Page 104 - 无损检测2021年第十二期

陈 博, 等:

一种新型低温光纤环声发射传感技术

位移之比比在室温中要降低 10% 以上 [ 3 ] 。因此提 2π n eff L
ϕ= β L= = kδ ( 1 )
升传感器适用范围, 发展更加普适的声发射传感器 λ
式中: 为传播常数; λ 为光纤中的激光波长; k 为波
成为开展恶劣环境下声发射检测的主要研究方向。 β
近年来, 随着光纤光学技术的发展, 以光纤光栅 数。
研究为主的光纤声发射传感检测技术在设备研制和 对式( 1 ) 做全微分, 得到的相位的变化量 Δ ϕ 如
应用等方面均取得了较大进展, 部分技术在传统的 式( 2 ) 所示。
温度、 应力等传感领域已经实现商业化 [ 4 ] , 而将光纤 2π 2π ( 2 )
Δ ϕ= n eff ΔL+ LΔn eff=Δ ϕ 1+Δ ϕ 2
λ
λ
传感器技术应用于恶劣环境下的声发射检测研究还
为光纤长度变化引起的光纤中的相位变
式中: Δ ϕ 1
较少。光纤的材料主要为二氧化硅, 其具有抗腐蚀、
为光纤有效折射率变化引起的光纤中的相
抗低温的特点, 非常适合恶劣环境下的声发射检 化; Δ ϕ 2
位变化, 直径的变化对光相位的影响相比于其他两
测 [ 5-6 ] , 故光纤声发射检测技术的出现为恶劣环境下
个量的影响小得多, 可忽略不计。
的声发射检测提供了可能 [ 7 ] 。
设作用在光纤上的声压变化为 ΔP 时, 根据弹
笔者通过理论分析初步构建了光纤环声发射传
可用式( 3 ) 表示。
性力学中的广义胡克定律, Δ ϕ 1
感器的理论模型, 基于光纤马赫 - 曾德干涉原理搭建
可用式( 4 ) 表示。
Δ ϕ 2
了四通道光纤环声发射传感器样机, 开展了低温钛
L
合金气瓶液氮环境下的平面定位和声发射检测灵敏 Δ ϕ 1=- β ( 1-2σ ) ΔP ( 3 )
E
度的初步测试。试验结果表明, 研制的光纤环声发 式中: σ 为光纤材料的泊松比; Ε 为杨氏模量。
射传感器能够在低温环境下直接耦合气瓶进行声发 2
)
Δ ϕ 2= β Ln eff ( 1-2 σ )( P 11+2P 12 Δ P ( 4 )
射信号采集与定位, 信号采集灵敏度不低于90dB , 2E
四通道平面定位偏差最大不超过最大传感器间距的 式中: P 11 和P 12 为应变 - 光学张量的分量。
8% 。该试验为后续光纤环声发射检测技术的工程 总的相位的变化可表示为
2
化应用奠定了一定基础。 ( 1-2σ ) n eff
)
Δ ϕ= [ ( P 11+2P 12 -1 ] LΔP =
β
E 2
1 光纤环声发射传感器原理
KΔP ( 5 )
光纤环声发射传感器的基本原理是: 当缠绕成 式中: K 为声压 - 相位灵敏度系数。
可以看出, 当光纤长度恒定时, K 为常数, 因
环状的光纤接收到声发射波时会发生拉伸或压缩,
从而改变光程, 而绕成环状的光纤会在一定程度上 此, 光纤中相位的变化量 Δ ϕ 和其所感受的声压变
起到放大光程改变的作用; 再利用单模激光相干干 化量 Δ P 成正比。综上可知, 光纤感受声发射信号
时会改变光纤中传播的光的相位, 相位的变化量和
涉的办法, 得到光波相位的变化, 通过该变化建立引
声发射波的声压变化量成正比, 光纤中的相位信息
起光纤变形的声压与输出信号的相关关系, 实现声
即反应了光纤感受到的声发射信息, 通过对相位信
发射信号的光学测量与采集。
声发射检测用光纤结构如图1所示, 对图1所 号进行解调即可得到相应的声发射信号。
, 作用在这
示光纤, 设其长度为L , 有效折射率为n eff 2 光纤环声发射检测装置
段光纤上的由声发射波引起的声压记为 P 。设光
在建立了光纤环相位漂移与声发射调制信号的
经过这段光纤时, 其光程δ=n eff L , 对应的相位 ϕ 如
数学关系后, 理论上只要解调出光纤的相位变化就能
式( 1 ) 所示。
得到声发射信号, 但由于光的频率太高, 直接检测光
的相位变化非常困难, 只能进行间接的测量, 而干涉
测量法是一种间接测量光相位变化的手段, 可以用来
检测微小的光相位变化且具有极高的灵敏度。
笔者研究的光纤环声发射检测装置是利用光
纤马赫 - 曾德干涉原理进行检测的, 单通道光纤马
图1 声发射检测用光纤结构示意
赫 - 曾德干涉系统结构组成如图2所示。
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2021年 第43卷 第12期

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