Page 105 - 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

其自身的共轭积的时间平均, 即
< · * > < · * > < · * }>
I= E 1 E 1 + E 2 E 2 + Re { 2 E 1 E 2 =
2 2
A 1 + A 2 +

()]> ( 9 )
2A 1 A 2 cosα < cos [ ( t ) - ϕ 2t
ϕ 1
图2 单通道光纤马赫 - 曾德干涉系统结构组成 式中: ‖‖表示矢量的模值; α为A 1 和A 2 之间的夹
由于传感光和参考光来源于同一光源的分光, 角, 即偏振夹角 A 1 2 和 A 2 2 分别为参考臂和传
所以传感臂中的光和参考臂中的光传播常数相同, 感臂中的光强, 由于光源未调制, 所以这两项是直流
*
·
(),
(),
设参考臂中的光为E 1t 传感臂中的光为 E 2 t 量;< Re { 2E 1 E 2 }> 为光强的交流分量。
则有 设声发射信号为单一频率信号P ( t ), 则有
E 1t = A 1 ex piωt+ ϕ 1t ( 6 ) P ( t ) Ccos ( ω s t+ ϕ s ) ( 10 )
{[
=
()]}
()
E 2t = A 2 ex piωt+ ϕ 2t ( 7 ) 式中: ω s 为声发射信号频率; C 为信号幅值; 为声
()
()]}
{[
ϕ s
它们发生干涉后输出信号为 发射信号初相位。
=
()
()
E ( t ) E 1t +E 2t ( 8 ) 设 m=KC , 则有
分别为参考臂和传感臂中的光振幅 () ) ( 11 )
式中: A 1 和A 2 =
ϕ t =KP ( t ) mcos ( ω s t+ ϕ s
矢量; ( t ) 和 ϕ 2t 分别为两束光的相位; t 为时 设无声发射信号时两臂干涉初相差为 , 可得
()
ϕ 1 ϕ 0
间。 ω 为频率; i 为欧拉公式中的虚数。 交流光强I 为
~
两束光接入耦合器2中发生干涉, 输出干涉光 ~ ) ] ( 12 )
I= Bcos [ mcos ( ω s t+ ϕ s + ϕ 0
为两路光矢量的叠加, 输出光强可以表示为E ( t ) 与 利用贝塞尔函数将式( 12 ) 展开, 表达形式为
∞
~ n
+
)] cos ϕ 0+
-
(
(

I= B J 0 m ) 2 ∑ ) 1 ) J 2n m ) cos [ 2n ( ω s t+ ϕ s
n= 1
∞

n
(
-
B 2 ∑ ( 1 ) J 2n + 1 m ) cos [( 2n-1 )( ω s t+ ϕ s ( 13 )

)] sin ϕ 0
n= 1
式中: J n m ) 为第一类n 阶贝塞尔函数在m 处的 带光源、 光纤耦合器、 光电探测器等。
(

值, n 为正整数; B = 2A 1 A 2 cosα 。 3 低温声发射检测试验
可以看出, 式( 13 ) 中包含直流信号, 声发射信号

及其倍频信号, 干涉信号接入差分式光电探测器, 进 试验对象为容积为20L的球型钛合金气瓶, 后
行光电转换, 即可得到对应的电压信号V 端数据处理检测仪器为美国 PAC 公司 PCI-2型通
~ 道检测系统, 传感器为光纤环声发射传感器, 前放增
V = QI ( 14 )

式中: Q 为光电探测器的光电转换系数, 光电转换 益为40dB , 试验时, 先把光纤环声发射传感器固定
之后, 再使用传统的电信号滤波、 放大、 信号处理与 在气瓶表面, 然后把固定好的气瓶放置在金属容器
分析系统即可完成声发射波的检测。 中, 再向气瓶里灌入液氮直至淹没气瓶, 然后进行液
搭建的四通道光纤环声发射传感器及固定工装 氮低温环境下的试验, 试验现场如图4所示, 试验系
如图3所示, 图中1 , 2 , 3分别为检测主机, 光纤环传 统组成如图 5 所示。试验过程中声发射模拟源选

感器和光纤环声发射传感器固定工装。其中光纤环 取、 检测参数设定、 实验操作等均参照标准 GJB

声发射传感器主要组成部件包括光纤环传感器、 窄 6187-2008 《 声发射检测》 执行。
图3 四通道光纤环声发射检测装置及固定工装 图4 试验现场
3
6
2021年 第43卷 第12期
无损检测