1、摘 要声发射( Acoustic Emission，AE) 是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，有时又称作应力波发射。传统的压电声发射传感器体积大，频带窄，受电磁干扰比较严重，在强电场、高温环境下其有效性受到很大制约。而光纤 AE 传感器具有体积小、频带宽、灵敏度高、损坏阈值高、不必与被测物体接触、适用于恶劣环境等优点。因此，光纤声发射检测技术有很重要的研究意义。基于光纤 Sagnac 干涉效应，建立一套光纤声发射传感系统,并分析其系统构成和测量原理，建立标准声发射采集系统并进行室内实验。完成对三个声源信号：断铅信号、摩擦信号和敲击信号的采集测试，以及激励源的脉冲信号分析。实
2、验结果表明，与传统声发射检测系统相比，新型光纤声发射检测系统具有整体简单，操作简易，设备体积小，获得测量信号更贴近真实信号等优点。关键词： 声发射 ；光纤声发射检测；Sagnac 干涉效应ABSTRACTAcoustic Emission means the phenomenon that partial fast release energy with the transient elastic wave in different materials, sometimes it is also called stress wave emission. Traditional piezoele
3、ctric acoustic emission sensor is large, frequency band is narrow, and have serious electromagnetic interference, in high temperature environment or in a strong electric field, its effectiveness is limited. The optical fiber AE sensor has the advantages of small volume, wide frequency band, high sen
4、sitivity, high damage threshold, not contact the measured object ,suitable for harsh environment. Therefore, the research on optical fiber acoustic emission detection technology has a very important significance.Based on the interference effect of Sagnac, a set of optical fiber acoustic emission sen
5、sor system is established, and the system structure and measuring principle are analyzed. Complete the acquisition and testing of three sound source signals: the signal of lead, the friction and the signal, pulse signal analysis of excitation source The experimental results show that compared with t
6、he traditional acoustic emission detection system, the new fiber optic acoustic emission testing system has the advantages of simple operation, simple operation, small equipment etc. Key words: Acoustic emission; fiber optic acoustic emission detection; the effect of fiber Sagnac interferome目 录第 1 章
