CN203083975U - 一种光纤声发射检测与定位系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光纤声发射检测与定位系统，包括：由多个光纤激光传感器串联而成的光纤激光传感器应变花；封装固定该多个光纤激光传感器并传递声发射信号的光纤激光传感器应变花底板；耦合该多个光纤激光传感器并传递声发射信号的声耦合剂；接收并解调由声发射信号引起的光纤激光传感器产生的光学信号的光纤信号解调装置；以及基于光纤信号解调装置对光学信号解调出的结果实现声发射源定位的声发射源定位装置。本实用新型提高了探测微弱声发射信号和对声发射源进行定位的能力，并解决了微弱声发射信号检测中声发射传感器的灵敏度不高，定位复杂，电磁干扰，耐高温、高压、强腐蚀环境能力差，长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及声发射检测技术领域，尤其涉及一种超高精度的光纤声发射检测与定位系统。
背景技术
声发射(Acoustic Emission，AE)又称为应力波发射，是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，并且多数是只能用高灵敏度传感器才能探测到的微弱振动或表面位移。声发射现象的观测起源于地震监测，现今已广泛应用于岩石破裂监测、压力容器和航空航天部件的声发射检测、结构健康监测以及复合材料的声发射特性研究等各个行业当中，并发挥着其他无损检测方法不可替代的作用。
纵观声发射检测技术的发展历史，传统的声发射传感器多采用谐振式压电传感器，其主要缺点是：体积大，频带窄，必须与物体接触，不能在高温、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境下使用。例如张轲等人提出的小型宽带声发射传感器(中国专利申请CN 1051087A)、刘胜等人提出的一种声发射传感器(中国专利申请CN 201074528Y)、贲宇等人提出的一种声发射传感器(中国专利申请CN 101502947A)等。
自上世纪80年代末，伴随着光纤传感技术的迅速发展，国内外广泛开展了光纤声发射检测技术的研究工作。相比传统的声发射传感器，光纤声发射传感器具有体积小，频带宽，损坏阈值高，不必与被测物体接触或可以嵌入在结构材料内部，适用于高温、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境等优点。强度调制型、相位调制型(干涉型)、波长调制型等不同类型的光纤声发射传感器被成功的研制出来，并应用于现场声发射检测。起初(1980年～2000年)，光纤声发射检测技术大都采用干涉式的光纤传感器结构。近10多年来，随着光纤光栅(FBG)传感器的制造技术的发展及其在各个行业的成功应用，基于FBG传感器的声发射检测方案得到广泛关注(IgnacioPerez et.，“Acoustic Emission Detection Using Fiber Bragg Gratings”，SMARTMATERIALS AND STRUCTURES，2001)。
相对于前期广泛研究的干涉式光纤声发射传感器，FBG传感器具有更小的体积和质量，并且采用波长编码不受光源功率波动影响，易于组网、构成大面积分层损伤监测系统，特别的是FBG还具有声发射检测方向性特征，可以构建FBG应变花来实现声发射源的定位(G.THURABY et.，“Multifunctional fibre optic sensors monitoring strain and ultrasound”，Fatigue& Fracture of Engineering Materials & Structures，2008)，这也使其成为了近十年来在光纤声发射检测中的研究热点。例如，关柏鸥提供的光纤光栅声发射和温度传感器(中国发明专利CN 1818625A)、魏鹏等人提供的一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统(中国发明专利CN 102313779A)、Kenny等人提供的光纤光栅应变花(美国发明专利US 6586722)等。但还未见到利用FBG应变花同时实现连续型和突发型两种声发射信号探测与定位的报道。
近年来，光纤激光传感器(FLs)在光纤传感领域显示出了巨大的潜力，它除了具有普通FBG传感器结构简单、抗电磁干扰、尺寸小和易于通过波分复用组建传感网络等优点外，同时还具有单频、窄线宽、高功率、超低噪声等优势，结合高分辨率波长解调技术可以实现超高灵敏度的动态信号探测，这在微弱信号探测方面有着不可比拟的优势。因此将FLs用于声发射检测中，不但可以获得比FBG型声发射传感器具有更高的探测灵敏度(C-C Ye.et，“Ultrasonic sensing using Yb3+/Er3+-codoped distributedfeedback fibre grating lasers”，SMART MATERIALS AND STRUCTURES，2005)，同时由于光纤激光声发射传感器相对于已广泛研究的干涉式光纤声发射传感器，其结构尺寸小，易于组网，这在声发射检测与定位方面具有很大的技术优势。但到目前为止，对FLs的声发射方向性特征的研究还未见到相关报道。
