光纖聲發(fā)射傳感器的研究現(xiàn)狀與展望

劉 娟，丁克勤

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051;2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100013)

0 引言

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)得到了迅速發(fā)展。聲發(fā)射(acoustic emission，AE)又稱應(yīng)力波發(fā)射，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［1］。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。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

傳統(tǒng)的AE傳感器多采用諧振式壓電傳感器，其主要缺點是:體積大，頻帶窄，必須與物體接觸，不能在高溫、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。相比之下，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，因此，光纖AE傳感器成為各國研究的熱點。國外對光纖AE傳感器研究較多，國內(nèi)起步較晚，各種的研究報道尚不多。

1 光纖AE傳感技術(shù)原理

光纖傳感器(fiber-optic sensor，F(xiàn)OS)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器，與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)的區(qū)別，F(xiàn)OS 用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖AE傳感技術(shù)的基本原理是: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(jìn)行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì)(如，強(qiáng)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)裝置即可獲得待測參數(shù)。

2 光纖AE傳感器的研究

2.1 相位調(diào)制型光纖AE傳感器

光纖AE傳感器中應(yīng)用最多的是相位調(diào)制型光纖傳感器。其原理是:AE波對敏感單元作用，使敏感部位光纖的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光波的相位發(fā)生變化，通過檢測光相位變化來測量外界待測參量。由于目前的各類光探測器都不能直接感知光的相位變化，必須采用干涉技術(shù)使光的相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化才能實現(xiàn)對待測量的測量，故相位調(diào)制型傳感器有時也稱干涉型傳感器。與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制由于采用干涉技術(shù)而具有較高的檢測靈敏度和較寬的動態(tài)檢測范圍，且探頭形式多樣，適用于不同的檢測環(huán)境，因而，目前的光纖AE檢測大多采用相位調(diào)制型光纖傳感器。已研制成功的相位調(diào)制型光纖AE傳感器主要有:麥克爾遜(Michelson)傳感器、馬赫—曾德(Mach-Zehnder，M-Z)傳感器、賽格奈克(Sagnac)傳感器、琺珀(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)傳感器。

基于Michelson干涉儀的光纖AE傳感器是研究較早的一種光纖傳感器，現(xiàn)在多用于光纖水聽器的研究。其優(yōu)點是:對低頻信號有很好的靈敏度，原理、結(jié)構(gòu)簡單，易構(gòu)成陣列式分布。文獻(xiàn)［2］提出一種基于Michelson，干涉儀的陣列式光纖AE傳感器，其同時采用了密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)和時分復(fù)用技術(shù)(TDM)。但由于此類傳感器對環(huán)境干擾和溫度敏感等缺點而很少見其用于其他領(lǐng)域的報道。M-Z光纖AE傳感器也是早期研究較多，缺點同樣是對環(huán)境干擾與溫度敏感，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。在Michelson和M-Z光纖AE傳感器方面，哈爾濱工程大學(xué)的研究報道較多，已成功將其應(yīng)用于實驗室環(huán)境下的聲發(fā)射檢測［3］。

Sagnac AE傳感器在大型構(gòu)件完整性評估等方面有較大優(yōu)勢，且較適合于高頻信號的檢測，國內(nèi)外研究均較多。此類傳感器抗干擾能力強(qiáng)，易構(gòu)成分布式檢測，缺點是低頻靈敏度低，偏振衰減以及對溫度敏感［4］。國外將Sagnac效應(yīng)用于制作光纖陀螺儀的報道較多，國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)等院校研究了Sagnac光纖傳感器用于聲發(fā)射信號的檢測［5］，此外也有利用以上幾種傳感器組成混合型傳感器的研究。

Michelson，M-Z，Sagnac干涉儀都是雙光束干涉，F(xiàn)-P干涉儀是多光束干涉?；诙喙馐缮娴膫鞲衅骺蛇_(dá)到更高的檢測靈敏度和精度。且F-P傳感器原理簡單，對溫度不敏感，只采用1根光纖，避免了光纖配對等問題［6］，因此，國外對其進(jìn)行了廣泛研究，但國內(nèi)研究尚不多。早在上世紀(jì)90年代燕山大學(xué)曾對其進(jìn)行研究［7］，但后來已經(jīng)鮮見報道。近幾年，西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了F-P聲發(fā)射傳感器的研究并取得一定進(jìn)展，提出雙波長穩(wěn)定方法［8］。北京航空航天大學(xué)對光纖F-P腔反射面的形變與傳感應(yīng)用進(jìn)行了一定研究，提出弧形F-P腔端面的設(shè)計和數(shù)學(xué)模型［9］，但目前沒有見其有用于AE檢測的報道。國外學(xué)者Seat H C提出了F-P腔使用雙折射膜的偽雙腔干涉理論［10］，也有人提出將光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)用作F-P干涉腔的反射鏡，這種反射鏡呈現(xiàn)出很高的反射率，且額外損耗很低，理論上可達(dá)到很好的效果［11］。