7、 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 传统声发射的发展历程和研究现状 .21.3 光纤声发射技术国内外研究现状 .31.3.1 光纤声发射技术国外研究现状.31.3.2 光纤声发射技术国内研究现状.51.4 本课题的主要研究内容.5第 2 章光纤声发射检测系统理论基础 .72.1 声发射检测的基本原理 .72.2 光纤声发射检测的基本原理 .82.2.1 光纤传感器的光弹效应 .82.2.2 光纤包层的影响.102.3 光纤传感器的解调方式.112.3.1 光纤 Michelson 传感器的解调方式.122.3.2 光纤 Fizeau 传感器的解调方式.142.4 本章小结.17第
8、3 章 光纤声发射检测系统的搭建 .183.1 光纤声发射探测系统 .183.2 光纤声发射解调系统.183.3 光纤声发射检测实验平台的搭建. .193.3.1 激光器.17 3.3.2 光电转换模块设计 .213.3.3 数据采集 .223.3.4 光纤耦合器 .233.3.5 FC 连接器 .233.3.6 Q9 接头 .243.4 本章总结.24第 4 章 光纤声发射检测实验研究 .254.1 常规声发射实验 .254.2 脉冲信号实验 .274.2 本章小结 .30结论 .31参考文献 .32致 谢 .34第 1 章 绪 论1.1 选题背景及意义随着科学技术的发展,现代机械装备、工程
9、建筑结构等已经向复杂化、集成化、大型化方向发展。这些集成化、复杂化的结构应用到大型桥梁 ,电力部门的大型发电机组,航空航天领域的航天飞机、空间站,核反应堆、大型水利工程等环境中持续受到各种载荷的作用以及突发性外在因素的影响,随着时间的推移其结构材料的性质、强度、变形模量等材料学与力学参数不断恶化,结构上开始出现疲劳裂缝、螺变、腐烛等缺陷。若这些潜在故障不加以及时诊断修复最终将会使得整个结构发生破坏性失效并且引起灾难性事故。声发射检测是一种对结构或材料内部的潜在缺陷或者处在运动变化过程中的缺陷进行的无损检测，它是声发射技术的重要部分。当然现在声发射技术也有一些缺点，比如说它容易受到机电噪声的影响
10、；它只能检测出声发射源的位置、活性、强度等，不能给出声发射源内部缺陷的性质与大小。在某些特殊的场合，比如说大型油罐的在役检测，声发射检测成为唯一可靠的检测手段，因此声发射技术伴随着计算机技术与信号处理技术的发展迅速成为一种新型的无损检测技术，未来的二十年内，随着人类对声发射源和声发射波传播过程的更深入认识以及各种强大仪器的问世，声发射技术将会获得更高层次的发展与应用，传统的声发射传感器大多釆用的是谐振式压电传感器,是将被测结构的变化直接转换成物体谐振频率变化的一种压电传感器。优点是精度与分辨率比较高，其主要缺点是：体积大、对制作材料的质量要求比较高、频带窄、必须与被测物体接触 1，不能应用在高
11、温、腐烛、高压等极端环境下并且抗电磁干扰能力弱，在强电场环境下其有效性也受到很大制约相比而言光纤声发射传感器具有压电传感器没有的优点：本身制作材料是光导纤维,其绝缘性好，因此可用到高电压、高电磁干扰的环境中；本身体积小质量轻；安装方式可有多种选择，即可贴在结构表面也可埋入其中；采用波长解调，抗干扰性强。因此对于基于光纤的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义。1.2 传统声发射的发展历程和研究现状声发射(Acoustic Emission，简称 AE)是指物体在受到变形或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的物理现象。随着声发射研究领域的扩大，近来，其外延已进一步扩大，比如说泄漏声音
12、、轴承的滑动声音、木材干燥时产生的声音、甜瓜茎中的流体的声音等也都被称为 AE，这些广义解释的 AE 情形较多，而且研究成果也非常多 2。AE 相应的弹性波并不仅局限于可听声域，在绝大多数情况下，其有效频谱范围可延展到数兆赫甚至数十兆赫频段。所以严格地讲，声发射应当被称为应力波发射，但由于历史的原因，人们已习惯于将其称为声发射。AE 的源机制是各种各样的，如固体内裂纹的形成和扩展(裂纹的传播)、塑性变形、晶体内位错的移动和位错在钉扎点上的分离、孪晶边界的移动、复合材料内基体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂以及物质结构的变化(包括相变)等。不同的源机制对应不同的发射声波，因而也对应不同的 AE
