基于光纖光柵的PBX聲發(fā)射監(jiān)測方法

邱芷葳，溫茂萍，周紅萍，付 濤

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；2.中國工程物理研究院研究生部，四川 綿陽 621999）

1 引言

高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）材料或構(gòu)件在貯存、運(yùn)輸中由于長期外載荷的作用，將萌生裂紋并持續(xù)發(fā)展為破壞性斷裂，裂紋在發(fā)展過程中積聚的能量突然釋放產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的現(xiàn)象，即為聲發(fā)射（AE）。利用AE技術(shù)對PBX 材料因損傷產(chǎn)生的聲信號實(shí)施在線監(jiān)測，不僅能掌握PBX 損傷趨勢規(guī)律、揭示PBX 損傷破壞機(jī)理，而且對提高武器系統(tǒng)安全性和可靠性具有重要意義［1-2］。相比其他無損檢測技術(shù)，AE 技術(shù)是一種被動監(jiān)測技術(shù)，能對損傷進(jìn)行連續(xù)，實(shí)時的原位監(jiān)測。早期的AE 監(jiān)測工作使用傳統(tǒng)的壓電傳感器（PZT）主要針對金屬的變形和斷裂過程，后來逐步應(yīng)用于復(fù)合材料、巖石、混凝土等材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測［3］。在含能材料領(lǐng)域，中國工程物理研究院［4-6］、北京理工大學(xué)［7］兩機(jī)構(gòu)基于壓電傳感器開展了PBX 材料AE 監(jiān)測工作。但是PZT 體積大，不能植入PBX 構(gòu)件內(nèi)部狹小空間，而且還存在電路放電等安全風(fēng)險(xiǎn)［8］，因此，亟待發(fā)展尺寸小、便于植入而且安全的傳感器監(jiān)測方法，光纖布拉格光柵傳感器（FBG）具有微細(xì)、無源、抗電磁干擾、抗輻射等特點(diǎn)，而且在AE 波的作用下，F(xiàn)BG 產(chǎn)生拉伸或壓縮，勢必改變光柵周期和折射率這兩個參量，引起FBG 中心波長的漂移。因此，一種新型的、基于波長漂移的光纖光柵傳感聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)（FBG-AE）成為應(yīng)用于PBX 損傷監(jiān)測最為有效的技術(shù)途徑。

目前，F(xiàn)BG-AE 技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天和航海業(yè)、采礦業(yè)、電力工業(yè)等領(lǐng)域，針對鋁板、碳纖維增強(qiáng)材料、巖石、變壓器局部放電等損傷或異常情況實(shí)施在線實(shí)時監(jiān)測［9］。Vidakovic M［10］等針對應(yīng)用于航海領(lǐng)域的金屬材料開展了FBG-AE 監(jiān)測工作，替代不能應(yīng)用于海水環(huán)境的PZT 傳感器。日本東京大學(xué)的Wu Q，Yu F［11-12］等利用相移 FBG 傳感器對碳纖維增強(qiáng)板（CFRP）的損傷行為進(jìn)行 AE 監(jiān)測，通過 S 模式波和 A 模式波的頻散特性解釋CFRP 中兩種損傷形式：橫向裂縫、分層現(xiàn)象。Rajan G［13］等基于 FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)對巖體完整性進(jìn)行了評價。馬賓［14］等基于搭建的FBG-AE 系統(tǒng)對變壓器局部放電實(shí)施在線監(jiān)測，驗(yàn)證了內(nèi)置于變壓箱體的FBG 相比布置于箱體外部的PZT有更好的靈敏度和更寬的頻率響應(yīng)范圍。目前，關(guān)于FBG-AE 監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于 PBX 領(lǐng)域報(bào)道極少，付濤［8］等采用斷鉛實(shí)驗(yàn)方法開展了FBG-AE 監(jiān)測PBX 的損傷定位方法，提出了一種時間系數(shù)定位法修正AE 波到達(dá)時間，實(shí)現(xiàn)高精度的損傷定位，但并未開展可應(yīng)用于PBX實(shí)際損傷破壞在線監(jiān)測的FBG-AE 方法研究。