2.2 強(qiáng)度調(diào)制型光纖AE傳感器

當(dāng)AE波變化導(dǎo)致光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化時，可以通過測量光強(qiáng)的變化來檢測AE信號，這種方法稱為強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感中最早使用的方法，其優(yōu)點是技術(shù)簡單、成本低，在不要求AE源定位的低精度場合有一定的應(yīng)用。缺點是構(gòu)成點傳感器困難，光源波動、連接器損耗和光探測器響應(yīng)度的變化都會引起光強(qiáng)波動，靈敏度低，無法檢測微弱AE信號。而AE信號一般都很微弱，且在固體中衰減很快，故在實際的AE檢測中很少采用強(qiáng)度調(diào)制型，它主要用于測量位移、可聽聲范圍內(nèi)的聲波［12］等參數(shù)。

2.3 波長調(diào)制型光纖AE傳感器

目前用于光波長調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。傳統(tǒng)的光波長調(diào)制方法主要有F-P干涉式濾光、基于雙折射特性濾光及各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)，近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。近幾年報道較多的波長調(diào)制型光纖AE傳感器主要是 FBG型 AE傳感器，其敏感元件為FBG［11］。其工作原理是:通過AE波調(diào)制光柵的Bragg波長，然后，根據(jù)反射光波長的改變來檢測AE信號。Baldwin C S等人成功將FBG傳感器用于模擬AE源的AE信號檢測［13］。FBG傳感器靈敏度高，容易構(gòu)成分布式測量，但它對溫度敏感，解調(diào)方案復(fù)雜。

近20年來，F(xiàn)BG傳感技術(shù)得到飛速發(fā)展，各國也先后對其投入大量科研資金促進(jìn)其進(jìn)入工程化實用階段，但將其用于AE檢測的研究比較少，所見報道大都是將其用于對應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)的測量，尤其用于橋梁、大壩等土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

2.4 基于光纖耦合器的AE傳感器

基于光纖耦合器的AE傳感器是一種新型光纖AE傳感器［14］，其工作原理是:聲波對光纖耦合器作用，使光纖耦合器輸出光功率發(fā)生變化，通過光功率的變化可知道聲波的性質(zhì)。這種傳感器的優(yōu)點是原理簡單，制作方便，易于批量化生產(chǎn)。目前對這種傳感器的研究報道較少，山東大學(xué)［15］、山東科學(xué)院［16］以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了這方面的初步研究。

2.5 其他類型光纖AE傳感器

其他的光纖AE傳感器有研究較早的偏振型光纖傳感器［17］、基于多普勒效應(yīng)的新型傳感器［18］、基于微分干涉儀的新型傳感器［19］以及基于白光干涉儀的新型傳感器［6］等。

3 光纖AE檢測技術(shù)應(yīng)用情況

3.1 在光纖水聽器中的應(yīng)用

光纖水聽器是光纖AE檢測技術(shù)最重要的應(yīng)用之一，光纖水聽器主要應(yīng)用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播，海底聲學(xué)監(jiān)測，目標(biāo)聲學(xué)監(jiān)測，海洋、陸地石油天然氣勘探，海洋、陸地地震波監(jiān)測以及海洋環(huán)境檢測，又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)和水下兵器試驗的先進(jìn)檢測手段。Cranch GA和Nash P指出光纖水聽器陣列正向大規(guī)模時分與密集波分復(fù)用方向發(fā)展，以滿足未來聲納系統(tǒng)大規(guī)模組陣的需要［20］。

3.2 在醫(yī)學(xué)超聲碎石中的應(yīng)用

體外超聲波碎石是一種新的結(jié)石治療手段，它采用超聲波回聲的強(qiáng)大沖擊力來擊碎人體內(nèi)的結(jié)石。光纖AE傳感器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲碎石已經(jīng)產(chǎn)品化，如光纖內(nèi)窺鏡已問世。光纖內(nèi)窺鏡可用來檢測超聲沖擊波，用光纖做成的內(nèi)窺鏡探頭可以小到微米數(shù)量級，檢測起來更為方便［21］。

