一種新型低溫光纖環(huán)聲發(fā)射傳感技術(shù)

陳 博，劉哲軍,金 珂,盧 鵡,徐 林,魏 鵬

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076;2.北京航空航天大學(xué) 光學(xué)工程學(xué)院，北京 100076)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)字化的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也越來越成熟，并廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、機(jī)械、化工等工業(yè)領(lǐng)域。聲發(fā)射傳感器是實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)采集的關(guān)鍵部件,聲發(fā)射傳感器種類繁多，工程化應(yīng)用中常見的是壓電式聲發(fā)射傳感器。

壓電式傳感器的工作原理為，內(nèi)部壓電晶體元件(壓電陶瓷)在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生變形時(shí)，會(huì)在其相對(duì)變形的兩個(gè)對(duì)稱表面產(chǎn)生電性相反數(shù)量一致的正負(fù)電荷，從而將聲發(fā)射機(jī)械波引起的表面振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓振蕩聲發(fā)射信號(hào)并輸出[1]。受居里效應(yīng)影響，普通壓電陶瓷傳感器的工作溫度區(qū)間一般為-65177 ℃。一些經(jīng)過特殊處理的壓電陶瓷傳感器的工作溫度雖然可以到-200540 ℃[2],但隨著溫度降低或升高，壓電陶瓷傳感器的靈敏度、可重復(fù)使用頻次均會(huì)大大降低。以低溫環(huán)境為例，據(jù)測(cè)算，在液氮環(huán)境中(-198 ℃)，壓電晶片的電荷輸出與位移之比比在室溫中要降低10%以上[3]。因此提升傳感器適用范圍,發(fā)展更加普適的聲發(fā)射傳感器成為開展惡劣環(huán)境下聲發(fā)射檢測(cè)的主要研究方向。

近年來，隨著光纖光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以光纖光柵研究為主的光纖聲發(fā)射傳感檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備研制和應(yīng)用等方面均取得了較大進(jìn)展,部分技術(shù)在傳統(tǒng)的溫度、應(yīng)力等傳感領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[4]，而將光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)研究還較少。光纖的材料主要為二氧化硅，其具有抗腐蝕、抗低溫的特點(diǎn)，非常適合惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)[5-6]，故光纖聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)為惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)提供了可能[7]。

筆者通過理論分析初步構(gòu)建了光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的理論模型，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器樣機(jī)，開展了低溫鈦合金氣瓶液氮環(huán)境下的平面定位和聲發(fā)射檢測(cè)靈敏度的初步測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器能夠在低溫環(huán)境下直接耦合氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集與定位，信號(hào)采集靈敏度不低于90 dB，四通道平面定位偏差最大不超過最大傳感器間距的8%。該試驗(yàn)為后續(xù)光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的工程化應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。

1 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器原理

光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的基本原理是：當(dāng)纏繞成環(huán)狀的光纖接收到聲發(fā)射波時(shí)會(huì)發(fā)生拉伸或壓縮，從而改變光程，而繞成環(huán)狀的光纖會(huì)在一定程度上起到放大光程改變的作用；再利用單模激光相干干涉的辦法，得到光波相位的變化，通過該變化建立引起光纖變形的聲壓與輸出信號(hào)的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的光學(xué)測(cè)量與采集。

聲發(fā)射檢測(cè)用光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)圖1所示光纖，設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，有效折射率為neff，作用在這段光纖上的由聲發(fā)射波引起的聲壓記為P。設(shè)光經(jīng)過這段光纖時(shí)，其光程δ=neffL，對(duì)應(yīng)的相位φ如式(1)所示。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)用光纖結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中：β為傳播常數(shù)；λ為光纖中的激光波長(zhǎng)；k為波數(shù)。

對(duì)式(1)做全微分，得到的相位的變化量Δφ如式(2)所示。

(2)

式中：Δφ1為光纖長(zhǎng)度變化引起的光纖中的相位變化;Δφ2為光纖有效折射率變化引起的光纖中的相位變化,直徑的變化對(duì)光相位的影響相比于其他兩個(gè)量的影響小得多，可忽略不計(jì)。

設(shè)作用在光纖上的聲壓變化為ΔP時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)中的廣義胡克定律，Δφ1可用式(3)表示。Δφ2可用式(4)表示。

(3)

式中：σ為光纖材料的泊松比；Ε為楊氏模量。

(4)

式中：P11和P12為應(yīng)變-光學(xué)張量的分量。

總的相位的變化可表示為

KΔP

(5)

