CN209841784U

CN209841784U - 一种透射式光纤声发射系统

Info

Publication number: CN209841784U
Application number: CN201920326728.1U
Authority: CN
Inventors: 付涛; 田昕; 周红萍; 邱芷薇; 温茂萍; 梁晓辉
Original assignee: Institute of Chemical Material of CAEP
Current assignee: Institute of Chemical Material of CAEP
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2029-03-14

Abstract

本实用新型公开了一种透射式光纤声发射系统，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、减法器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；光纤发射传感器通过光纤与所述耦合器和减法器相连，环形器与可调谐窄带光源、耦合器和减法器相连，减法器与光电探测器相连，耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机连接，前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，声发射采集卡与计算机连接。该系统具有微秒级响应速度，可以准确监测狭小空间内的固体结构损伤破坏失效过程。

Description

一种透射式光纤声发射系统

技术领域

本实用新型涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种适用于狭小空间温度冲击试验的透射式光纤声发射系统。

背景技术

采用声发射系统可以获得固体结构变温条件下的损伤、破坏或失效信息，现有的声发射系统采用压电材料作为传感器，探头体积大，不能安装在狭缝空间。光纤传感器因体积纤细、柔韧，能够安装在狭缝空间，已有相关文献建立了光纤声发射系统，但是绝大部分系统因传感原理受温度限制而不能应用于变温试验中。

实用新型内容

为了克服上述技术缺陷，本实用新型提供了一种透射式光纤声发射系统，该系统具有微秒级响应速度，可以准确监测狭小空间内的固体结构损伤破坏失效过程。

为了达到上述技术效果，本实用新型提供了如下技术方案：

一种透射式光纤声发射系统，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、减法器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；所述光纤发射传感器为光纤布拉格光栅，通过光纤与所述耦合器和减法器相连，所述环形器与可调谐窄带光源、耦合器和减法器按顺序通过光纤相连，所述减法器与光电探测器相连，所述耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，所述波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机通过电信号线连接，所述前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，所述声发射采集卡与计算机通过电信号线连接。

进一步的技术方案为，所述光纤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。

进一步的技术方案为，所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm反射率≥80％。

进一步的技术方案为，所述波长测量模块内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mW。

进一步的技术方案为，所述可调谐窄带光源的波长可以连续调谐，调谐范围为1520nm～1570nm，精度≤50pm，宽度≤10pm，功率≥5mW的光源。

该装置中的波长测量模块用于实时测量光纤声发射传感器的中心波长λ_B，内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mW，利用光纤布拉格光栅作为光纤声发射传感器，其反射光谱是一个圆弧形波峰，λ_B为中心波长，波峰值的一半对应的光谱宽度为2λ_b，计算机通过波长测量模块获得时间t1时的λ_B(t₁)，本系统中该光源通过环形器和耦合器入射到光纤声发射传感器，光纤声发射传感器反射光通过耦合器分为两束，一束光入射到波长测量模块，追踪光纤声发射传感器的波长。波长值λ_L(t₂)通过计算机获得的λ_B(t₁)进行赋值，使λ_L(t₂)＝λ_B(t₁)+λ_b，或λ_L(t₂)＝λ_B(t₁)-λ_b，t₂-t₁>50μs且越接近50μs越好，表明光源波长与光纤声发射传感器波长响应一致，且能区分20kHz(1/50μs)以上的声发射信号，本申请中的环形器具有三个端口，分别为①端口、②端口、③端口，这三个端口实现光的单向传输功能，即①端口→②端口→③端口，其中，①端口到②端口光损耗越小越好，①端口到③端口光强为0；②端口到①端口光强越小越好，②端口到③端口光损耗越小越好；③端口到②端口光强越小越好，③端口到①端口光强为0。由耦合器分出的另一束光通过环形器入射到减法器，与光纤声发射传感器的透射光强做差，得到更强的信号。本申请中的光电探测器灵敏度越高越好，将声发射光强信号转换成模拟电压信号。本系统中光电探测器通过环形器接收光纤声发射传感器反射的总光强I，总光强I包含波长测量模块内置宽带光源光强I_W和可调谐窄带光源光强I_N两部分，因后者远大于前者，所以可以认为总光强I接近于I_N，其中宽带光源光强I_W很小，不显示。本申请中前置放大器用于接收模拟电压信号，并将其放大，声发射采集卡用于采集前置放大器放大的声发射信号，输入到电脑。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

本实用新型提供一种将光纤布拉格光栅作为声发射传感器，利用可调谐窄带激光器和光电探测器作为光电转换装置、利用波长测量模块与耦合器实时跟踪光纤布拉格光栅的中心波长，利用减法器获得光纤声发射传感器的反射光强和透射光强之差，具有提高声发射信号强度的功能，结合声发射采集卡和前置放大器建立了一种监测固体结构变温损伤破坏过程的光纤声发射系统。该系统具有微秒级响应速度，可以准确监测狭小空间内的固体结构损伤破坏失效过程。