13、信号。尽管引起声发射的外部原因是多种多样的，但其共同点都是由于外部条件的变化(应力、温度和电磁场等)，引起物体或结构某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量。AE 是正在扩展的材料缺陷(裂纹)的指示器，没有扩展，裂纹或材料的缺陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声发射。换句话说，只有当物体受到了永久性变形或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样，AE 探测技术是检测材料损伤，特别是早期损伤的有力工具，也是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法。同超声波探伤的方法相比，用 AE 法来发现缺陷时，没有必要给其施加能量，只要设置几个 AE 探测器，等待缺陷发出的波即可。需要的只是设置
14、AE 探测器作业，即使从 AE 探测器到缺陷之间也有距离。只要波到达了就有效。根据 AE波到达的时间差，可以确定 AE 发生源的位置。而超声波探伤法不同，即使有缺陷，如果不施加外力，就不产生 AE，也就不能发现缺陷。超声波探伤法、放射线、炭粉探伤、浸透法等的非破坏检查法都必须停止作业中的设备再进行检查，这是他们最大的缺点，而 AE 法不停止作业就能发现缺陷，也就是说，AE 法有能够在线监测的优点，所有无损检测方法的共同目的都是为了发现缺陷，而 AE 探测技术的核心问题是由接受的信号反推到声发射源的问题，即所谓的“反向源”或“逆源”问题 3。声发射信号处理的最终目的是得到对声发射源的描述，其主要
15、内容是源的性质、源的位置和源的严重性程度。源的严重性程度是对声发射源进行的定量评价，目前基本上以各种声发射信号参数来加以衡量，如以信号的幅度、能量和计数等来衡量源的强度，以产生声发射信号的反射频率和能量释放速率来衡量源的活度，或者综合评定声发射信号的幅度、能量等参数随载荷或时间的变化等。声发射源的定性问题，即确定所测得的声发射信号是由什么性质的源产生的，最直接的方法是在声发射检测后，对发现的声发射源部位经磁粉、渗透、超声和射线探伤等常规无损检测方法进行复检。通过直接分析识别声发射信号来确定声发射源的性质，是目前声发射检测中最难解决的问题，也是研究热点。迄今为止，人们广泛采用波形分析技术、频谱分
16、析技术和人工神经网络模式识别技术等，均取得了初步成功。通过对探测到的声发射信号进行处理和分析，可以得到被探测材料和结构内声发射源的大量信息。然而，受声发射源的自身特性、声发射源到换能器的传播路径、换能器的特性和声发射仪器测量系统等多种因素的影响，声发射换能器输出的声发射电信号波形十分复杂，它与真实的 AE 源信号相差很大，有时甚至面目全非。因此，如何根据声发射换能器输出的电信号来获取有关 AE 源的信息一直是人们面临并努力加以解决的问题。目前认为地将声发射信号分为突发型和连续型声发射。如果信号由区别于背景噪声的脉冲组成，且在时间上可以分开，那么就叫突发型声发射信号;如果信号的单个脉冲不可分辨，
17、则叫连续型声发射信号。实际上，连续型声发射信号也是由大量的突发型信号组成的，只不过太密集而不能分辨而已 4。目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一类是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对其进行分析和处理；另一类为存储和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析。简化波形特征参数分析法是 20 世纪 50 年代以来广泛使用的经典声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数 5。声发射探测技术具有动态检测和分析的特点，从 60 年代以来，得到许多发达国家的重视，在理论研究、实验研究和工业实用三个方面做了