式中：K為聲壓-相位靈敏度系數(shù)。

可以看出，當(dāng)光纖長(zhǎng)度恒定時(shí)，K為常數(shù)，因此，光纖中相位的變化量Δφ和其所感受的聲壓變化量ΔP成正比。綜上可知，光纖感受聲發(fā)射信號(hào)時(shí)會(huì)改變光纖中傳播的光的相位，相位的變化量和聲發(fā)射波的聲壓變化量成正比，光纖中的相位信息即反應(yīng)了光纖感受到的聲發(fā)射信息，通過對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行解調(diào)即可得到相應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)。

2 光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置

在建立了光纖環(huán)相位漂移與聲發(fā)射調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)關(guān)系后，理論上只要解調(diào)出光纖的相位變化就能得到聲發(fā)射信號(hào)，但由于光的頻率太高，直接檢測(cè)光的相位變化非常困難，只能進(jìn)行間接的測(cè)量，而干涉測(cè)量法是一種間接測(cè)量光相位變化的手段，可以用來檢測(cè)微小的光相位變化且具有極高的靈敏度。

筆者研究的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置是利用光纖馬赫-曾德干涉原理進(jìn)行檢測(cè)的，單通道光纖馬赫-曾德干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 單通道光纖馬赫-曾德干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

由于傳感光和參考光來源于同一光源的分光，所以傳感臂中的光和參考臂中的光傳播常數(shù)相同，設(shè)參考臂中的光為E1(t),傳感臂中的光為E2(t)，則有

E1(t)=A1exp{i[ωt+φ1(t)]}

(6)

E2(t)=A2exp{i[ωt+φ2(t)]}

(7)

它們發(fā)生干涉后輸出信號(hào)為

E(t)=E1(t)+E2(t)

(8)

式中：A1和A2分別為參考臂和傳感臂中的光振幅矢量;φ1(t)和φ2(t)分別為兩束光的相位;t為時(shí)間。ω為頻率;i為歐拉公式中的虛數(shù)。

兩束光接入耦合器2中發(fā)生干涉，輸出干涉光為兩路光矢量的疊加，輸出光強(qiáng)可以表示為E(t)與其自身的共軛積的時(shí)間平均，即

(9)

設(shè)聲發(fā)射信號(hào)為單一頻率信號(hào)P(t)，則有

P(t)=Ccos(ωst+φs)

(10)

式中:ωs為聲發(fā)射信號(hào)頻率;C為信號(hào)幅值;φs為聲發(fā)射信號(hào)初相位。

設(shè)m=KC，則有

φ(t)=KP(t)=mcos(ωst+φs)

(11)

(12)

利用貝塞爾函數(shù)將式(12)展開，表達(dá)形式為

(13)

可以看出，式(13)中包含直流信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)及其倍頻信號(hào)，干涉信號(hào)接入差分式光電探測(cè)器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即可得到對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)V

(14)

式中：Q為光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，光電轉(zhuǎn)換之后,再使用傳統(tǒng)的電信號(hào)濾波、放大、信號(hào)處理與分析系統(tǒng)即可完成聲發(fā)射波的檢測(cè)。

搭建的四通道光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器及固定工裝如圖3所示，圖中1，2，3分別為檢測(cè)主機(jī)，光纖環(huán)傳感器和光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器固定工裝。其中光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器主要組成部件包括光纖環(huán)傳感器、窄帶光源、光纖耦合器、光電探測(cè)器等。

圖3 四通道光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置及固定工裝

3 低溫聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象為容積為20 L的球型鈦合金氣瓶，后端數(shù)據(jù)處理檢測(cè)儀器為美國(guó)PAC公司PCI-2型通道檢測(cè)系統(tǒng),傳感器為光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器，前放增益為40 dB，試驗(yàn)時(shí)，先把光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器固定在氣瓶表面，然后把固定好的氣瓶放置在金屬容器中，再向氣瓶里灌入液氮直至淹沒氣瓶，然后進(jìn)行液氮低溫環(huán)境下的試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖5所示。試驗(yàn)過程中聲發(fā)射模擬源選取、檢測(cè)參數(shù)設(shè)定、實(shí)驗(yàn)操作等均參照標(biāo)準(zhǔn)GJB 6187-2008 《聲發(fā)射檢測(cè)》執(zhí)行。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