PBX 的聲阻抗較高，F(xiàn)BG-AE 監(jiān)測 PBX 的損傷破壞具有一定難度。因此，為了研究FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)對PBX 損傷監(jiān)測的可行性和適用性，建立了基于FBG 的AE 監(jiān)測方法，測試了機(jī)械載荷作用下PBX 的損傷情況，在此基礎(chǔ)上，為了使系統(tǒng)能適應(yīng)PBX 寬溫域監(jiān)測條件，研究了PBX 損傷監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。進(jìn)而，提出FBG 彎曲粘貼方法，提供了一種提高PBX 損傷定位精度的實(shí)施方法。

2 FBG對AE應(yīng)力波的響應(yīng)理論

AE 源產(chǎn)生的彈性振動會以應(yīng)力波的形式釋放，隨即傳播到材料表面引起表面位移，用傳感器感知材料表面位移的機(jī)械振動，并通過高頻采集系統(tǒng)以電信號的形式采集到該機(jī)械振動，便可對被測材料的AE 信號進(jìn)行分析和處理［15］。FBG 傳感器能敏感于AE 應(yīng)力波引起的材料表面機(jī)械振動，不同于傳統(tǒng)PZT 傳感器的壓電效應(yīng)，F(xiàn)BG 主要表現(xiàn)為中心波長λ發(fā)生漂移，其中漂移量 Δλb可表示為［16］：

式中，Δλb為 FBG 中心波長漂移量，pm；neff0為初始纖芯折射率；ΔΛ為幾何效應(yīng)引起的光柵周期彈性變形量，pm；Δneff為彈光效應(yīng)引起的纖芯折射率變化量；Λ0為初始光柵周期，μm。

作用于FBG的AE應(yīng)力波，描述為時間的余弦函數(shù)［17］：

式中，εm為AE 波振幅，V；λs為應(yīng)力波在介質(zhì)中的波長，mm；z為 FBG 軸上的一點(diǎn)；fs為應(yīng)力波頻率，Hz。當(dāng)FBG 在AE 應(yīng)力波的作用下，由幾何效應(yīng)和彈光效應(yīng)引起的纖芯折射率和光柵周期變化量為（滿足條件：超聲波波長遠(yuǎn)大于柵區(qū)長度）：

式中，P11、P12為彈光系數(shù)，ν為泊松比。式（3）、式（4）代入式（1），得到由AE應(yīng)力波引起的FBG中心波長漂移量［18］：

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 樣品制備

本研究中采用HMX 基PBX，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的HMX 晶體顆粒和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的氟橡膠壓制而成的毛坯件，參考GJB772A-1997 炸藥試驗(yàn)方法417.1、418.1 機(jī)加成啞鈴型拉伸試件和圓柱形壓縮試件，方向敏感性測試所用的HMX 基PBX 試件尺寸為Φ220 mm×70 mm。

3.2 FBG-AE監(jiān)測系統(tǒng)及其環(huán)境適應(yīng)性

圖1 FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of FBG-AE monitoring system

實(shí)驗(yàn)利用可調(diào)諧窄帶激光光源搭建了FBG-AE 高速解調(diào)的監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)選用中心波長約1550 nm，柵區(qū)長度10 mm，反射率大于80%的FBG 貼于PBX 試件表面，以PZT 激勵信號、斷鉛信號和機(jī)械載荷損傷信號作為PBX 的AE源。可調(diào)諧窄帶激光（Santec TSL-510）通過環(huán)形器a端照射于FBG 反射譜的工作測量點(diǎn)。隨后反射光強(qiáng)通過環(huán)形器b 端返回，并被光電探測器（New Focus 2117）接收，此時光信號轉(zhuǎn)換為電信號；前置放大器（Physical Acoustics 2/4/6）把電信號放大，最終錄入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Express8 @ Physical Acoustics Corporation）?；谡瓗Ъす獾腁E 解調(diào)原理如圖2 所示，在外界條件作用下，F(xiàn)BG 的中心波長從圖2a 位置漂移到圖2b 位置產(chǎn)生Δλ的微小漂移量。當(dāng)窄帶光源的輸出保持穩(wěn)定，窄帶光譜和FBG 反射譜重疊區(qū)的面積隨著FBG 反射譜的左右漂移而增大或減小，即FBG 反射光強(qiáng)在外界作用下會增大或減小，利用波長調(diào)制轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)調(diào)制解調(diào)出 AE 信號［19］。

