光纤声发射传感器的研究现状与展望

刘 娟，丁克勤

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西太原030051;2.中国特种设备检测研究院，北京100013)

0 引言

近几十年来，声发射检测技术作为一种新的无损检测技术得到了迅速发展。声发射(acoustic emission，AE)又称应力波发射，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［1］。在外部条件下，固体(材料或零件)的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。

传统的AE传感器多采用谐振式压电传感器，其主要缺点是:体积大，频带窄，必须与物体接触，不能在高温、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境下使用。相比之下，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AE传感器成为各国研究的热点。国外对光纤AE传感器研究较多，国内起步较晚，各种的研究报道尚不多。

1 光纤AE传感技术原理

光纤传感器(fiber-optic sensor，FOS)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，与以电为基础的传感器有本质的区别，FOS 用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤AE传感技术的基本原理是:将光源的光经入射光纤送入调制区，在调制区内待测AE波对光进行调制使光的光学性质(如，强度、相位、波长、频率、偏振态等)发生变化，从而使已调光携带AE波的信息，然后，将已调光送入解调装置即可获得待测参数。

2 光纤AE传感器的研究

2.1 相位调制型光纤AE传感器

光纤AE传感器中应用最多的是相位调制型光纤传感器。其原理是:AE波对敏感单元作用，使敏感部位光纤的折射率或传播常数发生变化，从而导致光波的相位发生变化，通过检测光相位变化来测量外界待测参量。由于目前的各类光探测器都不能直接感知光的相位变化，必须采用干涉技术使光的相位变化转换为强度变化才能实现对待测量的测量，故相位调制型传感器有时也称干涉型传感器。与其他调制方式相比，相位调制由于采用干涉技术而具有较高的检测灵敏度和较宽的动态检测范围，且探头形式多样，适用于不同的检测环境，因而，目前的光纤AE检测大多采用相位调制型光纤传感器。已研制成功的相位调制型光纤AE传感器主要有:麦克尔逊(Michelson)传感器、马赫—曾德(Mach-Zehnder，M-Z)传感器、赛格奈克(Sagnac)传感器、珐珀(Fabry-Perot，F-P)传感器。

基于Michelson干涉仪的光纤AE传感器是研究较早的一种光纤传感器，现在多用于光纤水听器的研究。其优点是:对低频信号有很好的灵敏度，原理、结构简单，易构成阵列式分布。文献［2］提出一种基于Michelson，干涉仪的阵列式光纤AE传感器，其同时采用了密集波分复用技术(DWDM)和时分复用技术(TDM)。但由于此类传感器对环境干扰和温度敏感等缺点而很少见其用于其他领域的报道。M-Z光纤AE传感器也是早期研究较多，缺点同样是对环境干扰与温度敏感，在一定程度上限制了其应用范围。在Michelson和M-Z光纤AE传感器方面，哈尔滨工程大学的研究报道较多，已成功将其应用于实验室环境下的声发射检测［3］。

Sagnac AE传感器在大型构件完整性评估等方面有较大优势，且较适合于高频信号的检测，国内外研究均较多。此类传感器抗干扰能力强，易构成分布式检测，缺点是低频灵敏度低，偏振衰减以及对温度敏感［4］。国外将Sagnac效应用于制作光纤陀螺仪的报道较多，国内哈尔滨工程大学等院校研究了Sagnac光纤传感器用于声发射信号的检测［5］，此外也有利用以上几种传感器组成混合型传感器的研究。

Michelson，M-Z，Sagnac干涉仪都是双光束干涉，F-P干涉仪是多光束干涉。基于多光束干涉的传感器可达到更高的检测灵敏度和精度。且F-P传感器原理简单，对温度不敏感，只采用1根光纤，避免了光纤配对等问题［6］，因此，国外对其进行了广泛研究，但国内研究尚不多。早在上世纪90年代燕山大学曾对其进行研究［7］，但后来已经鲜见报道。近几年，西北工业大学进行了F-P声发射传感器的研究并取得一定进展，提出双波长稳定方法［8］。北京航空航天大学对光纤F-P腔反射面的形变与传感应用进行了一定研究，提出弧形F-P腔端面的设计和数学模型［9］，但目前没有见其有用于AE检测的报道。国外学者Seat H C提出了F-P腔使用双折射膜的伪双腔干涉理论［10］，也有人提出将光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)用作F-P干涉腔的反射镜，这种反射镜呈现出很高的反射率，且额外损耗很低，理论上可达到很好的效果［11］。

2.2 强度调制型光纤AE传感器

当AE波变化导致光纤中光强发生变化时，可以通过测量光强的变化来检测AE信号，这种方法称为强度调制。强度调制是光纤传感中最早使用的方法，其优点是技术简单、成本低，在不要求AE源定位的低精度场合有一定的应用。缺点是构成点传感器困难，光源波动、连接器损耗和光探测器响应度的变化都会引起光强波动，灵敏度低，无法检测微弱AE信号。而AE信号一般都很微弱，且在固体中衰减很快，故在实际的AE检测中很少采用强度调制型，它主要用于测量位移、可听声范围内的声波［12］等参数。

2.3 波长调制型光纤AE传感器

目前用于光波长调制的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调制方法主要有F-P干涉式滤光、基于双折射特性滤光及各种位移式光谱选择等外调制技术，近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。近几年报道较多的波长调制型光纤AE传感器主要是 FBG型 AE传感器，其敏感元件为FBG［11］。其工作原理是:通过AE波调制光栅的Bragg波长，然后，根据反射光波长的改变来检测AE信号。Baldwin C S等人成功将FBG传感器用于模拟AE源的AE信号检测［13］。FBG传感器灵敏度高，容易构成分布式测量，但它对温度敏感，解调方案复杂。

