畢業(yè)論文——基于光纖光柵的聲發(fā)射檢測

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 （論 文）</p><p>　　論文題目：基于光纖光柵的聲發(fā)射檢測</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p>　　ABSTRACT3</p><p>　　第1章 緒論4

2、</p><p><b>　　1.1研究背景4</b></p><p>　　1.2研究目的和意義5</p><p><b>　　1.3研究內(nèi)容6</b></p><p>　　第2章 聲發(fā)射傳感器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀7</p><p>　　2.1聲發(fā)射傳感器的研究7&

3、lt;/p><p>　　2.1.1傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感器7</p><p>　　2．1．2光纖聲發(fā)射傳感器9</p><p>　　2.2聲發(fā)射傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀10</p><p>　　第3章 光纖光柵聲發(fā)射檢測的基本原理11</p><p>　　3．1光纖AE 傳感技術(shù)的基本原理11</p><p&

4、gt;　　3．2光纖Bragg光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的解調(diào)原理12</p><p>　　第4章 光纖光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的構(gòu)建14</p><p>　　4.1光纖光柵聲發(fā)射檢測的探測系統(tǒng)14</p><p>　　4.2光纖光柵聲發(fā)射檢測的解調(diào)系統(tǒng)15</p><p>　　第5章 性能測試實驗結(jié)論和分析結(jié)論16</p><

5、;p>　　5．1實驗儀器簡單介紹16</p><p>　　5．2實驗所測結(jié)果及分析18</p><p>　　第6章 總結(jié)與展望21</p><p><b>　　6．1總結(jié)21</b></p><p>　　6．2課題展望及發(fā)展前景21</p><p><b>　　參考文獻

6、22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　聲發(fā)射( Acoustic Emission，AE) 是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，有時又稱作應(yīng)力波發(fā)射。用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的

7、技術(shù)成為聲發(fā)射技術(shù)【1】。隨著計算機和微型計算機的快速迅猛的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)作為新的無損檢測也迅速發(fā)展。聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了航空航天、石油化工、鐵路、汽車、建筑、電力等眾多經(jīng)濟領(lǐng)。</p><p>　　聲發(fā)射具有檢測材料內(nèi)部動態(tài)過程的能力, 它的獨特點就在于能夠檢測材料或結(jié)構(gòu)自身發(fā)出的信號，使人們了解檢測對象是處于怎樣的動態(tài)過程中。聲發(fā)射檢測技術(shù)在航空航天、石油化工、鐵路運輸、電力等領(lǐng)域，都是一種重要的無

8、損檢測。它與常規(guī)的無損檢測相比有兩個基本特點：一是對動態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中可以實時發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來源于缺陷本身，可以更好地了解檢測對象缺陷信息和動態(tài)過程。此外，傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器體積大，頻帶窄，受電磁干擾比較嚴重，在強電場、高溫環(huán)境下其有效性受到很大制約。因此，基于光纖的聲發(fā)射檢測技術(shù)的研究具有非常重要的意義。</p><p>　　本文基于鋁合金對光纖光柵聲發(fā)射檢測進行性能測試，完成對三個標

9、準信號——AE、連續(xù)信號和斷鉛信號的檢測功能，并將實驗結(jié)果與傳統(tǒng)壓電諧振聲發(fā)射檢測作對比，最終得出實驗結(jié)論，同時分析影響光纖聲發(fā)射檢測的因素。</p><p>　　關(guān)鍵字： 聲發(fā)射 ；光纖聲發(fā)射檢測；標準信號</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Acoustic Emission means the phe

10、nomenon that partial fast release energy with the transient elastic wave in different materials, sometimes it is also called stress wave emission. Acoustic emission technology includes instrument examination, analysis la

11、unch acoustic emission using sound transmitting message inference signal sound source technology .With the fast and rapid development of computers and micro-computer, the acoustic emission technique as a new non-destruct

12、ive testing of rapid developm</p><p>　　Acoustic emission has the ability of the test of material internal dynamic process .And acoustic emission detection technology is an important non-destructive testing.

13、Compared with conventional non-destructive testing has two basic characteristics: First, it is sensitive to the dynamic defection and it can realizes real-time detection of defect initiation and propagation process .Acou

14、stic emission wave comes from the defect itself, a better understanding of the detect objects defects informatio</p><p>　　This paper complete the performance test of fiber Bragg grating acoustic emission det

15、ection system based on aluminum alloy, and the detection of three standard signals - AE, continuous signal, and off the lead signal. Compared the experimental results of the AE with the conventional piezoelectric acousti

16、c emission, prove the experimental results and analysis of the factors affecting the fiber-optic acoustic emission detection system.</p><p>　　Keywords: Acoustic emission; fiber optic acoustic emiss

17、ion detection; standard signal</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　近幾十年來，聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種新的無損檢測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。聲發(fā)射( Acoustic Emission，AE) 是材

18、料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，有時又稱作應(yīng)力波發(fā)射。在外部條件下，固體( 材料或零件) 的缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)而自動發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦稱聲發(fā)射。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴展是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。這種直接與變形與斷裂機制有關(guān)的源是聲發(fā)射源。近年來，流體的泄漏、摩擦、撞擊等與變形和斷裂機制無關(guān)的另一種彈性波源，被稱作其它或者二次聲波源。用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號來推斷聲發(fā)射源的技術(shù)叫做聲發(fā)射技術(shù)