附图说明

图1为本实用新型的透射式光纤声发射系统整体结构示意图；

图2为本实用新型的透射式光纤声发射传感器反射光谱示意图；

图3为本系统中到达光减法器的光谱示意图。

具体实施方式

实施例1

一种如图1所示的一种透射式光纤声发射系统，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、减法器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；所述光纤发射传感器为光纤布拉格光栅，通过光纤与所述耦合器和减法器相连，所述环形器与可调谐窄带光源、耦合器和减法器按顺序通过光纤相连，所述减法器与光电探测器相连，所述耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，所述波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机通过电信号线连接，所述前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，所述声发射采集卡与计算机通过电信号线连接。其中环形器具有三个端口，①端口到②端口光损耗越小越好，①端口到③端口光强为0；②端口到①端口光强越小越好，②端口到③端口光损耗越小越好；③端口到②端口光强越小越好，③端口到①端口光强为0。所述耦合器设置在所述光纤环形器与所述光纤布拉格光栅之间，耦合器的光损耗越小越好，即①端口与②端口光强的和与③端口光强的差越小越好。所述减法器具有两个光接收端口，一个端口与环形器连接，另一个端口与光纤声发射传感器连接，减法器将光纤声发射传感器的反射光强和透射光强做差，获得由声发射激发的增强信号。本系统中光电探测器通过环形器接收光纤声发射传感器反射的总光强I，总光强I包含波长测量模块内置宽带光源光强I_W和可调谐窄带光源光强I_N两部分，因后者远大于前者，所以可以认为总光强I接近于I_N，其中宽带光源光强I_W很小，不显示。所述信号采集处理器由前置放大器和声发射采集卡组成，所述光电探测器通过信号线首先与前置放大器连接，然后前置放大器通过信号线与声发射采集卡连接，所述声发射采集卡与计算机连接。所述光纤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％。所述波长测量模块内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mW。所述可调谐窄带光源的波长可以连续调谐，调谐范围为1520nm～1570nm，精度≤50pm，宽度≤10pm，功率≥5mW的光源。本系统中该光源通过环形器入射到光纤声发射传感器，波长值λ_L(t₂)通过计算机获得的λ_B(t₁)进行赋值，使λ_L(t₂)＝λ_B(t₁)+λ_b，或λ_L(t₂)＝λ_B(t₁)-λ_b，t₂-t₁>50μs且越接近50μs越好，表明光源波长与光纤声发射传感器波长响应一致，且能区分20kHz(1/50μs)以上的声发射信号，以本申请中前置放大器用于接收模拟电压信号，并将其放大，声发射采集卡用于采集前置放大器放大的声发射信号，输入到电脑。

波长测量模块通过耦合器获得光纤布拉格光栅中心波长λ_B，计算机将含有偏置波长与λ_B赋值给可调谐窄带光源，光源发射出窄带光，通过环形器与耦合器入射到光纤布拉格光栅，光栅反射的光强信息通过耦合器和环形器入射到减法器两个光端口的任意一端，光栅透射光强信息直接入射到减法器的另一端光端口，减法器将反射光和透射光做差后发送给光电探测器。当粘贴有光纤布拉格光栅的被测固体损伤破坏时，光电探测器获得的动态光强信息能够转换成电信号，被前置放大器增强后，由声发射采集卡获得，并保存显示在计算中。优势在于当被测固体在变温环境下，本实用新型的光纤声发射系统不会因为光纤光栅波长的变化而失效，仍可以有效地监测到固体损伤信号。

尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型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

1.一种透射式光纤声发射系统，其特征在于，包括光纤声发射传感器、波长测量模块、环形器、耦合器、减法器、可调谐窄带光源、光电探测器、前置放大器、声发射采集卡和计算机；所述光纤声发射传感器为光纤布拉格光栅，通过光纤与所述耦合器和减法器相连，所述环形器与可调谐窄带光源、耦合器和减法器按顺序通过光纤相连，所述减法器与光电探测器相连，所述耦合器的同侧两个端口与波长测量模块和环形器通过光纤相连、另一侧与光纤声发射传感器通过光纤相连，所述波长测量模块和可调谐窄带光源分别与计算机通过电信号线连接，所述前置放大器在光电探测器与声发射采集卡之间通过电信号线连接，所述声发射采集卡与计算机通过电信号线连接。

2.根据权利要求1所述的透射式光纤声发射系统，其特征在于，所述光纤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。

3.根据权利要求1所述的透射式光纤声发射系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的线性区＞80pm反射率≥80％。

4.根据权利要求1所述的透射式光纤声发射系统，其特征在于，所述波长测量模块内置宽谱光源，波长范围为1520～1570nm，功率小于1mW。

5.根据权利要求1所述的透射式光纤声发射系统，其特征在于，所述可调谐窄带光源的波长可以连续调谐，调谐范围为1520nm～1570nm，精度≤50pm，宽度≤10pm，功率≥5mW的光源。