近20年来，FBG传感技术得到飞速发展，各国也先后对其投入大量科研资金促进其进入工程化实用阶段，但将其用于AE检测的研究比较少，所见报道大都是将其用于对应力、应变、温度等参数的测量，尤其用于桥梁、大坝等土木工程的结构健康监测。

2.4 基于光纤耦合器的AE传感器

基于光纤耦合器的AE传感器是一种新型光纤AE传感器［14］，其工作原理是:声波对光纤耦合器作用，使光纤耦合器输出光功率发生变化，通过光功率的变化可知道声波的性质。这种传感器的优点是原理简单，制作方便，易于批量化生产。目前对这种传感器的研究报道较少，山东大学［15］、山东科学院［16］以及哈尔滨工业大学进行了这方面的初步研究。

2.5 其他类型光纤AE传感器

其他的光纤AE传感器有研究较早的偏振型光纤传感器［17］、基于多普勒效应的新型传感器［18］、基于微分干涉仪的新型传感器［19］以及基于白光干涉仪的新型传感器［6］等。

3 光纤AE检测技术应用情况

3.1 在光纤水听器中的应用

光纤水听器是光纤AE检测技术最重要的应用之一，光纤水听器主要应用于海洋声学环境中的声传播，海底声学监测，目标声学监测，海洋、陆地石油天然气勘探，海洋、陆地地震波监测以及海洋环境检测，又是现代海军反潜作战和水下兵器试验的先进检测手段。Cranch GA和Nash P指出光纤水听器阵列正向大规模时分与密集波分复用方向发展，以满足未来声纳系统大规模组阵的需要［20］。

3.2 在医学超声碎石中的应用

体外超声波碎石是一种新的结石治疗手段，它采用超声波回声的强大冲击力来击碎人体内的结石。光纤AE传感器应用于医学超声碎石已经产品化，如光纤内窥镜已问世。光纤内窥镜可用来检测超声冲击波，用光纤做成的内窥镜探头可以小到微米数量级，检测起来更为方便［21］。

3.3 在复合材料损伤检测和智能复合材料制作中的应用

复合材料经受交变载荷时会经历基体开裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂和纤维拔出等阶段，在这些阶段都会产生丰富的AE信号，通过光纤AE传感器对AE信号的监测可以判断出不同的损伤形式和损伤位置。智能复合材料不仅能感知环境变化、识别重要刺激因素，并能对其做出反应，目前，美国、日本等都在进行智能复合材料结构的设计与能动的无损检测的研究。光纤AE传感器体积小、重量轻，适应恶劣环境能力强，易于构成分布式，这使其成为制造智能复合材料的首选对象。

3.4 在工业无损检测与评估(NDT＆E)中的应用

光纤AE传感器可以解决传统压电式AE传感器频带窄、抗电磁干扰能力差等问题，且压电传感器检测所用的耦合剂会对被检物体表面造成不同程度的边界状态改变或表面损伤，而光纤AE传感器不需耦合剂可避免此类情况，因此，光纤AE传感技术成为工业上AE检测研究的新方向。利用光纤AE传感器可以实现对产品缺陷的早期预测，也有关于工程实用的报道，包括压力管道泄露检测［22］、刀具健康监测系统［23］、电力设备运行监控［24］等。

3.5 在土木工程的结构健康监测中的应用

光纤传感器在民用工程中最广泛的应用是用于土木工程的结构健康监测，如用于桥梁、大坝等。将光纤传感器粘贴于金属、混凝土表面或者埋入建筑物中，可实时连续监测工程建筑物的应力、应变、裂纹萌生及扩展等。此外，光纤AE检测技术还可用于岩石材料破裂的声发射研究［25］。

4 存在的问题与发展趋势

4.1 光纤AE传感器存在的主要问题

1)抗振能力差:由于光纤传感器对振动极为敏感，以至于小的环境振动也会引起系统信号的变化，这也是光纤AE传感器实用化的主要障碍。

2)光源波动、光强损失、相位延迟、偏振态不一致等因素都会导致输出信号不稳定，需要寻求各种精确的相位补偿、偏振控制、温度补偿等技术。

3)制造工艺不完善，没有实现产品化、标准化。

4.2 光纤AE传感器发展趋势

1)全光纤微型化:传感头由光纤构成且只使用1根光纤已成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠，由于目前光纤之间的熔接损耗为0.l dB左右，这样的损耗不影响探头的正常工作，目前，光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光、镀膜等相关技术等都在研究中。

2)多参量实时化:1只传感器同时测量多个参量既可减少测量装置的元件数量，又可避免多只传感器之间相互影响，因而，多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅类传感器，并取得了一定的研究成果。

3)高精度实用化:光纤传感器在研究过程中各组成元件都是线性理想化的，和实际应用存在一定的差距。因此，光通道中的非线性研究、实际检测动态范围的增大是实用化的基础。

4)阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统:构成分布式检测系统可以大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大方便。

5)AE源精确定位与识别能力的提高:AE源定位的精度直接影响到后续维护和维修工作的效率，因此，能够进行AE源高精确度定位和损伤模式识别对于检测仪器来说亦非常重要。

5 结束语

光纤AE传感器作为一种新型的传感技术正得到不断的发展和完善，也正逐渐应用于国防科技、工业检测、民用工程建设等各个领域，具有巨大的发展潜力。基于各种基本光学干涉仪的光纤声发射传感器已得到了广泛深入的研究，并取得了一定进展。基于Bragg光栅、啁啾光栅等各种光栅传感器与光学干涉仪相结合的新型光纤AE传感器有望得到深入研究，且更先进的解调设备的研制成功也将为此类研究提供便利条件。

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