圖2 基于窄帶激光的AE 解調(diào)原理圖Fig.2 Schematic diagram of AE demodulation based on narrowband laser source

FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性將決定PBX 損傷監(jiān)測的環(huán)境要求，根據(jù)窄帶激光的AE 解調(diào)原理，在溫度場和應(yīng)變場變化的環(huán)境下，F(xiàn)BG 反射譜發(fā)生左右漂移，可能會導(dǎo)致初始設(shè)定的窄帶光源波長照射到FBG 透射光譜區(qū)，使得FBG 反射的光強(qiáng)變化量極小，F(xiàn)BG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)就監(jiān)測不到AE 信號引起的光強(qiáng)變化現(xiàn)象［20］。因此，在PBX 上進(jìn)行了FBG-AE 系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，搭建FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示，其中PZT 距FBG 中心50 mm。之后，可調(diào)諧窄帶激光光源調(diào)于FBG 的3 dB 點(diǎn)對應(yīng)的波長處，以此波長作為開始，激光光源每調(diào)節(jié)5 pm 進(jìn)行一次監(jiān)測，直到監(jiān)測不到AE 信號為止，并記錄激光光源對應(yīng)于FBG 反射譜的波長位置。

3.3 基于FBG-AE的PBX試件拉伸、壓縮損傷監(jiān)測

研究PBX 的力學(xué)性能，能優(yōu)化PBX 配方設(shè)計(jì)、提高武器性能［21］。PBX 作為一種顆粒型復(fù)合材料，材料內(nèi)部存在許多不均勻的聲阻抗界面，對AE 波的傳播具有一定阻礙作用。因此，利用AE 事件記錄PBX 損傷破壞過程，探究運(yùn)用FBG 監(jiān)測到PBX 試件損傷破壞產(chǎn)生的AE 信號的可行性。將FBG 和PZT 通過耦合劑貼于PBX試件表面中心位置，如圖3a、圖3b 所示，同時將傳感器連接于AE 系統(tǒng)，參考GJB772A-1997 炸藥拉伸、壓縮試驗(yàn)方法417.1、418.1 對PBX 試件施加準(zhǔn)靜態(tài)軸向拉力、壓力，直至PBX 試件斷裂。拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)采用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸試件采用標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試件，壓縮試件采用圓柱型試件（Φ20 mm×20 mm），如圖3 所示。

3.4 PBX的FBG方向敏感性測試

圖3 PBX 試件拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of tensile and compression experiments of PBX specimens

解決FBG 方向敏感性問題是開展高精度的PBX 損傷定位AE 監(jiān)測工作的重要目標(biāo)之一。FBG 方向敏感性取決于聲波傳播方向和FBG 軸向的相對取向，當(dāng)超聲波的傳播方向平行于FBG 軸向時，F(xiàn)BG 受到最大應(yīng)變影響，具有最好的方向敏感性［22］。為此，需要考察FBG-AE 監(jiān)測方法在PBX 試件上的方向敏感特性。測試過程如圖4 所示，F(xiàn)BG 粘貼于PBX 試件（Φ220 mm×70 mm）圓心處，在圖中12 個方向進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，每個位置使用自動鉛筆連續(xù)斷鉛3 次，每次鉛芯伸出長度2.5 mm，與 PBX 表面夾角 30°，用于模擬 PBX 損傷破壞AE 信號。每個方向標(biāo)記4 個斷鉛實(shí)驗(yàn)位置，分別距離FBG 中心30 mm、50 mm、70 mm、90 mm。

圖4 FBG 方向敏感性測試圖Fig.4 Test diagram of FBG direction sensitivity

4 結(jié)果與討論

4.1 FBG-AE監(jiān)測系統(tǒng)的溫度適應(yīng)性分析

圖5 FBG 反射譜的傳感波長范圍圖Fig.5 Sensing wavelength range of FBG reflection spectrum

圖5 所示，測試的兩個FBG 有效監(jiān)測波長范圍位于3 dB 點(diǎn)處，約60 pm。根據(jù)FBG 溫度、應(yīng)變敏感性，在1550 nm 波段的FBG 對應(yīng)的溫度靈敏度系數(shù)為10 pm·℃-1；應(yīng)變靈敏度系數(shù)為 1.2 pm·με-1［23］，因此FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)能在溫度范圍為±3 ℃、應(yīng)變范圍為±25 με 下監(jiān)測到AE 信號。結(jié)果表明該系統(tǒng)僅能在有限的溫度范圍或應(yīng)變范圍內(nèi)具有AE 監(jiān)測功能。針對 PBX 實(shí)際使用的寬溫域?yàn)?50～70 ℃，該 FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)還不能完全適應(yīng)，后續(xù)研究工作將對寬溫域的PBX 損傷監(jiān)測工程應(yīng)用問題開展研究。

