熔錐形光纖聲發(fā)射傳感器的實驗研究

郝俊才

(黑龍江科技大學 理學院，哈爾濱 150022)

材料在出現(xiàn)裂紋、斷裂或內部應力大于σs時，應變能在瞬間通過彈性波釋放出來的現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射(應力波發(fā)射)[1]。這種彈性波表現(xiàn)為聲波，它的頻率在小到幾赫茲一直到數(shù)兆赫茲的范圍內，通常小能量的聲發(fā)射不易察覺，需要用儀器檢測。應用儀器檢測聲發(fā)射信號，確定聲發(fā)射的位置的方法稱之為聲發(fā)射技術。通常情況下，獲取聲發(fā)射信號所用的傳感器都是壓電傳感器。壓電傳感器具有體積大、質量大、易受電磁干擾、易腐蝕及易受溫度和濕度的影響等不足，而光纖傳感器可以避免這些缺陷。光纖傳感器種類很多，而用來測量聲發(fā)射的傳感器卻有限。文獻[2－3]是基于光干涉原理的聲發(fā)射傳感器:馬赫－曾德爾、邁克爾遜、法布里－帕羅和塞格納克干涉儀等，以及借助光學反射和多涂層技術制成的傳感器[4－6]。它們的成本高，測量時安裝復雜且易受到溫度變化的影響[7]。筆者提出一種基于熔錐形光纖耦合器的新型的光纖傳感器，具有制作簡單和成本低等優(yōu)點。

1 工作原理

基于熔錐形光纖耦合器設計的光纖傳感器，其基本結構如圖1所示。

圖1 熔錐形光纖傳感器結構Fig.1 Structure of optical fiber sensor

由圖1可見，一個典型的傳感器具有一個耦合腰區(qū)，兩個錐形部分。制作時把兩根單模光纖平行放在一起，在火焰的加熱下拉伸，直到形成兩個錐形部分和一個細腰的結構。通常熔錐區(qū)的幾何形狀是拉伸速度、光纖的張力和火焰溫度的函數(shù)，在實驗中可通過儀器調節(jié)這些參數(shù)，可得到不同尺寸的傳感器，經多次實驗可達到理想的效果。制成的傳感器放在一個二氧化硅制作的V型槽內，兩端用硅樹脂膠固定。

圖1所示的融錐形光纖耦合器，光從左端輸入，右端輸出，輸出的功率為[8]

式中:P1、P2——輸出光功率;

P0——輸入光功率;

C(z)——耦合系數(shù)(z軸);

l——耦合區(qū)長度。

折射率的明顯變化會引起耦合系數(shù)C(z)變化，但是C(z)的變化通常很小。所以，光纖耦合器輸出功率的大小由耦合區(qū)的長度決定。耦合器的輸出功率可以表示為

其中，ε(z，t)可以表示為[9]

對于耦合比是50∶50的光纖耦合器，用泰勒級數(shù)在ε0=0附近展開，省略高階量，為簡化計算，認為耦合系數(shù)沿整個耦合區(qū)為C(z)=ˉC，則積分后得方程(1)

由式(1)可知，輸出光功率隨著輸入光功率、聲波的頻率與性質以及耦合區(qū)的幾何形狀變化而變化。

該傳感器使用時就是由測量輸出功率的變化而實現(xiàn)的，計算輸出功率的微分得式(2)

2 測試實驗

2.1 實驗裝置

分別用一塊270 mm×270 mm×2 mm鋁板和一塊300 mm×300 mm×2 mm碳纖維復合材料平板作為聲波傳播介質，在板上P點用鉛筆芯斷裂法模擬聲發(fā)射源，光纖聲發(fā)射傳感器和壓電傳感器分別固定在與P點距離相同的板上。光纖傳感器一端連接激光器光源，另一端輸出兩光信號，經光電轉換、信號采集及記錄。作為比較的壓電傳感器連接到聲發(fā)射儀上，然后再連接到計算機上，整個實驗裝置如圖2所示。