19、。隨著計算機和微型計算機的快速迅猛的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)作為新的無損檢測也迅速發(fā)展。聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了航空航天、石油化工、鐵路、汽車、建筑、電力等眾多經(jīng)濟領(lǐng)域【2】。</p><p>　　聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)金屬材料塑性變形和斷裂時都有聲發(fā)射信號產(chǎn)生。各種材料的聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻，20Hz～20KHz的聲頻到數(shù)MHz的超聲頻。聲發(fā)射信號的幅度也很大，從10-13m的微觀

20、錯位運動到1m量級的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應(yīng)變能量足夠大，就可以產(chǎn)生人聽得到的聲音。比如鉛筆芯的斷裂、樹枝的折斷、機械器件的斷裂等。聲發(fā)射技術(shù)從研究的范圍來看，剛最初的壓力容器、金屬疲勞和斷裂力學應(yīng)用，發(fā)展到聲發(fā)射儀器制造、信號處理、金屬材料、復合材料、巖石、航空航天、鐵路運輸、工程制造過程檢測、建筑、石油化工、電力等幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域。隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，新建的高層建筑、大橋、水庫和水力發(fā)電的大壩、隧道、石油儲備、煤礦建筑等對建筑

21、空間的要求越來越高，事故危險性也正在增加。一旦事故發(fā)生，將造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。所以，聲發(fā)射檢測的研究對各個領(lǐng)域都有重要的意義。同時，隨著全數(shù)字化聲發(fā)射儀器和各種功能強大的信號處理軟件的出現(xiàn)，聲發(fā)射檢測步入了一個更高層次【3】。</p><p>　　1.2研究目的和意義</p><p>　　聲發(fā)射具有檢測材料內(nèi)部動態(tài)過程的能力。它的獨特點就在于能夠檢測材料或結(jié)構(gòu)自身發(fā)出的信號，使人們了

22、解檢測對象是處于怎樣的動態(tài)過程中。聲發(fā)射檢測技術(shù)在航空航天、石油化工、鐵路運輸、電力等領(lǐng)域，都是一種重要的無損檢測【4】。它與常規(guī)的無損檢測相比有兩個基本特點：一是對動態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中可以實時發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來源于缺陷本身，可以更好地了解檢測對象缺陷信息和動態(tài)過程。</p><p>　　與其他無損檢測相比較，聲發(fā)射檢測的優(yōu)點是：①可以獲得關(guān)于缺陷的動態(tài)信息，可以根據(jù)這來評價缺陷的實際危害和程度

23、以及結(jié)構(gòu)的完整性和預期使用壽命。這也是聲發(fā)射最大的優(yōu)點。②對于大型結(jié)構(gòu)，不需要移動傳感器做復雜的掃描工作?？梢允褂枚鄠€傳感器檢測需要檢測的部位。這樣經(jīng)過一次加載或者試驗就可以實現(xiàn)大面積檢測缺陷的位置和監(jiān)測缺陷的動態(tài)過程③可以提供隨載荷、時間、溫度等外部變量而變化的實時瞬態(tài)或者連續(xù)信號，適合與過程監(jiān)控以及早期或者臨近破壞的預報④對被檢測工件的要求不高，所以適合與其他無損檢測難以或者無法工作環(huán)境（如高低溫、易燃易爆、核輻射等）下的檢測⑤對幾

24、何構(gòu)建的形狀不敏感，適合與其他方法不能檢測的復雜形狀結(jié)構(gòu)。⑥對于壓力容器的耐壓試驗，聲發(fā)射檢測方法可以預防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災難性時效和限定系統(tǒng)的最高工作電壓。⑦幾乎所有材料在變形和斷裂時均產(chǎn)生聲發(fā)射，聲發(fā)射檢測的適用范圍比較廣【5】。</p><p>　　同時，由于聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)檢測，探測的是機械波，具有以下特點：①聲發(fā)射檢測對材料十分敏感，容易受到機械噪聲的干擾，所以對數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為數(shù)據(jù)

25、庫和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗</p><p>　?、诼暟l(fā)射檢測，一般需要適當?shù)募虞d程序。一般可以利用現(xiàn)成的加載條件。</p><p>　?、勐暟l(fā)射檢測目前只可以給出聲發(fā)射檢測的部位、活性和強度，不能確定聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其他無損檢測方法進行復檢。</p><p><b>　　1.3研究內(nèi)容 </b></p><p&g

26、t;　　實驗過程中分別構(gòu)建聲發(fā)射檢測的探測系統(tǒng)和調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。探測系統(tǒng)有基于線性邊帶濾波器的探測系統(tǒng)、基于光譜儀的探測系統(tǒng)、基于可調(diào)聲光濾波器的探測系統(tǒng)、基于WDM光纖耦合器的探測系統(tǒng)、基于可調(diào)F-P（Fabry-Perot）的濾波器的探測系統(tǒng)等。實驗過程中使用的是基于光譜儀的探測系統(tǒng)，從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)行器到達傳感光纖光柵時，只有以Bragg波長為中心的窄帶光才會被光柵所反射，經(jīng)環(huán)行器進入光譜儀，可直接從光譜儀中觀察反射光譜的特