4.2 FBG和PZT傳感器對拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)的AE 信號監(jiān)測的對比分析

圖6 表示AE 信號幅值與時間的關(guān)系，為了直觀反映實(shí)驗(yàn)過程，圖中疊加了載荷對時間的曲線。PBX 拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)BG 傳感器能監(jiān)測到PBX 斷裂破壞釋放的能量。與傳統(tǒng)PZT-AE 監(jiān)測系統(tǒng)相比，F(xiàn)BG-AE監(jiān)測系統(tǒng)的門檻值較高導(dǎo)致圖6 顯示的拉伸、壓縮過程中的AE 信號較少。圖6c、圖6d 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖與圖6a、圖6b 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖比較發(fā)現(xiàn)，壓縮過程中產(chǎn)生的AE 信號明顯多于拉伸過程。這是由于PBX 是脆性材料，其壓縮斷裂能量大于拉伸斷裂能量。且壓縮時PBX 有屈服、強(qiáng)化、軟化特性，表現(xiàn)出延性變形，產(chǎn)生較多AE 信號。而在拉伸時，PBX 在屈服時發(fā)生破壞，沒有強(qiáng)化段，所以 AE 信號較少［24］。

圖7 以PBX 拉伸斷裂瞬間監(jiān)測到最高幅值的AE信號為例，兩傳感器監(jiān)測的信號均為典型的振蕩衰減AE 信號。PZT 監(jiān)測到斷裂瞬間的最大信號幅值為99 dB，信號到達(dá) PZT 時間為 351.7825663 s；FBG 監(jiān)測到斷裂時的最大信號幅值為88 dB，信號到達(dá)FBG時間為351.7833247 s。與 PZT 相比，F(xiàn)BG 監(jiān)測到的幅值略小，在時間上延遲0.7584 ms?？疾霵BX 試件斷裂位置后發(fā)現(xiàn)，斷裂處距離FBG 粘貼位置較遠(yuǎn)，所以FBG 監(jiān)測到的信號幅值較低、時間較晚。可見，AE-FBG 監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確監(jiān)測到PBX 損傷斷裂產(chǎn)生的毫伏級信號，靈敏度較高；而且信號的累積程度可間接反映PBX 的加載特性。

圖6 加入力學(xué)曲線的PBX 試件AE 信號幅值對時間結(jié)果圖Fig.6 Result diagram of the AE signal amplitude versus time in PBX specimen and embedded into mechanical loading curve

圖7 PBX 試件幅值最大的AE 信號波形Fig.7 The waveform of the AE signal with the maximum amplitude in PBX specimen

4.3 PBX的FBG方向敏感性分析

圖8 為PBX 試件上常規(guī)粘貼FBG 的方向敏感性圖，在90°和270°方向（垂直于FBG 軸向），斷鉛信號幅值偏低，甚至可能低于門檻值，導(dǎo)致監(jiān)測不到信號。在0°和180°方向（FBG 的軸向），斷鉛信號幅值最高；從軸向過渡到垂直方向時，斷鉛信號幅值逐漸減小。同時，隨著斷鉛位置與FBG 之間的直線距離增加，監(jiān)測的信號幅值將會減小，表明AE 信號在PBX 中的衰減與傳播的幾何距離有關(guān)［25］，信號傳播至傳感器距離越遠(yuǎn)，傳播過程中信號衰減越明顯，使得監(jiān)測到的信號幅值越低。

圖8 不同測試距離下PBX試件AE信號幅值與FBG方向的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between amplitude of AE signal and direction of FBG in PBX specimen under different test distances

通過以上實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)FBG 的方向敏感性與AE波作用的角度和距離相關(guān)。引入圖9 FBG-AE 的傳感模型，當(dāng)AE 波作用于常規(guī)粘貼的直型FBG 時，可由式（6）計(jì)算 FBG 中心波長漂移情況［8］，反映 FBG 的方向敏感性與角度之間的關(guān)系：