圖2 光纖聲發(fā)射傳感器的測試裝置Fig.2 Schematic diagram of optical fiber AE sensor test

2.2 鋁板

在圖2的鋁板上與壓電傳感器和光纖傳感器的距離都為115 mm的P點，折斷一φ0.7 mm的HB鉛筆芯，兩個傳感器測得的聲發(fā)射波形分別如圖3所示。

圖3 測得的聲發(fā)射波Fig.3 AE wave detected

由圖3a可見，壓電傳感器測得的斷鉛發(fā)出的聲發(fā)射信號幅值隨時間的變化是一種突變信號，持續(xù)時間極短，幅值變化達到0.22 V。光纖傳感器測得的聲發(fā)射信號幅值變化為0.23 V，由圖3b可見，這與壓電傳感器測得的幅值幾乎相等，說明這種光纖傳感器有很高的靈敏度。

對圖3的信號作傅里葉變換，得到的幅頻率響應曲線如圖4所示。

由圖4b可見，光纖聲發(fā)射傳感器的響應頻率為300 kHz，而圖4a壓電傳感器的響應頻率為200 kHz。因此，光纖聲發(fā)射傳感器比壓電傳感器有更寬的頻域。

圖4 頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum

2.3 復合材料板

將圖2所示的實驗裝置中的鋁板換成碳纖維復合材料層板，在與壓電傳感器和光纖傳感器距離為13 mm的P點，將鉛筆芯與板面成45°角方向折斷，產生的聲發(fā)射信號經復合材料層板傳播，后被兩個傳感器探測到，它們各自的幅值隨時間變化的情況如圖5所示。

圖5 測得的聲發(fā)射波形Fig.5 AE waveform detected

比較圖5a和圖5b的聲發(fā)射信號，它們的幅值變化都在0.1 V左右.

分別對圖5a和圖5b的聲發(fā)射信號作傅里葉變換，得到頻率響應如圖6所示。

圖6 頻譜Fig.6 Frequency spectrum

由圖6a可知:壓電傳感器的頻率響應是200 kHz。從圖6b可看出，光纖傳感器的頻率響應可達到300 kHz，光纖聲發(fā)射傳感器比壓電傳感器有更高的頻率響應。

3 壓力容器檢測實驗

把如圖1所示結構的傳感器黏貼在一碳纖維纏繞的壓力容器上，傳感器接到解調儀上，實驗裝置示意如圖7所示。

圖7 壓力容器聲發(fā)射檢測示意Fig.7 Acoustic emission evaluation for pressure vessel

對壓力容器加水壓，在實驗過程中，當水壓為2.4 MPa時，由光纖聲發(fā)射傳感器檢測到壓力容器發(fā)出的聲發(fā)射，經過解調儀并分析處理，得到如圖8所示的信號。由圖8可見，聲發(fā)射信號呈現(xiàn)出0.16 V的小幅度變化和約3 ms的短延時信號，加上此時的壓力是爆破壓力的1/5。據(jù)此可推斷，壓力容器發(fā)生了基體開裂。

圖8 當水壓為2.4 MPa時壓力容器的聲發(fā)射信號Fig.8 AE signals from pressure vessel reaching 2.4 MPa water pressure

繼續(xù)加壓，在水壓等于3 MPa(約為爆破壓力的1/3)時，壓力容器的聲發(fā)射波形如圖9所示。圖9中的信號表現(xiàn)出較大的幅值變化(0.3 V)，較長的延時(4 ms)，由此推斷碳纖維纏繞壓力容器可能發(fā)生了界面損傷。

圖9 水壓力為3 MPa時壓力容器的聲發(fā)射信號Fig.9 AE signals from pressure vessel reaching 3 MPa water pressure

4 結束語

基于熔錐形光纖耦合器的光纖傳感器具有結構簡單、容易制作及成本低等優(yōu)點。該傳感器可檢測鋁板和復合材料層板上斷鉛發(fā)出的聲發(fā)射。鋁板上的信號幅值變化為0.22 V，復合材料層板上信號幅值變化為0.1 V。這是由于鋁板為各向同性材料，其聲發(fā)射傳播時衰減小，傳播距離長。而復合材料是各向異性材料，其聲發(fā)射波衰減大、傳播距離短。光纖聲發(fā)射傳感器的頻率響應為300 kHz，壓電傳感器頻率響應為200 kHz。對于復合材料壓力容器的檢測，分別檢測它在2.4、3 MPa壓力下的聲發(fā)射現(xiàn)象，推斷壓力容器發(fā)生了基體開裂和界面損傷，但對于它的全面的檢測和評價還有待于進一步研究。

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