27、性，如帶寬、峰值位置、譜的形狀等等。當傳感光柵受到外部微擾時，反射光譜的特性就會發(fā)生變化，如峰值位置的移動、譜形的變化等。</p><p>　　光纖傳感包含外界信號如何調(diào)制光線中的光波參量，如強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等的調(diào)制技術(shù)（或者加載技術(shù)）及如何從被調(diào)制的光波中提取外界信號（被測量）的解調(diào)技術(shù)（或檢測技術(shù)）。目前，用于波長解調(diào)有很多種方法，如濾波法、干涉法、光柵色散法、可調(diào)諧窄帶激光器掃描法等。實驗過程

28、中使用的是窄帶激光器匹配解調(diào)法。</p><p>　　實驗過程中基于鋁合金對光纖光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進行性能測試，實驗過程中使用的是基于光譜儀的探測系統(tǒng)，如圖4—1所示，使用的是窄帶激光器匹配解調(diào)系統(tǒng)，如圖4—2所示。實驗整體結(jié)構(gòu)如圖5—4所示，將傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器與光纖光柵聲發(fā)射傳感器至于同一個鋁板上，對光纖光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的性能進行測試，研究其是否能夠完成對正弦信號、斷鉛信號、紡錘信號的檢測，通過上位機獲

29、得相對應(yīng)的電壓—時間、功率—頻率、幅值—時間圖，同時與傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射檢測作對比。最終得到實驗結(jié)論，同時分析影響光纖光柵聲發(fā)射檢測的因素。</p><p>　　第2章 聲發(fā)射傳感器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　2.1聲發(fā)射傳感器的研究</p><p>　　固體介質(zhì)中傳播的聲發(fā)射信號含有聲發(fā)射源的特征信息，一般情況下要根據(jù)這些信息反映材料特性或者是缺陷發(fā)展

30、狀態(tài)，就是說要在固體便面接受這種聲發(fā)射信號。聲發(fā)射信號時瞬變隨機信號，頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻，20Hz～20KHz的聲頻到數(shù)MHz的超聲頻，垂直位移極小約為10-17 ～10-14 米。因此聲發(fā)射檢測儀器具有高響應(yīng)速度、高靈敏度、高增益、寬動態(tài)范圍等性能。</p><p>　　2.1.1傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感器</p><p>　　傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感器主要為壓電諧振式聲發(fā)射傳感器。壓電式傳感

31、器分為諧振式和非諧振式，非諧振式傳感器一般工作在諧振頻率1/3以下頻段，靈敏度 較低，但有很平坦的響應(yīng)，故一般可用于寬頻帶接收。諧振式傳感器工作于頻率響應(yīng)曲線的諧振頻率附近，靈敏度高，但帶寬受到限制，一般用于發(fā)射型換能器，也可用于窄帶接收。由于聲發(fā)射信號較弱，各種干擾較大，因此，諧振式傳感器一般作為換能器運用到壓電諧振式傳感器【6】。</p><p>　　壓電聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護膜、壓電元件、阻尼塊、連

32、接導線及高頻插座組成。壓電元件通常采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇和鈮酸鋰等。根據(jù)不同的檢測目的和環(huán)境采用不同結(jié)構(gòu)和性能的聲發(fā)射傳感器。其中，諧振式高靈敏度聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種。壓電諧振式聲發(fā)射檢測過程中，運用壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。一般情況下，我們把正壓電效應(yīng)稱作是壓電效應(yīng)。</p><p>　　當某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時，在其一定的兩個表面上產(chǎn)生正負異號電

33、荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。 </p><p>　　利用正壓電效應(yīng)制成的正壓電傳感器可以將振動、壓力、加速度等非電量轉(zhuǎn)換成電量，從而進行高精度的測量。</p><p>　　當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，某些電介質(zhì)在一定的方向上將產(chǎn)生機械變形或者是機械應(yīng)力，當外電場撤去后，變形或者應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱作逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)可制成超聲波發(fā)生器、壓電

34、揚聲器、頻率高度穩(wěn)定的晶體振蕩器等。逆壓電效應(yīng)可以用作聲發(fā)射信號的產(chǎn)生。</p><p>　　電介質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷與外力的大小成正比，比例系數(shù)為壓電常數(shù)。它與機械形變方向有關(guān)，一定材料一定方向上則為常量。電介質(zhì)受力產(chǎn)生電荷的極性取決于變形的形式（壓縮或者伸長）。有明顯壓電效應(yīng)的材料是壓電材料，常用的有石英晶體、鈮酸鋰LiNbO3、鎵酸鋰LiGaO3等單晶和鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷PZT等多晶。新型壓

35、電材料有高分子壓電?。ㄈ缇燮蚁㏄VDF）和壓電半導體。</p><p>　　由于壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，加上它重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作簡單、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點，因此，壓電式傳感器的應(yīng)用獲得迅速的發(fā)展。在測試技術(shù)中，壓電轉(zhuǎn)換元件能測量可轉(zhuǎn)換成力的那些物理量，例如壓力、加速度、機械沖擊和震動感等，因此在聲學、力學、醫(yī)學和宇航等廣闊領(lǐng)域中都可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。但是壓電材料制成

36、的聲發(fā)射傳感器無靜態(tài)輸出，而且要求輸出阻抗較高，不耐高溫、容易受電磁干擾等，在一些磁場、電場較強的場合不宜使用。</p><p>　　2．1．2光纖聲發(fā)射傳感器</p><p>　　光纖傳感器（fiber-optic sensor, FOS）是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器，與以電為基礎(chǔ)的傳感器有著本質(zhì)的區(qū)別。目前已經(jīng)研制出兩千多種光纖傳感器，可以用于測量溫度、

37、壓力、應(yīng)變、振動、超聲等物理量；氣體成分、PH值等化學量；抗體、基因等生物量。光纖傳感器與傳統(tǒng)的電子類傳感器相比有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）傳感器的體積小，重量輕，可以方便地安裝在設(shè)備的內(nèi)部，安裝在變壓器油箱或者繞組內(nèi)部可以進行長期監(jiān)測。（2）光纖傳感器用光波作為傳感信號，測量不受外界電磁場的干擾，長期漂移相對較小，可以在高壓等強電場環(huán)境下對電力進行長期的監(jiān)測。（3）光纖傳感器通過光信號的特征變化來實

38、現(xiàn)對外界參數(shù)檢測的功能，傳輸光纜不帶電，傳感器由玻璃纖維制成，絕緣性能好，本質(zhì)安全，適合于石油等工作場所，如表2—1所示。</p><p>　　表2—1為光纖聲發(fā)射傳感器和傳統(tǒng)聲發(fā)射傳感器的特點對比</p><p>　　光纖傳感器（FOS）用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒介。光纖傳感器的組成和原理：光導纖維可以作為光波的傳播介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時光波的特征參量——振

39、幅、相位、偏振態(tài)、波長等因外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場等）的作用直接或者間接地發(fā)生變化，因此光纖傳感器可用作探測各種物理量【7】。光纖傳感器系統(tǒng)一般由光源、傳輸光纖、傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換和信號處理等四個部分。光源發(fā)出的光波通過入射光線傳到傳感探頭，受到被測物理量的調(diào)制，然后攜帶調(diào)制信息的光波經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^解調(diào)即可得到被測物理量的狀態(tài)，如圖2—2所示。</p><p>　　2.2聲發(fā)射傳感器的應(yīng)用

40、現(xiàn)狀</p><p>　　聲發(fā)射檢測技術(shù)具有檢測材料內(nèi)部動態(tài)過程的能力，它在許多技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到越來越多的運用。主要包括以下方面：</p><p>　　⑴材料檢測：由于裂紋的萌發(fā)與擴展伴隨著強烈的聲發(fā)射活動，聲發(fā)射技術(shù)成為斷裂力學的重要研究手段。應(yīng)用于復合材料、增強塑料、陶瓷材料和金屬材料的性能測試，材料的斷裂試驗，金屬和合金材料的疲勞試驗以及腐蝕監(jiān)測，材料的摩擦測試等。</p>

41、<p>　?、齐娏I(yè)：變壓器局部放電的檢測，高壓容器和汽包的檢測，蒸汽管線的連續(xù)泄漏監(jiān)測，鍋爐泄漏的監(jiān)測，汽輪機軸承運行狀況的監(jiān)測，閥門蒸汽損失的定量測試等。</p><p>　?、鞘突すI(yè)：高溫反應(yīng)器、換熱器、管線、低溫容器、球星容器和柱形容器的檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價，閥門的泄漏檢測，埋地管道的泄漏檢測，腐蝕狀況的實時探測和海岸管道內(nèi)部存在沙子的探測等等。</p><p&g

42、t;　?、让裼霉こ蹋簶欠?、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開裂和擴展到連續(xù)檢測等。</p><p>　?、珊娇蘸教旃I(yè)：飛機起落架的原位監(jiān)測，發(fā)動機葉片和直升機葉片的檢測，航空器的在線連續(xù)監(jiān)測，飛機殼體的斷裂探測，航空器的驗證性試驗等。</p><p>　?、式煌ㄟ\輸業(yè)：公路和鐵路槽車的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結(jié)構(gòu)的裂紋探測，橋梁和隧道的結(jié)構(gòu)完整性檢測，卡車和火車滾珠軸承和軸

43、頸軸承的狀態(tài)監(jiān)測，火車車輪和軸承的斷裂探測。</p><p>　?、私饘偌庸ぃ汗ぞ吣p和斷裂的探測，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。</p><p>　　第3章 光纖光柵聲發(fā)射檢測的基本原理</p><p>　　3．1光纖AE 傳感技術(shù)的基本原理</p><p>　　光纖光柵聲發(fā)射檢測原理是

44、：將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)待測AE 波對光進行調(diào)制使光的光學性質(zhì)( 如強度、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等) 發(fā)生變化，從而使已調(diào)光攜帶AE 波的信息，然后，將已調(diào)光送入解調(diào)裝置，從被調(diào)制的光波中提取外界信號（被測量）。</p><p>　　外界信號對傳感光纖中光波參量進行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)。根據(jù)調(diào)制區(qū)與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類。一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號通過直接改變光纖的

45、某些傳輸特征參量對光波實施調(diào)制。這類光纖傳感器稱為功能型（Functional Fiber，簡稱FF型）或本征型光纖傳感器，也成為內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。因為光源耦合的發(fā)射光纖同</p><p>　　光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型或傳感型光纖傳感器。另一類為非功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)在光纖之外，外界信號通過外加調(diào)制裝置對進入光纖中的光波實施調(diào)制

46、，這類光纖傳感器稱為非功能型（Nonfunctional Fiber，簡稱NFF）或非本征型光纖傳感器，在非本征型光纖傳感器中，光纖只起傳光作用，傳感探頭為其他敏感元件。發(fā)射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用，稱為傳光光纖，不具有連續(xù)性，故非功能型光纖傳感器也稱傳光型光纖傳感器或外調(diào)制光纖傳感器【8】。</p><p>　　根據(jù)被外界信號調(diào)制的光波的物理特征參量的變化情況，可將光波的調(diào)制分為光強度調(diào)制、光頻率調(diào)制、

47、光波長調(diào)制、光相位調(diào)制和偏振調(diào)制等五種類型。</p><p>　　圖3—1所示為光纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)圖，它是通過改變光纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的。所謂調(diào)制，就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成，通過對芯層摻雜(通常是摻鍺)，使芯層折射率比包層折射率n2大，從而形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調(diào)制后，形成空間的相位光柵，其作

48、用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸【9】。</p><p>　　3．2光纖Bragg光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的解調(diào)原理</p><p>　　布拉格（Bragg）光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光(帶寬通常約為0.1～0

49、.5nm)。這樣，光纖光柵就起到了光波選擇反射鏡的作用。這樣反射條件就稱為Bragg條件，只有滿足Bragg條件的光波才能被光纖光柵反射只有波長滿足Bragg條件光波才能被FBG反射回來,其余波長的光被透射。所謂相位相匹配是指布拉格波長決定于折射率調(diào)制的空間周期A和調(diào)制的幅度 (也就是有效折射率) 大小，數(shù)學公式如式子1，為Bragg光柵方程。 </p><p>　　由式1所示的光纖光柵的Bragg方程可知，光纖

50、光柵的Bragg波長取決于光柵周期A和反向耦合模的有效折射率，任何使這兩個參量發(fā)生變化的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移, 由式2可得知Bragg波長的漂移量為【10】</p><p>　　這即是光纖光柵傳感的基本原理，原理圖如圖3—2所示。</p><p>　　光纖光柵的反射光譜可以近似高斯函數(shù)表示，當窄帶激光器產(chǎn)生窄帶光并且與反射光譜重疊，光纖Bragg光柵受到聲發(fā)射信號擾動時

51、，會引起光纖光柵反射波的中心波長產(chǎn)生漂移，重疊部分即陰影部分面積（卷積）會產(chǎn)生變化，如圖3-3所示光電轉(zhuǎn)換模塊所接受到的光功率也會隨之變化【11】。</p><p>　　第4章 光纖光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　4.1光纖光柵聲發(fā)射檢測的探測系統(tǒng)</p><p>　　光纖光柵聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，探測系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)。其中探測系統(tǒng)中運用到光纖

52、光柵傳感器的詢問技術(shù)即精確測量波長漂移的技術(shù)。常見的探測系統(tǒng)有：基于線性邊帶濾波器的探測系統(tǒng)、基于光譜儀的探測系統(tǒng)、基于可調(diào)聲光濾波器的探測系統(tǒng)、基于WDM光纖耦合器的探測系統(tǒng)、基于可調(diào)F-P（Fabry-Perot）的濾波器的探測系統(tǒng)等。本文簡單介紹這幾個探測系統(tǒng)：</p><p>　　本次實現(xiàn)采用的是基于光譜的探測系統(tǒng)。光譜儀基本采用光電系統(tǒng)作為光譜接收、探測系統(tǒng)裝置：一個或者多個出射狹縫放在成像物鏡的焦平面

53、上分離出多需要的譜線，將這些譜線的能量傳遞到光電元件上，變成電信號后經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強隨波長變化的譜線。應(yīng)用到光電探測系統(tǒng)擴大了能夠檢測的工作光譜范圍：提高了測量的精度、靈敏度和速度；隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，光譜儀實現(xiàn)了數(shù)字化和自動化。</p><p>　　從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)行器到達傳感光纖光柵時，只有以Bragg波長為中心的窄帶光才會被光柵所反射，經(jīng)環(huán)行器進入光譜儀，可直接從光譜儀中觀察反射

54、光譜的特性，如帶寬、峰值位置、譜的形狀等等。當傳感光柵受到外部微擾時，反射光譜的特性就會發(fā)生變化，如峰值位置的移動、譜形的變化等。因此從光譜儀的光的反射光譜特性的變化就可以獲得傳感光柵上所受外部擾動的信息?；驹韴D如圖4—1所示【12】。</p><p>　　4.2光纖光柵聲發(fā)射檢測的解調(diào)系統(tǒng)</p><p>　　光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)包括光電探測和信號處理兩個部分。在光纖Bragg光柵的

55、傳感系統(tǒng)中，光纖布拉格光柵作為波長調(diào)制型傳感器，被測信息引起B(yǎng)ragg反射波長的移動，其被測信息轉(zhuǎn)化為特征波長的移動。要獲得原來的被測量，就需要從測得的光信號中檢測出布拉格波長的漂移，實現(xiàn)光纖光柵的解調(diào)。信號解調(diào)是傳感器系統(tǒng)總的關(guān)鍵技術(shù)，它的作用主要是能夠及時、準確的提取信號幅值的大小并無是真的在線被測信號隨時間的變化過程【13】。因此，光纖光柵解調(diào)系的檢測精度也往往決定著整個系統(tǒng)的傳感精度.由于光的基本性能都可以收到調(diào)制，因此解調(diào)系統(tǒng)

56、中對應(yīng)的檢測就是光的強度檢測、相位檢測、頻率檢測、偏振態(tài)檢測等。目前用于波長解調(diào)有很多種方法，如濾波法、干涉法、光柵色散法、可調(diào)諧窄帶激光器掃描法等。本次實驗過程中使用的是窄帶激光器匹配法解調(diào)。</p><p>　　圖4—2為窄帶激光器匹配解調(diào)原理圖。其基本原理是用窄帶光源取代寬帶光源，輸出波長與光纖光柵的光譜接近且譜線寬度小于Bragg反射光譜寬度的光，窄帶光輸出的光經(jīng)過耦合器進入傳感光纖光柵（FBG）。當傳感

57、光纖反射光譜發(fā)生變化時，光電轉(zhuǎn)換模塊的接收光強變化反映了激光器的輸出光譜及傳感光纖光柵反射譜的匹配狀況。理論上講，當激光器與傳感器光纖光柵的反射光中心波長達到完全匹配時，窄帶光與反射光譜完全重疊，陰影部分面積最大，光電轉(zhuǎn)換模塊接收到的光功率達到極大值。當Bragg波長受外界信號即聲發(fā)射信號調(diào)制發(fā)生偏移時，由窄帶激光器產(chǎn)生的光與反射光譜重疊的部分就會減少，光強就會發(fā)生變化，最終經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡顯示在上位機上。<

58、;/p><p>　　第5章 性能測試實驗結(jié)論和分析結(jié)論</p><p>　　5．1實驗儀器簡單介紹</p><p>　　整個實驗過程中應(yīng)用到了第四部分所提到的光纖光柵聲發(fā)射探測系統(tǒng)以及解調(diào)系統(tǒng)。實驗過程中使用的是基于光譜儀的探測系統(tǒng)，如圖4—1所示，使用的是窄帶激光器匹配解調(diào)系統(tǒng)，如圖4—2所示。實驗整體結(jié)構(gòu)如圖5—4所示，將傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器與光纖光柵聲發(fā)射傳感器

59、至于同一個系統(tǒng)中，對光纖光柵聲發(fā)射檢測進行測試，研究其是否能夠完成對正弦信號、斷鉛信號、紡錘信號的檢測，同時與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射檢測作對比。其中用到的儀器有光譜儀、耦合器、環(huán)行器、光電轉(zhuǎn)換模塊、法蘭盤、激勵源、鋁板、鉛筆等。下面簡單介紹各儀器在實驗過程中的應(yīng)用：</p><p><b>　　光譜儀：</b></p><p>　　光譜儀基本采用光電系統(tǒng)作為光譜接收、探測系統(tǒng)

60、裝置：一個或者多個出射狹縫放在成像物鏡的焦平面上分離出多需要的譜線，將這些譜線的能量傳遞到光電元件上，辦成電信號后經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化、記錄得到光強隨波長變化的譜線。實驗過程中從寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過環(huán)行器到達傳感光纖光柵時，只有以Bragg波長為中心的窄帶光才會被光柵所反射，經(jīng)環(huán)行器進入光譜儀，可直接從光譜儀中觀察反射光譜的特性，如帶寬、峰值位置、譜的形狀等等。當傳感光柵受到外部微擾時，反射光譜的特性就會發(fā)生變化，如峰值位置的移動、譜形的

61、變化等。</p><p><b>　　光纖耦合器</b></p><p>　　光纖耦合器(Coupler)又稱分歧器(Splitter)、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領(lǐng)域。一般是一種具有Y型分支的元件，由一根光纖輸入的光信號可用它加以等分。實驗過程中使用的是這種光纖耦合器。其功能相當于環(huán)行器，但是光功率損

62、耗較大。</p><p><b>　?。?）環(huán)行器</b></p><p>　　光環(huán)行器是利用法拉第旋轉(zhuǎn)磁光效應(yīng)和雙折射晶體的偏振光學特性制成的多端口單向傳輸非互易光無源器件。光環(huán)行器的工作原理如圖5—2所示，從端口1 輸入的光信號只能在端口2 輸出，端口2 對端口1反向隔離；從端口2輸入的光信號只能在端口3輸出，端口3對端口2反向隔離。三個端口的功率相差不多，但成本

63、比光纖耦合器高。</p><p><b>　　法蘭盤</b></p><p>　　光纖適配器(又名法蘭盤),也叫光纖連接器，是光纖活動連接器對中連接部件。一般應(yīng)用于光纖通信設(shè)備、儀器等，其性能穩(wěn)定可靠，但會損耗光功率。光纖之間是由適配器通過其內(nèi)部的開口套管連接起來的，以保證光纖跳線之間的最高連接性能。光纖適配器有SC，F(xiàn)C，ST之分。 SC代表Standard Con

64、nector，ST代表Straight Tip，F(xiàn)C代表Fiber Connector。實驗過程中使用到的是FC/APC法蘭盤。</p><p><b>　　光電轉(zhuǎn)換原理</b></p><p>　　如圖5—3所示，為光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。一般情況下，二極管處于反向工作狀態(tài)。當光照射在PN結(jié)上時，當電信號送入光電耦合器的輸入端時會形成光電流，光強度越大，光電流越大。因

65、此，最終通過電阻、放大器等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。 </p><p><b>　　激勵源</b></p><p>　　激勵源可分為噪聲源、連續(xù)波源和脈沖波源三種類型。屬于噪聲源的有氦氣噴射、應(yīng)力腐蝕和金鎘合金相變等連續(xù)波源可以由壓電傳感器、電磁超聲傳感器和磁致伸縮傳感器等產(chǎn)生脈沖波源可以由電火花、玻璃毛細管破裂、鉛筆芯斷裂和激光脈沖等產(chǎn)生。傳播介質(zhì)可以是鋼、鋁或其它材料

66、的棒、板和塊。實驗過程中主要用激勵器來提供連續(xù)聲發(fā)射信號和AE信號，即連續(xù)信號和紡錘信號，鉛筆芯斷裂來提供斷鉛信號，使用的傳播介質(zhì)是鋁板。</p><p>　　5．2實驗所測結(jié)果及分析</p><p>　　按照實驗結(jié)構(gòu)圖連接各儀器，進行光柵光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng)性能的測試，同時與傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)作比較。實驗所得如圖5—4所示。</p><p>　　實驗過程中有激

67、勵原來提供連續(xù)信號即正弦信號和AE信號，各參數(shù)設(shè)置為未寫。下面三個圖片為實驗過程中通過上位機獲得所測得的三種信號的相對應(yīng)的電壓—時間、功率—頻率、幅值—時間圖。在圖5—5、5—6、5—7中為光纖Bragg光柵聲發(fā)射傳感器和壓電諧振聲發(fā)射傳感器的對比，下邊一行均為壓電式對應(yīng)圖形。</p><p><b>　　圖5—5 正弦信號</b></p><p><b>

68、　　圖5—6 AE信號</b></p><p>　　圖5—7 斷鉛信號</p><p>　　由以上三個圖片可以得出結(jié)論：光纖Bragg光柵聲發(fā)射傳感器可以完成對聲發(fā)射信號的檢測，圖中的連續(xù)信號、AE信號、斷鉛信號均為聲發(fā)射標準信號。光纖Bragg聲發(fā)射檢測系統(tǒng)可以根據(jù)此原理對各種聲發(fā)射信號進行檢測，進而運用到各個行業(yè)領(lǐng)域。但是從圖片中可以看到，與成熟的傳統(tǒng)的壓電式聲發(fā)射傳感器

69、技術(shù)相比較，光纖光柵聲發(fā)射傳感器檢測檢測技術(shù)不是特別成熟，仍屬于研究階段。目前，光纖光柵聲發(fā)射傳感器檢測技術(shù)還需要不斷改進。</p><p>　　聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用均以材料的聲發(fā)射特性為基礎(chǔ)。影響聲發(fā)射特性的因素：材料，材料不同的聲發(fā)射特性差異很大。即使對同一材料而言，影響聲發(fā)射特性的因素也十分復雜，如熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、試樣形狀、加載方式、受載歷史、溫度環(huán)境和氣氛等。對同一試樣作聲發(fā)射試驗，在同樣的內(nèi)部和外部條

70、件下，由于試樣的聲發(fā)射源不同，也會表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射特性。同時，在系統(tǒng)上不斷進行改進，比如通頻帶的寬度、系統(tǒng)的總增益、設(shè)置的閾值電壓等，減小噪聲的影響，可以提高聲發(fā)射檢測精度。</p><p>　　第6章 總結(jié)與展望</p><p><b>　　6．1總結(jié)</b></p><p>　　本文主要研究基于光纖Bragg光柵傳感器的聲發(fā)射檢測，將光

71、纖光柵聲發(fā)射傳感器和傳統(tǒng)的壓電聲發(fā)射傳感器置于同一個系統(tǒng)中，利用激勵源提供標準信號即連續(xù)信號、AE信號，利用鉛筆芯斷裂提供斷鉛信號。入射光進入光纖中進行調(diào)制，經(jīng)Bragg光柵反射的反射光攜帶AE波的信息，通過窄帶光匹配解調(diào)發(fā)從光波中提取被測量即AE波的信息。最終通過整個系統(tǒng)將光纖光柵聲發(fā)射傳感器與傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器進行對比，測試光纖光柵聲發(fā)射檢測的性能。</p><p>　　6．2課題展望及發(fā)展前景</p

