熔锥形光纤声发射传感器的实验研究

郝俊才

(黑龙江科技大学 理学院，哈尔滨 150022)

材料在出现裂纹、断裂或内部应力大于σs时，应变能在瞬间通过弹性波释放出来的现象，称为声发射(应力波发射)[1]。这种弹性波表现为声波，它的频率在小到几赫兹一直到数兆赫兹的范围内，通常小能量的声发射不易察觉，需要用仪器检测。应用仪器检测声发射信号，确定声发射的位置的方法称之为声发射技术。通常情况下，获取声发射信号所用的传感器都是压电传感器。压电传感器具有体积大、质量大、易受电磁干扰、易腐蚀及易受温度和湿度的影响等不足，而光纤传感器可以避免这些缺陷。光纤传感器种类很多，而用来测量声发射的传感器却有限。文献[2－3]是基于光干涉原理的声发射传感器:马赫－曾德尔、迈克尔逊、法布里－帕罗和塞格纳克干涉仪等，以及借助光学反射和多涂层技术制成的传感器[4－6]。它们的成本高，测量时安装复杂且易受到温度变化的影响[7]。笔者提出一种基于熔锥形光纤耦合器的新型的光纤传感器，具有制作简单和成本低等优点。

1 工作原理

基于熔锥形光纤耦合器设计的光纤传感器，其基本结构如图1所示。

图1 熔锥形光纤传感器结构Fig.1 Structure of optical fiber sensor

由图1可见，一个典型的传感器具有一个耦合腰区，两个锥形部分。制作时把两根单模光纤平行放在一起，在火焰的加热下拉伸，直到形成两个锥形部分和一个细腰的结构。通常熔锥区的几何形状是拉伸速度、光纤的张力和火焰温度的函数，在实验中可通过仪器调节这些参数，可得到不同尺寸的传感器，经多次实验可达到理想的效果。制成的传感器放在一个二氧化硅制作的V型槽内，两端用硅树脂胶固定。

图1所示的融锥形光纤耦合器，光从左端输入，右端输出，输出的功率为[8]

式中:P1、P2——输出光功率;

P0——输入光功率;

C(z)——耦合系数(z轴);

l——耦合区长度。

折射率的明显变化会引起耦合系数C(z)变化，但是C(z)的变化通常很小。所以，光纤耦合器输出功率的大小由耦合区的长度决定。耦合器的输出功率可以表示为

其中，ε(z，t)可以表示为[9]

对于耦合比是50∶50的光纤耦合器，用泰勒级数在ε0=0附近展开，省略高阶量，为简化计算，认为耦合系数沿整个耦合区为C(z)=¯C，则积分后得方程(1)

由式(1)可知，输出光功率随着输入光功率、声波的频率与性质以及耦合区的几何形状变化而变化。

该传感器使用时就是由测量输出功率的变化而实现的，计算输出功率的微分得式(2)

2 测试实验

2.1 实验装置

分别用一块270 mm×270 mm×2 mm铝板和一块300 mm×300 mm×2 mm碳纤维复合材料平板作为声波传播介质，在板上P点用铅笔芯断裂法模拟声发射源，光纤声发射传感器和压电传感器分别固定在与P点距离相同的板上。光纤传感器一端连接激光器光源，另一端输出两光信号，经光电转换、信号采集及记录。作为比较的压电传感器连接到声发射仪上，然后再连接到计算机上，整个实验装置如图2所示。

图2 光纤声发射传感器的测试装置Fig.2 Schematic diagram of optical fiber AE sensor test

2.2 铝板

在图2的铝板上与压电传感器和光纤传感器的距离都为115 mm的P点，折断一φ0.7 mm的HB铅笔芯，两个传感器测得的声发射波形分别如图3所示。

图3 测得的声发射波Fig.3 AE wave detected

由图3a可见，压电传感器测得的断铅发出的声发射信号幅值随时间的变化是一种突变信号，持续时间极短，幅值变化达到0.22 V。光纤传感器测得的声发射信号幅值变化为0.23 V，由图3b可见，这与压电传感器测得的幅值几乎相等，说明这种光纤传感器有很高的灵敏度。

对图3的信号作傅里叶变换，得到的幅频率响应曲线如图4所示。

由图4b可见，光纤声发射传感器的响应频率为300 kHz，而图4a压电传感器的响应频率为200 kHz。因此，光纤声发射传感器比压电传感器有更宽的频域。

图4 频谱图Fig.4 Frequency spectrum

2.3 复合材料板

将图2所示的实验装置中的铝板换成碳纤维复合材料层板，在与压电传感器和光纤传感器距离为13 mm的P点，将铅笔芯与板面成45°角方向折断，产生的声发射信号经复合材料层板传播，后被两个传感器探测到，它们各自的幅值随时间变化的情况如图5所示。

图5 测得的声发射波形Fig.5 AE waveform detected

比较图5a和图5b的声发射信号，它们的幅值变化都在0.1 V左右.

分别对图5a和图5b的声发射信号作傅里叶变换，得到频率响应如图6所示。

图6 频谱Fig.6 Frequency spectrum

由图6a可知:压电传感器的频率响应是200 kHz。从图6b可看出，光纤传感器的频率响应可达到300 kHz，光纤声发射传感器比压电传感器有更高的频率响应。

3 压力容器检测实验

把如图1所示结构的传感器黏贴在一碳纤维缠绕的压力容器上，传感器接到解调仪上，实验装置示意如图7所示。

图7 压力容器声发射检测示意Fig.7 Acoustic emission evaluation for pressure vessel

对压力容器加水压，在实验过程中，当水压为2.4 MPa时，由光纤声发射传感器检测到压力容器发出的声发射，经过解调仪并分析处理，得到如图8所示的信号。由图8可见，声发射信号呈现出0.16 V的小幅度变化和约3 ms的短延时信号，加上此时的压力是爆破压力的1/5。据此可推断，压力容器发生了基体开裂。

图8 当水压为2.4 MPa时压力容器的声发射信号Fig.8 AE signals from pressure vessel reaching 2.4 MPa water pressure

继续加压，在水压等于3 MPa(约为爆破压力的1/3)时，压力容器的声发射波形如图9所示。图9中的信号表现出较大的幅值变化(0.3 V)，较长的延时(4 ms)，由此推断碳纤维缠绕压力容器可能发生了界面损伤。

图9 水压力为3 MPa时压力容器的声发射信号Fig.9 AE signals from pressure vessel reaching 3 MPa water pressure

4 结束语

基于熔锥形光纤耦合器的光纤传感器具有结构简单、容易制作及成本低等优点。该传感器可检测铝板和复合材料层板上断铅发出的声发射。铝板上的信号幅值变化为0.22 V，复合材料层板上信号幅值变化为0.1 V。这是由于铝板为各向同性材料，其声发射传播时衰减小，传播距离长。而复合材料是各向异性材料，其声发射波衰减大、传播距离短。光纤声发射传感器的频率响应为300 kHz，压电传感器频率响应为200 kHz。对于复合材料压力容器的检测，分别检测它在2.4、3 MPa压力下的声发射现象，推断压力容器发生了基体开裂和界面损伤，但对于它的全面的检测和评价还有待于进一步研究。

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