式中，Cx、Cy為AE波作用于FBG的方向系數(shù)（0＜-Cx＜Cy），θ為 AE 波傳播方向與 FBG 軸向的夾角，ε為 AE 波作用于FBG 中心產(chǎn)生的變形。

圖9 FBG-AE 的傳感模型圖Fig.9 The sensing model of FBG -AE

由上述模型可知，當(dāng)θ=0°時，Δλb達(dá)到最大值，則FBG 軸向是 AE 信號最為敏感的方向，當(dāng)θ=90°時，Δλb達(dá)到最小值，則FBG 徑向是AE 信號最不敏感的方向，因此，使用常規(guī)粘貼FBG 方法進(jìn)行PBX 損傷定位，存在以下問題：（1）PBX 為高聲阻抗材料，使得AE 波在傳播過程中衰減較大，F(xiàn)BG 監(jiān)測的聲信號幅值較小。（2）損傷定位一般采用多個傳感器，當(dāng)AE 波傳播方向作用于FBG 軸向的夾角不同，會導(dǎo)致FBG 對AE 信號響應(yīng)的方向敏感性差異較大。當(dāng)某一FBG 距AE 源較遠(yuǎn)且夾角為90°或270°時，可能會監(jiān)測不到AE 信號，影響損傷定位精度。（3）夾角差異會增加AE 源到達(dá)FBG 的時間，消除夾角引起的時間差異，將提高損傷定位精度［8］。所以本實(shí)驗(yàn)采用FBG 彎曲粘貼方法，如圖10 所示。當(dāng)各個方向的AE 波作用于FBG 最為敏感的軸向時，由式（6）計(jì)算可知，彎曲粘貼FBG 的中心波長漂移量為CyλB0εy，僅與聲源發(fā)射的波強(qiáng)有關(guān)，與夾角θ無關(guān)。實(shí)驗(yàn)中各方向通過人為斷鉛發(fā)射等強(qiáng)的AE 波，理論上彎曲粘貼FBG 在各方向響應(yīng)幅值相等。理論分析表明彎曲粘貼FBG 不僅能消除夾角差異，減小FBG 方向敏感性問題；而且各個方向的AE 波均能作用于FBG 最敏感方向。

圖10 FBG 彎曲粘貼示意圖Fig.10 Diagram of the bending FBG

彎曲粘貼FBG 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖11 所示，在斷鉛位置相同的情況下，彎曲粘貼的FBG 對AE 信號的響應(yīng)幅值沒有常規(guī)粘貼FBG 的大，但是能明顯看出彎曲粘貼的FBG 對各方向上AE 信號響應(yīng)幅值差別不大。而且當(dāng)斷鉛位置在70 mm 時，彎曲光柵在每個角度上都能響應(yīng)，但是常規(guī)粘貼光柵在此距離上已不能完全響應(yīng)。所以，驗(yàn)證了FBG 的彎曲粘貼方法相比常規(guī)粘貼能減小FBG 的方向敏感性存在差異的問題，并且能在軸向敏感AE 信號，使得達(dá)到一定距離后其靈敏度高于常規(guī)粘貼法。

圖11 FBG 和彎曲粘貼FBG 在距AE 源不同距離下的方向敏感性測試結(jié)果圖Fig.11 Directional sensitivity test results of FBG and bending FBG at different distances from AE source

5 結(jié)論

（1）通過FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)對PZT 激勵信號、斷鉛信號和PBX 機(jī)械載荷損傷信號的響應(yīng)分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)靈敏度雖然低于商用技術(shù)，但可以監(jiān)測、判定PBX 的損傷與斷裂。

（2）基于可調(diào)諧窄帶光源解調(diào)方法搭建的FBG-AE 監(jiān)測系統(tǒng)還不夠完善，僅具有±3 ℃或±25 με的動態(tài)監(jiān)測范圍能力。因此，為了適用于PBX 使用環(huán)境的AE 損傷監(jiān)測，還需要開展研究以拓寬其溫度與應(yīng)變變化的適用范圍。

（3）通過FBG 的彎曲粘貼方法改善了常規(guī)粘貼FBG 對AE 信號方向敏感性不同的問題，分析了采用該方法有利于提高PBX 損傷定位精度。