声发射传感器使用电信号作为传输信号，非本质安全、不适合在易燃易爆等危险场合使用，易受电磁干扰、无法工作在强电磁场环境中。本发明提出的光纤环声发射传感器新结构使用单模光纤作为敏感元件，化学性质稳定，耐极端温度和强腐蚀，且使用光信号作为传输信号，不受传输路径上的外界电磁场干扰，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。
附图说明
图1为本发明涉及的光纤环声发射传感器新结构示意图。
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。
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，本发明所述的一种光纤环声发射传感器新结构及其静态建模方法包括：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。以下给出静态建模方法的详细建模原理：
当声发射信号作用在光纤环声发射传感器后，引起光纤内光波的相位变化，其理论公式如下
Δφ＝βΔL+ΔβL＝Δφ1+Δφ2 (1)
式中，β是光纤的传播常数，L为光纤的长度，ΔL为光纤长度的变化，Δβ为光纤传播常量的变化。第一项Δφ1为声发射信号作用于光纤环声发射传感器后，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，从而使光纤长度发生变化引起相位变化。
如图1所示，记位移分量分别为uρ，
w，设骨架底面z＝0处受到声发射波产生的均匀分布压强P，可以推导出ΔL2的表达式为
ΔL＝2πNuρ(r) (4)
式中，
为骨架上光纤环的缠绕圈数，uρ(r)为骨架表面ρ＝r处的径向位移，为了求解骨架在底面受到均布恒定声压时的位移分布情况，结合弹性力学中物体表面受表面均布压力的力学模型，得到应力边界条件
同时，考虑到光纤环声发射传感器在使用时紧固在被测件表面，故有位移约束条件
(w)z＝h＝0 (6)
对于轴对称问题，引入Love位移函数
按照量纲分析，应力分量的表达式应为压强P乘以ρ、z等长度坐标的零次幂，则
的表达式应为P乘以ρ、z等长度坐标的正三次幂。据此，取
式中，A1为任意常数。注意到
得到位移分量及应力分量的表达式如下
式中，μ为骨架的泊松比，Em为骨架的弹性模量。此时，式(5)应力边界条件可以满足，但是式(6)位移约束条件无法满足。
为了满足位移约束条件，再取一个轴对称的位移势函数ψ(ρ，z)，使得它在z＝0处满足应力边界条件且给出的w能和式(8)中的z方向位移相互抵消。通过量纲分析可以看出，ψ应为ρ、z等长度坐标的正二次幂，取
ψ＝A2ρ2 (9)
式中，A2为任意常数。得到位移分量及应力分量的表达式如下
式(8)与式(10)相叠加，并代入式(5)应力边界条件和式(6)位移约束条件，得到
则应力分量及位移分量的表达式为
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σ0＝σρ。因此，结合式(3)和式(13)，得到Δφ1表达式为
式(1)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neffk0，neff为光纤有效折射率，k0为自由空间光传播系数，D为光纤直径，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，pij为光纤的光学应力张量。由于没有剪切应变，因此只需考虑i，j分别为1，2，3的情况。
因此，式(17)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(15)中dβ/dD，可以变换为
式中
式中，nclod为光纤包层折射率，ncore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(16)、(20)、(21)、(22)、(24)和(25)代入式(15)中，可得
一般来说，所用光纤的折射率n为1.465，λ取为1550nm，泊松比v为0.17，光纤弹性模量为7.0×1010N/m2，p11为0.121，p12为0.270，db/dV为0.5，V约为2.4，D为250μm，取骨架半径r为0.01m，代入式(26)中，可得在单位长度、单位应力情况下，式(26)的第一项约为10-4量级，第二项约为10-10量级，因此，可将第二项忽略不计，式(26)可进一步简化改写为
将式(14)和式(27)代入到式(1)中，可得光纤环声发射传感器的静态输入输出关系
式(28)即为理论上光纤相位变化与声发射信号的静态对应关系，即光纤中传输的光相位的改变量Δφ与被测声发射信号的声压P满足线性关系。
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。骨架材料选择十分多样，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：例如，在高温物体声发射信号的检测中，传感器骨架需要与高温表面紧密耦合，此时需要使用铁、铝等耐高温性能好的金属材料作为传感器骨架；在高电压等级电力设备附近等强电磁环境中使用时，为了保证传感器使用安全且具有抗电磁干扰能力，适合使用绝缘性能好的聚乙烯等高分析聚合物制作传感器骨架。
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新结构及其静态建模方法，其特征在于，所述传感器包括：光纤输入端(1)，光纤输出端(2)，传感器骨架(3)，抗弯折单模光纤绕制的光纤环(4)。其中，传感器骨架(3)同时起到支撑抗弯折单模光纤绕制的光纤环(4)和作为介质将声发射信号传导至光纤环的作用。根据光纤环声发射传感器的使用要求，给出了在一定约束条件下，光纤环声发射传感器接收到恒定压强声发射波时，光纤中传输的光相位的改变量与与被测声发射信号的声压之间的定量关系。
2.根据权利要求1所述的一种光纤环声发射传感器新结构，其特征在于：利用传感器骨架(3)及缠绕在骨架上的抗弯折单模光纤绕制的光纤环(4)敏感声发射信号。由于在使用中要求传感器与被测对象表面紧密耦合，通常使用夹具固定传感器，故认为传感器上表面无轴向位移；假设光纤环声发射传感器下表面接收到沿传感器轴向方向的恒定声压，其静态灵敏度可以定量描述如下：
当声发射信号作用在光纤环声发射传感器后，引起光纤内光波的相位变化，其理论公式如下
Δφ＝βΔL+ΔβL＝Δφ1+Δφ2
式中，β是光纤的传播常数，L为光纤的长度，ΔL为光纤长度的变化，Δβ为光纤传播常量的变化。
运用弹性力学理论可知，骨架边缘产生位移引起的光纤长度变化
式中，μ为骨架泊松比，Em为骨架正弹性模量，L为光纤绕制长度。
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，n为光纤纤芯折射率，p11、p12为光纤光学-应力张量的分量。式中，第二项较小，约为第一项的10-6，忽略不计。
综上研究，光纤中传输的光相位的改变量Δφ与被测声发射信号的声压P满足线性关系：
其中，静态归一化灵敏度
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211026 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |