光纖聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

梁藝軍,劉俊鋒,張巧萍,吳雷,樊晨光

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

聲發(fā)射(AE)是材料結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí),以某種彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象.聲發(fā)射信號(hào)可以借助高靈敏度的聲發(fā)射檢測(cè)儀檢測(cè)、分析,從而推斷聲發(fā)射源(如裂紋)的位置和活動(dòng)度.近年來(lái),聲發(fā)射技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于設(shè)備無(wú)損檢測(cè)、在線監(jiān)控等場(chǎng)合.聲發(fā)射源定位技術(shù)是聲發(fā)射技術(shù)研究的核心問(wèn)題之一,由于此檢測(cè)技術(shù)的無(wú)損性和動(dòng)態(tài)性,目前已經(jīng)成為檢測(cè)材料缺陷或結(jié)構(gòu)完整性的重要手段[1].

在已開發(fā)的諸多聲發(fā)射檢測(cè)儀中,較為先進(jìn)的多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)一般裝備了微型計(jì)算機(jī),具有檢測(cè)、定位、分析等功能[2-4],但價(jià)格極其昂貴.傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測(cè)儀多采用壓電陶瓷作為敏感元件,其檢測(cè)靈敏度受到壓電傳感器諧振頻率的限制.光纖傳感器具有檢測(cè)頻率范圍寬、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),又由于光纖自身的特質(zhì)(柔軟性好、幾何尺寸小、耐腐蝕等),亦可埋入固體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控[5-6].因此本文擬采用光纖Sagnac干涉儀作為聲信號(hào)的敏感元件,構(gòu)成傳感方陣,基于AVR系列單片機(jī)開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)聲發(fā)射信號(hào)處理軟件,構(gòu)建一成本低廉、檢測(cè)靈敏度高、適用范圍廣泛的聲發(fā)射源定位平臺(tái).

1 基本原理

1.1 光纖傳感器檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)原理

單模光纖Sagnac干涉儀用于超聲波檢測(cè)的原理結(jié)構(gòu)由圖1給出.l1和l2是干涉儀的2個(gè)臂,起傳輸光信號(hào)的作用.l是一段被纏繞成圓環(huán)狀的光纖,用來(lái)接收或感應(yīng)超聲波,2×2光纖 3 dB耦合器被用來(lái)分解和合成干涉光束.從耦合器的一端注入的激光經(jīng)過(guò)耦合器后被分成兩束,一束光經(jīng) l1→l→l2傳輸?shù)捷敵龆?另一束經(jīng)l2→l→l1傳輸?shù)捷敵龆?當(dāng)超聲波作用于圓環(huán)狀光纖l時(shí),在l中傳輸?shù)膬墒獾奈幌啾徽{(diào)制.超聲波對(duì)干涉儀的 2個(gè)臂l1和 l2的作用可以忽略不計(jì)[7-8].

圖1 光纖Sagnac干涉儀原理圖Fig.1 Schematic of the fiber op tic Sagnac interferometer

到達(dá)光探測(cè)器的兩束光的光波場(chǎng)EL和ER分別可表示為

式中:A是與注入光的振幅和耦合器的插入損耗成正比的常數(shù);ω是光波的頻率;φs是超聲波導(dǎo)致的傳感區(qū)域兩束光位相的變化;τL和τR分別是這兩束光通過(guò)傳導(dǎo)光纖l1和l2從光纖敏感區(qū)域l傳播到光探測(cè)器所經(jīng)歷的時(shí)間;φ1和 φ2分別是兩束光在光纖敏感區(qū)域l的初位相,它們與傳導(dǎo)光纖 l1和l2的長(zhǎng)度有關(guān).由式(1)和(2),輸出到光探測(cè)器的光強(qiáng)度為

式中:Δφs=φs(t-τR)-φs(t-τL),Δφ=φ2-φ1.

給PZT加載一個(gè)正弦波電壓,并認(rèn)為PZT的振動(dòng)為超聲波且在鋼板中線性傳播.作用在光纖l上的超聲波(或振動(dòng))對(duì)l中傳輸?shù)墓獠ㄎ幌嗟恼{(diào)制可以被表示為

式中:ωu是超聲波的頻率;φs0是位相變化的幅值,與超聲波的強(qiáng)度成正比.Δφs可表示為

其中,τ=τR+τL,τ′=τR-τL.

在實(shí)際檢測(cè)中,通常只關(guān)心信號(hào)的交流部分,式(3)可以被改寫為

其中,γ=2φs0sin(ωuτ′/2).