鉴于此，本实用新型提出一种超高精度的光纤声发射检测与定位系统，采用最新发展的光纤激光传感器技术构建光纤激光传感器应变花，并针对连续型和突发型两种声发射信号，利用光纤激光器的方向性特征实现两种不同的声发射源定位算法，同时进行连续型和突发型声发射信号的检测与定位，并重点解决微弱声发射信号检测中声发射传感器的灵敏度不高，定位复杂，电磁干扰，耐高温、高压、强腐蚀环境能力差，以及长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本实用新型的主要目的是提供一种超高精度的光纤声发射检测与定位系统，以提高探测微弱声发射信号和对声发射源进行定位的能力，并解决微弱声发射信号检测中声发射传感器的灵敏度不高，定位复杂，电磁干扰，耐高温、高压、强腐蚀环境能力差，长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供了一种光纤声发射检测与定位系统，该系统包括：由多个光纤激光传感器5串联而成的光纤激光传感器应变花8；封装固定该多个光纤激光传感器5并传递声发射信号的光纤激光传感器应变花底板4；耦合该多个光纤激光传感器5并传递声发射信号的声耦合剂7；接收并解调由声发射信号引起的光纤激光传感器5产生的光学信号的光纤信号解调装置2；以及基于光纤信号解调装置2对光学信号解调出的结果实现声发射源定位的声发射源定位装置1。
上述方案中，所述光纤激光传感器5为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器或分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器，能够感受声发射信号并将该声发射信号转变为其输出波长的变化。
上述方案中，所述光纤激光传感器5至少有三个，并且该至少三个光纤激光传感器5在同一平面内、互不平行，串联构成光纤激光传感器应变花8。
上述方案中，所述光纤激光传感器5为三个，这三个光纤激光传感器5构成等边三角形或等腰直角三角形。
上述方案中，所述光纤激光传感器应变花底板4和声耦合剂7均为能够与基体进行声匹配的材料。
上述方案中，所述光纤激光传感器应变花底板4通过胶体粘接在基体的表面，或者将所述光纤激光传感器应变花底板4及其上的光纤激光传感器应变花8和声耦合剂7一起耦合到基体的内部，以灵活地实现声发射信号探测和声发射源定位。
上述方案中，所述光纤信号解调装置2为一种高精度的光纤激光传感器解调装置。所述光纤信号解调装置2为基于干涉原理和相位载波(PGC)算法的光纤激光传感器解调装置，其动态应变分辨率可达10-6pm。
上述方案中，所述声发射源定位装置1能够依据光纤激光传感器声发射信号的方向性特征而实现定位或依据时差法进行定位的声发射源定位，采用连续型声发射信号定位算法或突发型声发射信号定位算法实现连续型或突发型两种声发射信号的探测与定位。当所述声发射源定位装置1采用连续型声发射信号定位算法时，依据光纤激光传感器5波长漂移幅值与声发射信号相对于光纤激光传感器5的方向角关系实现定位的；当所述声发射源定位装置1采用突发型声发射信号定位算法时，一方面依据光纤激光传感器5波长信号的不同频率成分的小波能量百分比与声发射信号相对于光纤激光传感器5的方向角关系实现定位，另一方面依据声发射信号到达不同的光纤激光传感器应变花8的时间差来实现定位。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供的光纤声发射检测与定位系统，采用极高灵敏度和宽频带的光纤激光传感器，可以提高探测微弱声发射信号的能力。
2、本实用新型提供的光纤声发射检测与定位系统，通过将光纤激光器串联构成光纤激光器应变花，并针对连续型和突发型声发射信号，利用光纤激光器的方向性特征实现两种不同的声发射源定位算法，同时进行连续型和突发型声发射信号的检测与定位，可以大大减小声发射源定位的复杂度。
3、本实用新型提供的光纤声发射检测与定位系统，采用光纤激光器替代传统电学声发射探头，是一种全光测量方法，故可以解决声发射检测中的抗电磁干扰性能弱，耐高温、高压、强腐蚀环境能力差等问题。
4、本实用新型提供的光纤声发射检测与定位系统，采用光缆进行信号传输，光信号对电学信号不敏感，易于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。
附图说明
图1为本实用新型提供的基于光纤激光传感器应变花的声发射检测与定位系统的示意图；
图2为本实用新型提供的基于光纤激光传感器应变花阵列的声发射检测与定位系统的示意图；
图3为本实用新型提供的单个光纤激光传感器应变花中的3支光纤激光传感器测得的连续型声发射信号的示意图；
图4为本实用新型提供的单个光纤激光传感器应变花中的3支光纤激光传感器测得的突发型声发射信号的示意图；
图5为本实用新型提供的光纤激光传感器波长漂移幅值与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系曲线；