對(duì)光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器在液氮中的噪聲進(jìn)行測(cè)試，將氣瓶裝滿液氮并浸泡在液氮槽中，持續(xù)觀察系統(tǒng)的平均信號(hào)電平值(ASL)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器剛放入液氮中時(shí)，ASL為50 dB60 dB，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)該值不斷降低。分析認(rèn)為，初始ASL很高主要是由液氮的沸騰造成的，但也有溫度變化帶來的影響。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓瑯訒?huì)引起光纖環(huán)傳感器內(nèi)部光相位的改變，從而產(chǎn)生干擾噪聲。因此為避免溫度變化對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的干擾，應(yīng)當(dāng)讓光纖環(huán)充分浸泡降溫并盡可能恒溫。浸泡約30 min后，經(jīng)過充分預(yù)冷降溫后的系統(tǒng)ASL基本穩(wěn)定在18 dB20 dB。按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 6187-2008的規(guī)定，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的最低檢測(cè)門檻應(yīng)不小于ASL+15 dB，因此在液氮環(huán)境中，該試驗(yàn)系統(tǒng)的理論最低門檻可以設(shè)置為35 dB。圖6為當(dāng)ASL穩(wěn)定后進(jìn)行液氮補(bǔ)加過程的ASL變化情況，可以看出，補(bǔ)加液氮造成的系統(tǒng)ASL上升最高可達(dá)30 dB35 dB。因此，考慮到試驗(yàn)過程中需要斷續(xù)補(bǔ)充加注液氮，為避免加注噪聲和風(fēng)噪等流體噪聲的綜合影響，聲發(fā)射檢測(cè)門檻實(shí)際設(shè)置為45 dB。

圖6 補(bǔ)充加注液氮過程中ASL變化情況

筆者對(duì)光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置定位效果進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)4個(gè)傳感器附近模擬聲源進(jìn)行定位，定位參數(shù)修正前校準(zhǔn)定位結(jié)果如圖7(a)所示，因?yàn)橐后w環(huán)境對(duì)聲發(fā)射波衰減和傳播路徑的影響與空氣環(huán)境中完全不同，采用空氣環(huán)境下的定位檢測(cè)參數(shù)的結(jié)果存在較大偏差，故筆者發(fā)明了一種定位檢測(cè)參數(shù)的綜合修正方法，經(jīng)過修正后的校準(zhǔn)定位結(jié)果如圖7(b)所示。從定位結(jié)果可以看出，修正后的校準(zhǔn)定位基本都在傳感器附近，定位效果理想。

圖7 校準(zhǔn)定位結(jié)果

為了準(zhǔn)確測(cè)量光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置定位精度，在13通道之間選擇A,B,C,D 4個(gè)位置進(jìn)行定位精度試驗(yàn)。其中A和B位置分別在1號(hào)傳感器和3號(hào)傳感器連線內(nèi)側(cè)距離傳感器邊緣約10 mm處，C和D位置大約在13通道間距的三等分位置。模擬信號(hào)定位結(jié)果如圖8所示。

圖8 模擬信號(hào)定位結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，A處斷鉛位置的信號(hào)定位橫坐標(biāo)為28.32 mm，B處的信號(hào)定位橫坐標(biāo)為272.26 mm，C處的信號(hào)定位橫坐標(biāo)為102.09 mm，D處的信號(hào)定位橫坐標(biāo)為186.17 mm，此次設(shè)置的傳感器間距為250.00 mm，因此各模擬信號(hào)點(diǎn)的定位偏差如表1所示，可以看出，在液氮環(huán)境下，光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置對(duì)模擬聲發(fā)射信號(hào)定位精度可達(dá)到最大傳感器間距的8.0%。

表1 模擬信號(hào)定位偏差

光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的各通道靈敏度如表2所示。

表2 光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的各通道靈敏度 dB

從測(cè)試結(jié)果可以看出，4個(gè)通道的檢測(cè)靈敏度最低為90 dB,最高為92 dB，偏差在±3 dB內(nèi)，模擬信號(hào)在定位圖像中均有定位且一致性較好，證明在液氮環(huán)境中，光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器能夠直接耦合氣瓶采集聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)幅值可達(dá)到90 dB，并且可對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4 結(jié)語

提出了一種新型的光纖環(huán)聲發(fā)射傳感技術(shù)，可用于低溫環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)。根據(jù)理論推導(dǎo)，建立了光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的理論模型，對(duì)光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器中聲發(fā)射波的聲壓變化與光相位變化關(guān)系以及調(diào)制后的輸出光強(qiáng)進(jìn)行了計(jì)算，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置，并對(duì)液氮低溫下的鈦合金氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，分析了光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置的通道靈敏度及定位精度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖環(huán)傳感器可在液氮下直接耦合鈦合金氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，采集靈敏度不低于90 dB，通過修正液氮環(huán)境中的定位參數(shù)，定位精度能達(dá)到最大傳感器間距的8%?；谠摷夹g(shù)搭建的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測(cè)裝置，可解決目前低溫檢測(cè)試驗(yàn)中無法進(jìn)行聲發(fā)射平面定位的問題，為鈦合金氣瓶液氮低溫聲發(fā)射檢測(cè)提供了新的解決思路，也為未來光纖低溫聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在工程上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。