18、大量的工作，取得了很大的进展。声发射理论和技术研究主要围绕声发射源识别和声发射源评价正、反方面的两个问题，研究内容概括为(1)不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究；(2) 声发射波在固体材料中的传播理论；(3)声发射信号特性与材料微观力学特性、断裂特性之间的关系；(4)研制多参量、多功能、高速度和实时分析的数字式新型声发射检测分析仪(包括新型高灵敏度和多用途换能器的研制)；(5)声发射信号处理( 如利用神经网络技术对声发射源特性进行模式识别、模糊综合评价等) 的新理论、新方法；(6) 声发射检测、监控及评价的新方法与标准；(7)声发射含义的广义化与扩展新的研究和应用领域；(8)声发射技术
19、用于结构完整性评价的经济和可靠性分析等。声发射技术应用范围已覆盖航空、航天、石油化工、铁路、汽车、建筑、电力等领域。随着新一代全数字化声发射仪器和各种功能强大的信号处理软件的问世，尤其是随着人们对声发射源和声信号传播理论研究的更深层次的认识，声发射技术正面临着一个全新的更高层次的发展前景。如前所述，AE 探测方法的长处之一是没有了使用 X 线时的那种限制，对人体无害。任何人都可以任意地使用，所以，AE 探测技术被多方面利用。不用说在金属、岩石、混凝土、陶瓷、FRP、木材，甚至在超导、人体、植物等广泛的范围也引起了人们的兴趣。今后的高技术社会安全性的 AE 探测技术，适应高龄化社会的 AE 探测
20、技术、福利社会所必要的 AE 探测技术是今后发展的方向。而且，像甜瓜等果物中 AE 探测的研究对丰富今后的社会生活也会很重要。从植物的根测量 AE 探测对沙漠的绿化也有重要的作用。这样考虑的话，AE 探测技术对于改善今后的严酷的地球环境、支持丰富的 21 世纪来说都将越来越重要 6。声发射作为一种检测技术起步于 20 世纪 50 年代的德国，20 世纪 60 年代，该技术在美国原子能和宇航技术中迅速兴起，并首次应用于玻璃钢固体发动机壳体检测；20 世纪 70 年代，在日本、欧洲及我国相继得到发展，但因当时的技术和经验所限，仅获得有限的应用；20 世纪 80 年代，开始获得较为正确的评价，引起许
21、多发达国家的重视，在理论研究、实验研究和工业应用方面做了大量的工作，取得了相当的进展。声发射检验技术的基本原理是利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号，然后用电子设备将电信号进行放大和处理，使之特性化，并予以显示和记录，从而获得材料内声发射源的特性参数，通过分析检验过程中声发射仪器所得的各种参数，即可知道材料内部的缺陷情况。如果用多通道声发射检测系统，还可以确定声发射源即缺陷的具体部位 7。 20 世纪 70 年代初，Dunegan 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把试验频率提高到 100kHz1MHz ，这是声发射试验技术的重大进展，现代声发射仪器的研
22、制成功，为声发射技术从试验室的材料研究阶段走向在生产现场监视大型构件的结构完整性应用创造了条件。随着现代声发射仪器的出现，20 世纪 70 年代和 80 年代初，人们从声发射源机制、波的传播和声发射信号分析方面开展了广泛和深入的系统研究 8。 20 世纪 90 年代，声发射检测系统进入了全数字式的第 4 代，全数字化 AE检测系统在系统结构和软件配置上保留了第三代产品的优点，放大后的 AE 信号不必再经过一系列的模拟、数字电路才形成数字特征量，而是直接进行高速 A/D转换，提取相应特征量。我国在声发射仪器的研制和生产上起步并不算太晚，已研制和生产了各种双通道、4 通道、8 通道和更多通道（32
23、 通道）的声发射，基本上属于模拟声发射仪器的范畴。国外在全数字式声发射仪的研制上发展很快，典型代表是美国 PAC 公司的 Mistras2001，德国 Vallen 公司的 AMSY4 和美国数字波形公司（DWC）的 F-4000 声发射检测仪等，其声发射特征量全由数字信号提供，即声发射传感器的模拟信号在到达各种处理器之前首先被数（458 中北大学学报（自然科学版）2006 年第 5 期）字化，由于全部信号处理是对离散信号完成的，系统有很高的信噪比和很宽的动态范围 9。1.3 光纤声发射技术国内外研究现状目前，光纤光栅声发射传感技术的研究还处于初级阶段，将声发射检测技术与光纤布拉格光栅传感相结
