CN211576347U - 一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，包括光纤布拉格光栅、1×2光纤耦合器、两根光纤延迟线、3×3光纤耦合器、多通道光电探测电路模块、多通道前置放大器电路模块、多通道数字采集卡和FPGA现场可编程门阵列。该系统利用由1×2光纤耦合器、光纤延迟线和3×3光纤耦合器组成的非平衡马赫曾德干涉仪，将声发射信号作用在光纤布拉格光栅上产生的中心波长变化转换为干涉仪接收端的相位差的变化，进而转换为光强的变化，最终通过光电转换和信号处理实现声发射信号的检测。本实用新型可以有效的降低温度变化对声发射信号检测的影响，提高系统稳定性和检测精度。

Description

一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统

技术领域

本实用新型属于声发射检测技术领域，具体涉及一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统。

背景技术

超声波是一种振动频率高于声波的机械波。超声波检测结构件缺陷技术是采用高灵敏度的超声波传感器采集来自超声探头发出的信号，并通过对这些超声波信号的幅值、时间、波形变化等参数来了解结构件缺陷的发展状况，以实现对结构件健康状况的检测。由于超声波检测技术具有穿透能力强、灵敏度高、普适性等优点，使得它在航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估得到广泛的应用。

光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内产生周期性变化的折射率分布，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜。宽带光进入光纤布拉格光栅，只有满足其反射条件的很窄的光才能被光纤布拉格光栅反射回去。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，光纤布拉格光栅一经问世，便在光纤传感领域发挥重要作用，并在高速公路、桥梁、矿山、地质勘探、铁路、石油、天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。

现有的光纤光栅传感系统，如中国专利CN200610130121.3“光纤光栅传感系统”、CN200920129512.2“一种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系统”都可以同时测量温度与应变；现有的光栅超声波检测系统，如中国专利CN201420775445.2“用于电网电气设备局部放电检测的光纤布拉格光栅超声波检测系统”等超声波检测系统适于在恒温环境下检测，若环境温度变化较大，则会影响光纤布拉格光栅检测精度。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提出一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，以解决如何准确获取声发射信号的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，该传感系统包括光纤布拉格光栅、1×2 光纤耦合器、两根光纤延迟线、3×3光纤耦合器、多通道光电探测电路模块、多通道前置放大器电路模块、多通道数字采集卡和FPGA现场可编程门阵列；其中，光纤布拉格光栅与待测结构件表面相耦合； ASE宽带光源输出的宽带光，经过功率放大再经过光纤环行器到达光纤布拉格光栅；光纤布拉格光栅返回的反射光，经过光纤环行器后通过1×2光纤耦合器分成两束光，两束光分别进入两根延迟量不等的光纤延迟线后，分别连接3×3光纤耦合器的同一侧的两个输入端；3 ×3光纤耦合器的三个输出端分别连接多通道光电探测电路模块，由多通道光电探测电路模块将光信号转换为电信号；电信号由多通道前置放大器电路模块进行放大，放大后的电信号通过多通道数字采集卡采集后，由FPGA现场可编程门阵列进行信号解调，得到声发射信息。

进一步地，光纤布拉格光栅的中心波长在ASE宽带光源发出光的波长范围内。

进一步地，两根光纤延迟线的中心波长为1550nm，最大延迟量为660ps。

进一步地，多通道光电探测电路模块为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路模块。

进一步地，多通道光电探测电路模块，通道数大于等于3，带宽 200kHz以上。

进一步地，多通道前置放大器电路模块，通道数大于等于3，放大滤波范围100kHz～200kHz，放大倍率40dB。

进一步地，多通道数字采集卡，通道数大于等于3，采样频率 1MHz以上。

(三)有益效果

本实用新型提出一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，包括光纤布拉格光栅、1×2光纤耦合器、两根光纤延迟线、3× 3光纤耦合器、多通道光电探测电路模块、多通道前置放大器电路模块、多通道数字采集卡和FPGA现场可编程门阵列。该系统利用由1×2光纤耦合器、光纤延迟线和3×3光纤耦合器组成的非平衡马赫曾德干涉仪，将声发射信号作用在光纤布拉格光栅上产生的中心波长变化转换为干涉仪接收端的相位差的变化，进而转换为光强的变化，最终通过光电转换和信号处理实现声发射信号的检测。本实用新型可以有效的降低温度变化对声发射信号检测的影响，提高系统稳定性和检测精度。