图6为本实用新型提供的光纤激光传感器波长信号的不同频率成分的小波能量百分比与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系曲线。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
请参照图1和图2，其中图1为本实用新型提供的基于光纤激光传感器应变花的声发射检测与定位系统的示意图，图2为本实用新型提供的基于光纤激光传感器应变花阵列的声发射检测与定位系统的示意图。
如图1所示，本实用新型提供的这种光纤声发射检测与定位系统，包括：由多个光纤激光传感器5串联而成的光纤激光传感器应变花8，其尾纤通过光缆6引出，光纤激光传感器5用于检测声发射信号；封装固定该多个光纤激光传感器5并传递声发射信号的光纤激光传感器应变花底板4；耦合该多个光纤激光传感器5并传递声发射信号的声耦合剂7；接收并解调由声发射信号引起的光纤激光传感器5产生的光学信号的光纤信号解调装置2；以及基于光纤信号解调装置2对光学信号解调出的结果实现声发射源定位的声发射源定位装置1。
其中，光纤激光传感器5为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器或分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器，能够感受声发射信号并将该声发射信号转变为其输出波长的变化。光纤激光型传感器兼顾传统的无源光纤光栅传感器和干涉式光纤传感器两者的优点，具有高的灵敏度、小的尺寸和长期稳定性的优点。
在本实用新型中，光纤激光传感器5至少有三个，并且该至少三个光纤激光传感器5在同一平面内、互不平行，串联构成光纤激光传感器应变花8。光纤激光传感器5为三个时，这三个光纤激光传感器5构成等边三角形、等腰直角三角形或者每隔120°布放3支光纤激光传感器的Y形结构等。
在本实用新型中，光纤激光传感器应变花底板4和声耦合剂7均为能够与基体进行声匹配的材料。例如，若基体为大理石，那么底板也可以是大理石、花岗岩等，而声耦合剂可以是353ND、7S811等。
在本实用新型中，光纤激光传感器应变花底板4通过胶体粘接在基体的表面，或者将所述光纤激光传感器应变花底板4及其上的光纤激光传感器应变花8和声耦合剂7一起耦合到基体的内部，以灵活地实现声发射信号探测和声发射源定位。
在本实用新型中，光纤信号解调装置2为一种高精度的光纤激光传感器解调装置。光纤信号解调装置2为基于干涉原理和相位载波(PGC)算法的光纤激光传感器解调装置，其动态应变分辨率可达10-6pm。
在本实用新型中，声发射源定位装置1能够依据光纤激光传感器声发射信号的方向性特征而实现定位或依据时差法进行定位的声发射源定位，采用连续型声发射信号定位算法或突发型声发射信号定位算法实现连续型或突发型两种声发射信号的探测与定位。光纤激光传感器声发射信号的方向性特征是通过实验验证的，可以参考现有的关于光纤光栅(FBG)传感器声发射信号的方向性特征的相关报道进行类似的实验。
当所述声发射源定位装置1采用连续型声发射信号定位算法时，依据光纤激光传感器5波长漂移幅值与声发射信号相对于光纤激光传感器5的方向角关系实现定位的；当所述声发射源定位装置1采用突发型声发射信号定位算法时，一方面依据光纤激光传感器5波长信号的不同频率成分的小波能量百分比与声发射信号相对于光纤激光传感器5的方向角关系实现定位，另一方面依据声发射信号到达不同的光纤激光传感器应变花8的时间差来实现定位。当利用时差法进行声发射源定位时，多支光纤激光传感器5的安装过程，尽量保证具有相同的轴向方向。
在本实用新型中，还可以在光纤激光传感器应变花底板4上通过隔声材料封装一支光纤激光传感器5(该光纤激光传感器的类型与安装在光纤激光传感器应变花底板上的3支光纤激光传感器的类型一致)，或者设计一种声隔离腔体对该光纤激光传感器5进行声隔离，用于光纤激光传感器应变花8的温度补偿。
如图2所示，为了更加精确的确定声发射源的位置，可以在基体上安装光纤激光传感器应变花4阵列，不同的光纤激光传感器应变花4通过光缆(比如铠装光缆)进行连接，在通过光纤信号解调装置2和声发射源定位装置1进行声发射源定位，这样可以大大提高声发射源定位的精度。
本实用新型提供的光纤声发射检测与定位系统的工作原理如下：当基体材料内部产生缺陷时，声发射波(AE波)将在其内部传播开来，当AE波到达声发射传感区域(即光纤激光传感器应变花8)时，将引起该区域的微弱的扰动(表面位移)，并通过胶体、光纤激光传感器应变花底板4、声耦合剂7传递给光纤激光传感器5，这便对光纤激光器5的反射波长进行调制，再通过光纤信号解调装置2便可以实现对声发射信号的检测。另外，根据光纤激光传感器5的声发射方向性特征，使用一个由3支及以上的不在同一平面内的光纤激光传感器5串联构建的光纤激光传感器应变花8，可以通过声发射源定位装置1实现声发射源的定位。
为了进一步提高声发射源定位的精度，可以在基体材料上安装光纤激光传感器应变花8阵列，以减小使用单一光纤激光传感器应变花8进行声发射源定位的误差。