通過(guò)MATLAB軟件對(duì)式(6)進(jìn)行了仿真,當(dāng)γ的數(shù)值較小,而 Δφ接近于 π/2時(shí),干涉儀處于正交狀態(tài),輸出信號(hào)的基頻和超聲波調(diào)制信號(hào)的頻率相同.當(dāng) Δφ接近于 0或 π時(shí),干涉儀輸出信號(hào)中除基頻外,含有越來(lái)越明顯的倍頻分量.由此可見(jiàn),只要合理的構(gòu)建干涉儀系統(tǒng),使之工作在正交區(qū)間附近,即 Δφ=π/2附近的區(qū)域,即可用于聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè).

1.2 聲發(fā)射源定位原理

本系統(tǒng)采用歸一化矩形陣列定位方法,它是一種將聲源位置坐標(biāo)歸一化的定位方法.這種方法數(shù)學(xué)表達(dá)形式簡(jiǎn)單、對(duì)稱,易于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在公式的推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有作任何近似假設(shè),表達(dá)準(zhǔn)確,并且不經(jīng)過(guò)判斷就可以確定唯一解[9].

要在鋼板上進(jìn)行聲源定位,首先將定位系統(tǒng)等效成一個(gè)理想的模型:激勵(lì)源在鋼板上所產(chǎn)生的聲波,波速為一常數(shù),即不受介質(zhì)本身性質(zhì)的影響;四路傳感器的響應(yīng)特性相同;聲源及傳感器都近似成點(diǎn).聲發(fā)射源的定位是利用四路傳感器接收到聲源發(fā)出同一聲波的時(shí)刻不同,當(dāng)有傳感器采集到信號(hào)后,開始計(jì)時(shí),依次記下另外 3個(gè)傳感器所采集到信號(hào)的時(shí)間,在根據(jù)已知的速度就可計(jì)算出聲源的位置.

建立幾何模型如圖2所示,取矩形的長(zhǎng)為a,寬為b,1點(diǎn)處的幾何坐標(biāo)為(0,0),聲源的位置坐標(biāo)為(x,y).

圖中傳感器 1、2、3、4為四路傳感器所在的位置;r為聲源到1的距離;聲源到 2的距離與聲源到1的距離差S2=vt2,聲源到 3的距離與聲源到 1的距離差S3=vt3,聲源到 4的距離與聲源到 1的距離差S4=vt4,其中 v為聲波在該介質(zhì)中的傳播速度, t2、t3、t4分別為采集信號(hào)的時(shí)間差.

圖2 聲源定位原理示意圖Fig.2 Schematic of the principle of the acoustic source

根據(jù)圖 2,當(dāng)信號(hào)先到達(dá)傳感器 1時(shí),列出方程有

解得

同理即可求出信號(hào)先到達(dá)傳感器 2、3、4等其他情況下的x、y坐標(biāo)值.

2 聲發(fā)射源定位系統(tǒng)開發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)的迅速普及和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化監(jiān)控領(lǐng)域之中.而要完成一個(gè)監(jiān)控過(guò)程一般都要利用集散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).在這種監(jiān)控系統(tǒng)中,下位機(jī)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和對(duì)設(shè)備一級(jí)的監(jiān)控,上位機(jī)則要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、控制以及數(shù)據(jù)、圖形顯示、打印、人機(jī)對(duì)話等工作.而上位機(jī)與下位機(jī)大多是通過(guò)PC機(jī)的RS-232串行接口或USB接口實(shí)現(xiàn)通信.

2.1 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的作用是對(duì)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到所要的結(jié)果,并實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以VB6.0作為開發(fā)環(huán)境,主要應(yīng)用VB自帶的MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(計(jì)算機(jī))與下位機(jī)(單片機(jī))的串口通信[10-11],所設(shè)計(jì)的軟件界面可以對(duì)聲發(fā)射源定位信號(hào)采集處理電路采集到的聲發(fā)射源信號(hào)進(jìn)行處理,包括繪制出每一路信號(hào)的波形,根據(jù)定位原理的計(jì)算結(jié)果顯示聲發(fā)射源的位置,針對(duì)各傳感器初位相不同而附加時(shí)間差修正等功能.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 The flowchart of the experimental p latform

2.2 下位機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和對(duì)設(shè)備的一級(jí)監(jiān)控.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的下位機(jī)主要由 4通道放大電路和數(shù)據(jù)采集電路組成.光纖Sagnac環(huán)形傳感器輸出的干涉信號(hào)要通過(guò)電信號(hào)的形式加以表現(xiàn),而光電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是毫伏量級(jí),很難進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理,因此要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?系統(tǒng)的放大電路部分主要由低通濾波器,高通濾波器,放大器組成.采用OP07芯片的單路放大電路如圖4所示.數(shù)據(jù)采集電路的作用主要是將模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給計(jì)算機(jī),主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)電路兩部分組成.為了節(jié)約成本,采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換.由于數(shù)據(jù)采集對(duì)單片機(jī)的速度有一定要求,選用ATmega32,它具有比普通的微控制器高至 10倍的數(shù)據(jù)吞吐率.通過(guò) AT-mega32將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果采入單片機(jī)后,再通過(guò)MAX 232對(duì)其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信異步傳輸.數(shù)據(jù)采集電路圖如圖 5所示[12-13].