本实用新型的传感系统具有检测灵敏度高、精度高、不受电磁干扰、适于动和静态检测、适于恒温和变温环境工作等特点，只要光纤布拉格光栅的中心波长不漂移出宽带光源的波长范围，系统就能够正常工作，不需要添加额外的温度补偿光纤布拉格光栅，也不需要对光源或者光纤布拉格光栅的波长进行精确匹配，温度变化造成的中心波长漂移影响可以通过后续滤波或解调算法得以削弱，这使得光纤布拉格光栅传感器在变温环境下同样具有正常工作的能力。本实用新型实现原理简单，检测声发射信号效果较好。

附图说明

图1为本实用新型实施例的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其原理如图1所示，主要由传感与解调两部分组成。其中，传感部分通过与待测结构件13表面相耦合的光纤布拉格光栅4实现；解调部分包括1×2光纤耦合器5、两根光纤延迟线6和7、3×3光纤耦合器8、多通道光电探测电路模块9、多通道前置放大器电路模块10、多通道数字采集卡11和FPGA现场可编程门阵列12。

具体实施方式如下：ASE宽带光源1输出的宽带光，经过EDFA 掺铒光纤放大器2进行功率放大，再经过光纤环行器3到达光纤布拉格光栅4；光纤布拉格光栅4返回的反射光，经过光纤环行器3后通过1×2光纤耦合器5分成两束光，两束光分别进入两根延迟量不等的光纤延迟线6和7后，分别连接3×3光纤耦合器8的同一侧的两个输入端；3×3光纤耦合器8的三个输出端分别连接多通道光电探测电路模块9，将光信号转换为电信号；电信号进入多通道前置放大器电路模块10进行放大，放大后的电信号通过多通道数字采集卡11 采集后，进入FPGA现场可编程门阵列12中进行信号解调，得到声发射信息。

当外界作用(如载荷、应力等)施加于待测结构件13，使得待测结构件13的内部产生微裂纹时，会伴随声发射信号的输出。该声发射信号以弹性应变波的形式在待测构件13中传播，在被光纤布拉格光栅4接收到时，引起光纤布拉格光栅4的反射光中心波长发生漂移。光纤布拉格光栅4的反射光经过由1×2光纤耦合器5，光纤延迟线6和7，3×3光纤耦合器8组成的非平衡马赫曾德干涉仪后，在 3×3光纤耦合器8的输出端发生干涉；由于光纤延迟线6和7的延迟量不同导致干涉仪存在臂长差，臂长差使得发生干涉的两束光存在一定的相位差，这个相位差与光波长有关。当光纤布拉格光栅4的中心波长发生漂移时，发生干涉的两束光的相位差也随之发生变化，使得3×3光纤耦合器8的输出端的光强发生变化。输出端的光强变化就能够反映出光纤布拉格光栅的中心波长变化。接下来通过光电转换和信号处理就能实现声发射信号的检测。

ASE宽带光源1为放大自发辐射宽带光源。宽带光源是以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的光源，激励源完全来自于受激原子的自发辐射，虽然光纤放大器中没有谐振腔镜，这些自发辐射不能形成激光束，但是如果发生在光纤中的自发辐射能沿光纤传导，自发辐射就能被放大，产生一种背景噪声，成为放大自发辐射，从而形成ASE 光源。它有着易于和光栅传感系统耦合、温度稳定性好、3dB带宽较宽等一系列优点。本实施例中，使用的宽带光源在光谱范围内平坦性好，波长范围1520nm～1560nm，中心波长1545nm，3dB带宽40nm。

EDFA掺铒光纤放大器2用于放大光功率，增加信噪比，其工作波长与ASE宽带光源1的工作波长一致。掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤(长约10-30m)和泵浦光源组成，其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源(波长980nm或1480nm)的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化这就相当于对输入光信号进行了放大。本实施例中，使用的掺铒光纤放大器将输入宽带光放大到100mW。

本实施例中，光纤布拉格光栅4的中心波长在ASE宽带光源1 发出光的波长范围内。

光纤延迟线6和7可以手动调节延迟量，进而改变干涉仪两臂的光程。由于光纤布拉格光栅的反射光的带宽较宽(约为0.2nm)，对应的相干长度较短(约为1cm)，所以在光路中接入延迟线用来调整干涉臂的长度。光纤延迟线的最大延迟量折算成的光程差应与光纤布拉格光栅反射光的带宽对应的相干长度一致，以使得光纤布拉格光栅的反射光能够发生干涉。本实施例中，使用的光纤延迟线6和7的中心波长为1550nm，最大延迟量为660ps。