24、合进行结构损伤检测的研宄还存在许多瓶颈问题。其中包括：(1)声发射波作用下光纤光栅的响应特性的研宄不深入，缺乏理论和实验验证；(2)光纤声发射传感器封装结构的设计尚未成熟，还需要进一步探索，设计出适用于复杂检测环境的传感结构；(3)被测结构中声发射波引起的应变一般很小，若要获取到真实的声发射波，需要确保光纤布拉格光栅解调系统的解调速度和灵敏度满足要求。因此，本小节就针对上述三个问题的国内外研究现状进行介绍和分析。1.3.1 光纤声发射技术国外研究现状声发射波的传播路径、波形模式受声波频率和传导介质的影响很大,同时声发射波在材料中传导时呈低应变的特征。针对声发射波的传播特点，研宄声发射波作用下光
25、纤布拉格光栅的响应特性具有重要旳意义，其中包括研宄声发射波的能量、波长及频率,光纤的栅区长度等对检测信号的强度及响应灵敏度的影响关系，对合理设计光纤布拉格光栅声发射检测系统,提高系统获得有效数据的能力具有重要作用。在声发射波的作用下，光纤将受到外界非均匀应力的调制作用，使其光谱发生改变，从而影响到解调结果。为避免外界非均匀应力对检测信号效果的影响,需确定适当的光纤的栅区长度。2004 年，A.Minardoa 等人通过仿真得出结论,当超声波长与光纤的栅长的比值减小时，光纤反射谱的波长响应灵敏度会下降，当超声波的能量较高且超声波的波长与光纤的栅区长度相等时，光纤的光谱将发生明显的变形 10。20
26、05 年，N. Takeda 等人研究发现，当声发射波的波长与光纤的栅长之比大于 7 且光谱的反射率调深度随之下降，为保证调制深度大于 3dB，超声波的波长至少为光纤的栅区长度的 1.2 倍 11。2007 年，.Lee 等人也证明光纤对超声波的响应频率上限主要取决于光纤的栅区长度,实验结果表明，对固体传导介质，为保证光纤不受超声波的非均勾作用力的影响，光纤的栅区长度必须小于超声波波长的一半 12。进行声发射波下光纤布拉格光栅的响应特性的研究，其根本目的是为设计出合理的传感器结构提供理论依据。在整个声发射检测系统中，声发射传感器是首要环节。传统的声发射传感器大多釆用压电式声发射传感器，当声发射
27、波传至压电式传感器时，该传感器将被测结构相应表面的振动位移变化直接转换成相应于声波频率的交变信号。它的优点是检测信号的精度和分辨率高，稳定性好。但由于压电式传感器体积大、对制作材料的质量要求较高、频带较窄且必须与被测结构接触,因此,不能应用在高温、腐烛、高压等极端环境下并且抗电磁干扰能力弱,在强电磁场环境下其有效性受到很大制约。相比而言，光纤声发射传感器具有压电传感器没有的优点：由于其制作材料是光纤，其绝缘性好，因此可用到高电压、高电磁干扰的环境中；本身体积小，质量轻，安装方式可有多种选择，即可粘贴在结构表面也可埋入其中；采用波长解调，抗干扰性强。因此对于光纤声发射传感器的研宄具有非常重要的意
28、义，而且构建感应灵敏、使用便捷的光纤布拉格光栅声发射传感器封装结构对声发射波的有效检测有非常重要的作用。2006 年，J.Lee 等人提出了一种毛细管型光纤布拉格光栅传感器，可用于温度检测和补偿，同时可实现声信号的测量。2007 年该团队提出了一种不受外界应力影响、可移动式的光纤布拉格光栅超声波传感器结构，被测试件外部载荷变化将不会影响声信号的获取 13。同年，H.Tsuda 等人利用可移动式光纤传感器对不锈钢板的疲劳损伤进行监测。2010 年，该团队构造了三种传感器结构一直接粘贴型、单端光纤粘贴式和可移动式光纤声信号传感器，将三种传感器同时放置在钢板上对兰姆波进行检测，实验结果表明非直接接触
29、式结构的传感器检测信号的噪声最大，可移动式的应变传递能力比直接粘贴式略低 14。目前，光纤布拉格光栅声发射检测常用的解调方法有:边沿滤波器法和光功率解调法两种。边沿滤波器法中可以由匹配光纤、高折射环形镜滤波器及密集波分复用滤波器等作为边沿滤波器。其中最简单、使用较为普遍的为匹配光纤滤波法，它分为反射式和透射式两种，该解调方法的原理类似于被动式波长比率解调法，利用了匹配光栅的反射谱特性，入射光在特定的波长范围内才会被反射，并与入射谱和反射谱重叠的面积有关，重叠部分越多,反射光越强，也就是检测到的光强为两者光谱函数的卷积。2001 年，N. Takahashi 等人使用匹配光栅滤波法实现了数十 KHz 振动信号的检测 15。2004 年，H.Tsuda 等人采用匹配光栅滤波法检测到碳纤维增强复合板上传播的模拟损伤信号。2001 年，I.Perez 等人搭建了匹配光栅滤波解调系统用于断铅信号模拟的声发射信号的检测。综上所述,采用匹配光栅滤波法具有明显的优点，即结构简单、成