3.3 在復(fù)合材料損傷檢測和智能復(fù)合材料制作中的應(yīng)用

復(fù)合材料經(jīng)受交變載荷時會經(jīng)歷基體開裂、纖維/基體界面脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等階段，在這些階段都會產(chǎn)生豐富的AE信號，通過光纖AE傳感器對AE信號的監(jiān)測可以判斷出不同的損傷形式和損傷位置。智能復(fù)合材料不僅能感知環(huán)境變化、識別重要刺激因素，并能對其做出反應(yīng)，目前，美國、日本等都在進(jìn)行智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與能動的無損檢測的研究。光纖AE傳感器體積小、重量輕，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，易于構(gòu)成分布式，這使其成為制造智能復(fù)合材料的首選對象。

3.4 在工業(yè)無損檢測與評估(NDT＆E)中的應(yīng)用

光纖AE傳感器可以解決傳統(tǒng)壓電式AE傳感器頻帶窄、抗電磁干擾能力差等問題，且壓電傳感器檢測所用的耦合劑會對被檢物體表面造成不同程度的邊界狀態(tài)改變或表面損傷，而光纖AE傳感器不需耦合劑可避免此類情況，因此，光纖AE傳感技術(shù)成為工業(yè)上AE檢測研究的新方向。利用光纖AE傳感器可以實現(xiàn)對產(chǎn)品缺陷的早期預(yù)測，也有關(guān)于工程實用的報道，包括壓力管道泄露檢測［22］、刀具健康監(jiān)測系統(tǒng)［23］、電力設(shè)備運行監(jiān)控［24］等。

3.5 在土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

光纖傳感器在民用工程中最廣泛的應(yīng)用是用于土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，如用于橋梁、大壩等。將光纖傳感器粘貼于金屬、混凝土表面或者埋入建筑物中，可實時連續(xù)監(jiān)測工程建筑物的應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋萌生及擴(kuò)展等。此外，光纖AE檢測技術(shù)還可用于巖石材料破裂的聲發(fā)射研究［25］。

4 存在的問題與發(fā)展趨勢

4.1 光纖AE傳感器存在的主要問題

1)抗振能力差:由于光纖傳感器對振動極為敏感，以至于小的環(huán)境振動也會引起系統(tǒng)信號的變化，這也是光纖AE傳感器實用化的主要障礙。

2)光源波動、光強(qiáng)損失、相位延遲、偏振態(tài)不一致等因素都會導(dǎo)致輸出信號不穩(wěn)定，需要尋求各種精確的相位補(bǔ)償、偏振控制、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

3)制造工藝不完善，沒有實現(xiàn)產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2 光纖AE傳感器發(fā)展趨勢

1)全光纖微型化:傳感頭由光纖構(gòu)成且只使用1根光纖已成為發(fā)展趨勢。全光纖傳感頭的體積小且工作可靠，由于目前光纖之間的熔接損耗為0.l dB左右，這樣的損耗不影響探頭的正常工作，目前，光纖之間的粘接技術(shù)和光纖端面拋光、鍍膜等相關(guān)技術(shù)等都在研究中。

2)多參量實時化:1只傳感器同時測量多個參量既可減少測量裝置的元件數(shù)量，又可避免多只傳感器之間相互影響，因而，多只參量實時監(jiān)測成為研究的熱點。目前已有很多研究者在研究能進(jìn)行溫度、應(yīng)力、應(yīng)變同時測量的光纖光柵類傳感器，并取得了一定的研究成果。

3)高精度實用化:光纖傳感器在研究過程中各組成元件都是線性理想化的，和實際應(yīng)用存在一定的差距。因此，光通道中的非線性研究、實際檢測動態(tài)范圍的增大是實用化的基礎(chǔ)。

4)陣列化，網(wǎng)絡(luò)化，易于構(gòu)成分布式檢測系統(tǒng):構(gòu)成分布式檢測系統(tǒng)可以大幅度提高檢測效率，節(jié)約檢測成本，節(jié)省時間人力物力，利用無線傳輸與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測也可為特殊環(huán)境下的實時檢測提供極大方便。

5)AE源精確定位與識別能力的提高:AE源定位的精度直接影響到后續(xù)維護(hù)和維修工作的效率，因此，能夠進(jìn)行AE源高精確度定位和損傷模式識別對于檢測儀器來說亦非常重要。

5 結(jié)束語

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??；诟鞣N基本光學(xué)干涉儀的光纖聲發(fā)射傳感器已得到了廣泛深入的研究，并取得了一定進(jìn)展?；贐ragg光柵、啁啾光柵等各種光柵傳感器與光學(xué)干涉儀相結(jié)合的新型光纖AE傳感器有望得到深入研究，且更先進(jìn)的解調(diào)設(shè)備的研制成功也將為此類研究提供便利條件。

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