请参照图3，为了验证光纤激光器应变花探测连续型声发射信号的能力，本实用新型将其安装于一块大理石板上进行声发射检测实验，可以看出光纤激光传感器应变花8的3支光纤激光传感器5都能够清晰地记录到正弦信号，并且具有较低的噪声水平。
请参照图4，为了验证光纤激光器应变花探测突发型声发射信号的能力，本实用新型同样将其安装于一块大理石板上进行声发射检测实验，可以看出光纤激光传感器应变花8的3支光纤激光传感器5都能够清晰地记录到冲击信号，并且具有较低的噪声水平。
请参照图5，为了验证光纤激光传感器波长漂移幅值与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系，本实用新型对单支光纤激光传感器探测连续型正弦波声发射信号的方向性特征进行了实验。实验过程中，将单支光纤激光传感器5安装在基体材料上的一定角度方向(该位置同时安装一支压电型声发射探头)，然后在距离光纤激光传感器5相同距离的圆周上分别安装声发射信号发射探头，通过信号发生器控制声发射信号的频率和幅度保持不变，测量圆周上不同位置处声发射的信号引起光纤激光器的波长漂移值，并绘制成曲线。从图5中可以看出光纤激光传感器波长漂移幅值与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系呈现出浴盆状曲线关系。
请参照图6，为了验证光纤激光传感器波长信号的不同频率成分的小波能量百分比与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系，本实用新型对对单支光纤激光传感器探测突发型冲击信号的方向性特征进行了实验。类似的，在实验过程中，将单支光纤激光传感器5安装在基体材料上的一定角度方向(该位置同时安装一支压电型声发射探头)，然后在距离光纤激光传感器5相同距离圆周上的不同位置处，分别在相同的高度处将一个钢球自由落体，模拟冲击信号，进而测量圆周上不同位置处的冲击信号引起光纤激光器的波长漂移值在某一频率下的小波能量百分比，并绘制成曲线。从图6中可以看出光纤激光传感器波长信号的某一频率成分的小波能量百分比与声发射信号相对于光纤激光传感器的方向角关系呈现出正弦曲线关系。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，该系统包括：
由多个光纤激光传感器(5)串联而成的光纤激光传感器应变花(8)；
封装固定该多个光纤激光传感器(5)并传递声发射信号的光纤激光传感器应变花底板(4)；
耦合该多个光纤激光传感器(5)并传递声发射信号的声耦合剂(7)；
接收并解调由声发射信号引起的光纤激光传感器(5)产生的光学信号的光纤信号解调装置(2)；以及
基于光纤信号解调装置(2)对光学信号解调出的结果实现声发射源定位的声发射源定位装置(1)。
2.根据权利要求1所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤激光传感器(5)为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器或分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器，能够感受声发射信号并将该声发射信号转变为其输出波长的变化。
3.根据权利要求2所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤激光传感器(5)至少有三个，并且该至少三个光纤激光传感器(5)在同一平面内、互不平行，串联构成光纤激光传感器应变花(8)。
4.根据权利要求3所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤激光传感器(5)为三个，这三个光纤激光传感器(5)构成等边三角形或等腰直角三角形。
5.根据权利要求1所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤激光传感器应变花底板(4)和声耦合剂(7)均为能够与基体进行声匹配的材料。
6.根据权利要求1所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤激光传感器应变花底板(4)通过胶体粘接在基体的表面，或者将所述光纤激光传感器应变花底板(4)及其上的光纤激光传感器应变花(8)和声耦合剂(7)一起耦合到基体的内部，以灵活地实现声发射信号探测和声发射源定位。
7.根据权利要求1所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于， 所述光纤信号解调装置(2)为一种高精度的光纤激光传感器解调装置。
8.根据权利要求7所述的光纤声发射检测与定位系统，其特征在于，所述光纤信号解调装置(2)为基于干涉原理和相位载波(PGC)算法的光纤激光传感器解调装置，其动态应变分辨率可达10-6pm。
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