72、><p>　　本次設(shè)計過仍存在很多問題等待解決，例如試驗系統(tǒng)并不是很穩(wěn)定，檢測過程中各種因素的影響使得實驗數(shù)據(jù)有很大的差異?？梢酝ㄟ^改進系統(tǒng)構(gòu)成提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對實驗系統(tǒng)穩(wěn)定性進行檢測。此外，基于光譜儀探測倒得聲發(fā)射信號，可以用來分析被檢測信號的類型以及研究物體內(nèi)部缺陷的實際危害和程度以及結(jié)構(gòu)的完整性和預期使用壽命等。</p><p>　　本文主要研究基于光纖Bragg光柵的聲發(fā)射檢測。與

73、傳統(tǒng)壓電傳感器檢測相比較，光纖AE 傳感器具有體積小、頻帶寬、靈敏度高、損壞閾值高、不必與被測物體接觸、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。目前光纖AE 傳感器作為一種新型的傳感技術(shù)正得到不斷的發(fā)展和完善，也正逐漸應(yīng)用于國防科技、工業(yè)檢測、民用工程建設(shè)等各個領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。同時，隨著全數(shù)字化聲發(fā)射儀器和各種功能強大的信號處理軟件的出現(xiàn)，聲發(fā)射檢測步入了一個更高層次。目前對聲發(fā)射技術(shù)的研究主要包括以下幾個方面：</p><

74、p>　?。?）基于Bragg光柵等各種光柵傳感器與光學干涉儀相結(jié)合的新型光纖AE傳感。</p><p>　?。?）進一步進行采用先進聲發(fā)射技術(shù)、聲發(fā)射波的傳播等方面。</p><p>　?。?）進一步采用先進技術(shù)及先進解調(diào)設(shè)備，開發(fā)新型高效能的聲發(fā)射檢測儀器。</p><p>　　（4）開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域的實驗研究，如泄漏檢測、旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測及金屬切削過程監(jiān)測等。

75、</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉娟,丁克勤.光纖聲發(fā)射傳感器的研究現(xiàn)狀與展望[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29 (9):5-5</p><p>　　[2] 林學煌，光無源器件[M].北京:人民郵電出版社，2001</p><p>　　[3] 藤山邦久「日」編著,馮夏庭譯.

76、聲發(fā)射(AE)技術(shù)的應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996,12</p><p>　　[4] 沈功田,戴光,劉時風.中國聲發(fā)射檢測技術(shù)進展[J].無損檢測，2003，25（6）：307-307</p><p>　　[5] 梁藝軍.題名:[光纖聲發(fā)射檢測技術(shù)研究].學位授予單位所在地：哈爾濱工程大學理學院，2005</p><p>　　[6] 陳麗潔,藍宇,冷建興

77、. 壓電諧振式聲發(fā)射接收傳感器設(shè)計[J].傳感器技術(shù)，2005,24（4）:37-37</p><p>　　[7] 馬良柱.題名:[光纖聲發(fā)射傳感系統(tǒng)研究及應(yīng)用].學位授予單位:山東大學電子與通信工程，2010</p><p>　　[8] 廖延彪編著.光纖光學.第一版.清華大學出版社，2000.</p><p>　　[9] 蔣奇,李術(shù)才,李樹忱. 類巖石材料破裂聲發(fā)

78、射的光纖光柵傳感監(jiān)測技術(shù)[J].無損檢測，2008,30（10）:734-735</p><p>　　[10]李志全,許明妍,湯敬,陳穎,趙彥濤.光纖光柵傳感系統(tǒng)信號解調(diào)技術(shù)的研究[J].應(yīng)用光學,2005,26（4）：36—41</p><p>　　[11]杜佳楠,劉泊.基于MSP430單片機的光纖光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)[J].哈爾濱理工大學學報,2009,14（1）:89-90</p&

79、gt;<p>　　[12]馬衛(wèi)東,施偉,付浩軍,江山.光纖光柵傳感器的工作原理及研究進展[J]. 2001,14（4）:59-59</p><p>　　[13]王向宇,喬學光,李明,賈振安,劉欽朋，李婷. 光纖光柵傳感的解調(diào)方法[J].光通信技術(shù),2006,2:16-16 </p><p><b>　　致謝</b></p><p>

80、;　　首先，要特別感謝我的指導老師——zz老師。xx老師在我畢業(yè)課題的研究和畢業(yè)論文的撰寫過程中，給我提供了極大的幫助和指導。從開始選題到中期修正，再到最終定稿，xx老師給我提供了許多寶貴建議。xx明順老師有著嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到設(shè)計的最終完成，xx老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。近一年來，xx老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的

81、關(guān)懷，在此謹向xx老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。</p><p>　　在此，還要感謝xx在聲發(fā)射實驗過程中對我的指導，還要感謝所有曾經(jīng)為我們控制學院任課的老師，老師們教會我的不僅僅是專業(yè)知識，更多的是對待學習、對待生活的態(tài)度。還要感謝國家和學校提供給我們的良好的學習生活環(huán)境，讓我在這樣的環(huán)境中努力學習，健康成長。同時感謝我的父母，他們是我多年來堅持不懈完成學業(yè)的精神支柱和力量源泉。</p><