圖4 單路放大電路圖Fig.4 The circuitof the single channel amplifier

圖5 數(shù)據(jù)采集電路圖Fig.5 The circuit of the data acquisition

3 模擬聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用一種自制機(jī)械式聲發(fā)射模擬源激勵(lì)鋼板,在鋼板上排布4個(gè)Sagnac干涉式光纖傳感器,并將放大器,數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)相連,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示,鋼板尺寸為825 cm×545 cm,圖中所示交叉網(wǎng)格為10 cm×10 cm.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,首先在4個(gè)光纖傳感器確定的矩形中心敲擊,理論上 4個(gè)傳感器探頭會(huì)同時(shí)接收到聲發(fā)射信號(hào),因?yàn)橛谐跸辔坏拇嬖?導(dǎo)致四路信號(hào)存在時(shí)間差,計(jì)算機(jī)可以通過(guò)此次敲擊信號(hào)獲取當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的時(shí)差參考修正值.

保存參考時(shí)差修正值后即可進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn),進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)時(shí)首先點(diǎn)擊軟件上的“開始采集”按鈕,此時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)給下位機(jī)一個(gè)開始采集的命令,采集電路部分開始工作,然后在鋼板上選擇一位置進(jìn)行敲擊,采集電路將采集到四路傳感器檢測(cè)的信號(hào),采集完成后將對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)接收到串口傳來(lái)的數(shù)據(jù),解調(diào)處理后即可完成波形的繪制與聲發(fā)射源位置的計(jì)算.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,均勻選取鋼板上的點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn).聲源作用點(diǎn)為(150mm,150mm)時(shí)所采波形如圖7所示.實(shí)驗(yàn)共測(cè)試鋼板上隨機(jī)選取 16個(gè)點(diǎn),當(dāng)無(wú)時(shí)間修正值時(shí)定位結(jié)果如圖 8所示,加入時(shí)間修正值后的測(cè)試結(jié)果如圖9所示.

圖6 聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system of the acoustic source location

圖7 測(cè)試點(diǎn)(150,150)敲擊波形圖Fig.7 The waveform when knocking at test point(150,150)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于模擬聲源定位是可行的,由圖 8、9可以直觀的看到各位置測(cè)量結(jié)果的偏差程度,圖中三角形圖例表示測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)位置,圓形圖例表示測(cè)試位置.加入時(shí)差修正值后,測(cè)試結(jié)果精度明顯提高.定位結(jié)果的橫向誤差范圍小于4 cm,縱向誤差范圍小于5 cm,個(gè)別點(diǎn)在某一個(gè)方向的定位精度較高.圖中可見(jiàn),鋼板邊緣點(diǎn)相對(duì)精度較中心點(diǎn)高,原因是中心坐標(biāo)精度受時(shí)間差法影響較大.

影響聲發(fā)射源定位精度的因素很多,環(huán)境的波動(dòng),光源的波動(dòng),傳感器與聲源的尺寸,各個(gè)傳感器初相位的差異,鋼板結(jié)構(gòu)的各向異性,鋼板中波的選取,聲發(fā)射信號(hào)計(jì)算點(diǎn)的選取等都可以使定位結(jié)果產(chǎn)生偏差.實(shí)驗(yàn)中加入時(shí)差修正值,目的在于克服傳感器間初相位的不同對(duì)定位精度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,初相位的影響因素在一定程度上可以提高定位精度,對(duì)于其他影響因素,還有待進(jìn)一步研究.

圖 8 無(wú)時(shí)差修正值時(shí)測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test resultswithout time difference correction value

圖 9 加入時(shí)差修正值時(shí)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test resultswith time difference correction value

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了光纖Sagnac環(huán)形傳感器檢測(cè)聲波及實(shí)現(xiàn)聲源定位的原理,提出了基于光纖傳感器的聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì),給出了基于VB6.0的軟件設(shè)計(jì)方案及基于ATmega32的硬件采集電路的硬件實(shí)現(xiàn)方案.通過(guò)模擬聲源定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上設(shè)計(jì)思想及方案,嘗試用時(shí)間值修正的方法提高定位精度.基于以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā),為后續(xù)的信號(hào)處理提供了良好的條件,為了進(jìn)一步提高定位精度,可以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行小波分析,頻譜變換等信號(hào)處理手段,找到合適有效的定位算法,得到更為滿意的定位結(jié)果,構(gòu)建成本低廉、檢測(cè)靈敏度高、適用范圍廣泛的聲發(fā)射源定位平臺(tái),使聲發(fā)射技術(shù)在材料研究、壓力容器評(píng)價(jià)、飛機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度監(jiān)視、混凝土結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控等方面獲得廣泛應(yīng)用.

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