基于长周期光纤光栅的声发射信号检测系统的设计研究

王桂娜+梁大开

摘要： 研究了声发射信号检测的基本原理以及光纤光栅与声发射信号的作用机理，提出了基于长周期光纤光栅的声发射信号检测系统的设计方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

关键词： 声发射；长周期光纤光栅；信号检测

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中图分类号：TP274+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

声发射（acoustic emission，简称AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能的现象。

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。声发射信号的分类最早是由德国人Kaiser首先提出的，后来人们随着对声发射认识的加深，正式提出将声发射信号分成突发型与连续型两种。自然界中能够产生声发射信号的材料很多，声发射源的种类也很繁多，因此声发射波的频率范围很广。有的声发射信号强度很强，人耳可以直接听到，有的声发射信号在发生过程中应变比较弱导致人耳听不到，这就需要专门的声发射设备才能检测到。用专用的设备与软件检测声发射信号、分析处理与显示声发射信号、由声发射信号的信息反推声发射源的状况统称为声发射技术[1]。

1 传统声发射检测的基本原理

当声发射传感器附着到所测结构上后，由于材料内部应力发生变化产生声发射信号，声发射源产生的声发射信号以波的形式在材料中传播，当到达材料表面时声发射波引起材料表面的振动，此时波的能量转换成材料的振动能。而附着在材料表面的声发射传感器可以感受到材料表面的机械振动，然后将材料的振动转换成电信号，通过后续硬件与软件的釆集、分析与处理，就可以得到声发射信号的有用信息，并以此来推断材料发生声发射的机制与预判声发射信号的发展趋势[2]。

目前声发射检测是一种比较有效的检测材料受到应力作用时动态趋势变化的方法。声发射检测原理如图1所示[3]。

■

从图1可以看出，借助声发射传感器与相关外围设备可以实时获得材料内部产生的声发射信号。只要对记录与显示在系统中的数据进行有效的分析，便可预判材料内部结构的变化趋势以及下一步需要釆取的针对性防范措施。

传统的声发射传感器大多采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，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，在强电场环境下其有效性也受到很大制约[4]。相比而言光纤光栅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。因此对于基于光纤光栅的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义[5]。

2 光纤光栅与声发射信号作用机理

光纤光栅是一种折射率周期调制的传感器件，光栅光谱的峰值波长被认为是光栅中心波长：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■为栅区的平均有效折射率，Λ为光栅周期。光纤光栅在外界应力作用下，光栅周期和有效折射率受到调制从而使波长改变。光纤光栅声发射传感器的基本原理是在声发射应力波作用下，一方面对光栅周期进行调制；另一方面对光栅纤芯有效折射率调制。两方面共同作用使波长改变，光栅中心波长随应变变化可表示为：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE为由声发射信号引起的光栅轴向高频应变，pe为光栅的有效弹光系数，1-pe即为光栅应变灵敏度系数。对于1550波段的FBG，应变灵敏度系数约为1.2pm/με[6-7]。

3 系统设计

我们设计了基于长周期光纤光栅线性滤波的解调系统[8-9]方案（如图2所示）。该系统采用的是全光纤结构，无需机械部件调谐，其传感解调的速度仅受限于所选用的电子器件，如A/D转换器件的转换时间等，适于对解调速度要求较高的场合[10]。

宽带光源经耦合器1进入传感点——光纤Bragg光栅（FBG），经FBG反射回来的携带传感信息的光信息再经过耦合器1，后接耦合器2将信号分为2路，一路直接进入光电探测器（PD0），另一路则通过一个LPFG线性滤波器后再进入PD1检测。两路信号相比可以消除光源波动及前面光路连接器等引起的光功率波动，随后对检测的信号进行放大、A/D转换以及数据采集、滤波处理后，根据解调算法即可将变化的物理量解调出来。为了防止光纤的端面反射而影响传感信号，将光纤尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 结束语

本文根据长周期光纤光栅线性滤波解调原理，研究了声发射信号检测的方案。理论分析和实验结果表明，该方案能够对声发射信号进行检测。该方法结构简单，准确可靠，可进一步实现FBG解调系统的集成化、小型化。

参考文献：

[1] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会编，杨明纬主编.声发射检测[M].北京：机械工业出版社，2005：2-4.

[2]孙飞，韩仁学.光纤传感器对煤岩体声发射的检测[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊庆国，荷风云.数字式声发射检测仪的设计[J].工矿自动化，2004（3）：25-27.