3×3光纤耦合器8的两侧各有三个端口。当一侧的两个端口的入射光在耦合器中发生干涉时，另一侧的三个端口的输出光光强相等，相位相差120°。通过合适的解调算法从三个端口的输出光中解算出实际的光强变化，能够减少外界环境带来的噪声干扰，提高信号检测的信噪比和灵敏度。

多通道光电探测电路模块9将光信号转化为电信号，是整个系统性能高低的关键之一。本实施例中的传感系统，光信号从宽带光源1 经过一系列光纤通路、器件、接口后，光功率损耗比较大，入射到光电探测器的光功率通常都只有nW量级；而本实施例又要求高频和高精度的光电转化。因此，本实施例中使用半导体InGaAs PIN型光电二极管电路模块进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点，通道数大于等于3，带宽200kHz以上。

多通道前置放大器电路模块10起到将经光电转换后的电信号放大的作用。由于所需放大的电信号属于宽频微弱信号，故需选用滤波范围合适、放大倍率高的前置放大电路模块。本实施例中，多通道前置放大器电路模块10通道数大于等于3，放大滤波范围 100kHz～200kHz，放大倍率40dB。

多通道数字采集卡11通道数大于等于3，采样频率1MHz以上。

FPGA现场可编程门阵列12起到对采集到的数字信号进行滤波、解调的作用。本实施例中，使用的FPGA具有丰富的触发器和加法器、乘法器等片内资源，能够在开发环境中调用相应的IP核实现运算功能。芯片集成度高，设计周期短，开发费用低，性能稳定可靠。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：现有的透射型或反射型光纤布拉格光栅声发射传感系统大多数都工作在恒温或温度变化较小的环境下，一旦环境温度变化较大，光纤布拉格光栅声发射传感系统的精度便会降低，影响最终检测结果，而本实用新型采用干涉式光纤布拉格光栅声发射传感系统，只要光纤布拉格光栅的中心波长不漂移出宽带光源的波长范围，系统就能够正常工作，不需要添加额外的温度补偿光纤布拉格光栅，也不需要对光源或者光纤布拉格光栅的波长进行精确匹配，温度变化造成的中心波长漂移影响可以通过后续滤波或解调算法得以削弱，这使得光纤布拉格光栅传感器在变温环境下同样具有正常工作的能力。本实用新型实现原理简单，检测声发射信号效果较好。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述传感系统包括光纤布拉格光栅、1×2光纤耦合器、两根光纤延迟线、3×3光纤耦合器、多通道光电探测电路模块、多通道前置放大器电路模块、多通道数字采集卡和FPGA现场可编程门阵列；

其中，所述光纤布拉格光栅与待测结构件表面相耦合；ASE宽带光源输出的宽带光，经过功率放大再经过光纤环行器到达光纤布拉格光栅；光纤布拉格光栅返回的反射光，经过光纤环行器后通过所述1×2光纤耦合器分成两束光，两束光分别进入两根延迟量不等的光纤延迟线后，分别连接所述3×3光纤耦合器的同一侧的两个输入端；所述3×3光纤耦合器的三个输出端分别连接多通道光电探测电路模块，由所述多通道光电探测电路模块将光信号转换为电信号；电信号由所述多通道前置放大器电路模块进行放大，放大后的电信号通过所述多通道数字采集卡采集后，由所述FPGA现场可编程门阵列进行信号解调，得到声发射信息。

2.如权利要求1所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的中心波长在ASE宽带光源发出光的波长范围内。

3.如权利要求1所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述两根光纤延迟线的中心波长为1550nm，最大延迟量为660ps。

4.如权利要求1所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述多通道光电探测电路模块为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路模块。

5.如权利要求4所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述多通道光电探测电路模块，通道数大于等于3，带宽200kHz以上。

6.如权利要求1所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述多通道前置放大器电路模块，通道数大于等于3，放大滤波范围100kHz～200kHz，放大倍率40dB。

7.如权利要求1所述的干涉式光纤布拉格光栅声发射信号传感系统，其特征在于，所述多通道数字采集卡，通道数大于等于3，采样频率1MHz以上。

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