[4]杨瑞峰，马铁华.声发射技术研究及应用进展[J].中北大学学报，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚东，徐秉时.光纤声传感器的实验系统研究[J].光电工程，2009，36（6）：131-132.

[6]兰玉文，刘波，罗建花，等.基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器[J].光学学报，2009，29（3）：629-631.

[7]刘波，曹晔，罗建花，等.光纤光栅水听器技术实验研究[J].光子学报，2005，34（5）：686-689.

[8]刘波， 童峥嵘， 陈少华，等.一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解调新方法[J].光学学报，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，万生鹏，张辉，长周期光纤光栅线性滤波解调系统实验研究及改进[J].应用光学， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周锐，乔学光，王若晖等，基于长周期光纤光栅线性边缘滤波的地震波解调系统[J].光电子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了声发射信号检测的基本原理以及光纤光栅与声发射信号的作用机理，提出了基于长周期光纤光栅的声发射信号检测系统的设计方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

关键词： 声发射；长周期光纤光栅；信号检测

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中图分类号：TP274+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

声发射（acoustic emission，简称AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能的现象。

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。声发射信号的分类最早是由德国人Kaiser首先提出的，后来人们随着对声发射认识的加深，正式提出将声发射信号分成突发型与连续型两种。自然界中能够产生声发射信号的材料很多，声发射源的种类也很繁多，因此声发射波的频率范围很广。有的声发射信号强度很强，人耳可以直接听到，有的声发射信号在发生过程中应变比较弱导致人耳听不到，这就需要专门的声发射设备才能检测到。用专用的设备与软件检测声发射信号、分析处理与显示声发射信号、由声发射信号的信息反推声发射源的状况统称为声发射技术[1]。

1 传统声发射检测的基本原理

当声发射传感器附着到所测结构上后，由于材料内部应力发生变化产生声发射信号，声发射源产生的声发射信号以波的形式在材料中传播，当到达材料表面时声发射波引起材料表面的振动，此时波的能量转换成材料的振动能。而附着在材料表面的声发射传感器可以感受到材料表面的机械振动，然后将材料的振动转换成电信号，通过后续硬件与软件的釆集、分析与处理，就可以得到声发射信号的有用信息，并以此来推断材料发生声发射的机制与预判声发射信号的发展趋势[2]。

目前声发射检测是一种比较有效的检测材料受到应力作用时动态趋势变化的方法。声发射检测原理如图1所示[3]。

■

从图1可以看出，借助声发射传感器与相关外围设备可以实时获得材料内部产生的声发射信号。只要对记录与显示在系统中的数据进行有效的分析，便可预判材料内部结构的变化趋势以及下一步需要釆取的针对性防范措施。

传统的声发射传感器大多采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，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，在强电场环境下其有效性也受到很大制约[4]。相比而言光纤光栅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。因此对于基于光纤光栅的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义[5]。

2 光纤光栅与声发射信号作用机理

光纤光栅是一种折射率周期调制的传感器件，光栅光谱的峰值波长被认为是光栅中心波长：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■为栅区的平均有效折射率，Λ为光栅周期。光纤光栅在外界应力作用下，光栅周期和有效折射率受到调制从而使波长改变。光纤光栅声发射传感器的基本原理是在声发射应力波作用下，一方面对光栅周期进行调制；另一方面对光栅纤芯有效折射率调制。两方面共同作用使波长改变，光栅中心波长随应变变化可表示为：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE为由声发射信号引起的光栅轴向高频应变，pe为光栅的有效弹光系数，1-pe即为光栅应变灵敏度系数。对于1550波段的FBG，应变灵敏度系数约为1.2pm/με[6-7]。

3 系统设计

我们设计了基于长周期光纤光栅线性滤波的解调系统[8-9]方案（如图2所示）。该系统采用的是全光纤结构，无需机械部件调谐，其传感解调的速度仅受限于所选用的电子器件，如A/D转换器件的转换时间等，适于对解调速度要求较高的场合[10]。

宽带光源经耦合器1进入传感点——光纤Bragg光栅（FBG），经FBG反射回来的携带传感信息的光信息再经过耦合器1，后接耦合器2将信号分为2路，一路直接进入光电探测器（PD0），另一路则通过一个LPFG线性滤波器后再进入PD1检测。两路信号相比可以消除光源波动及前面光路连接器等引起的光功率波动，随后对检测的信号进行放大、A/D转换以及数据采集、滤波处理后，根据解调算法即可将变化的物理量解调出来。为了防止光纤的端面反射而影响传感信号，将光纤尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 结束语

本文根据长周期光纤光栅线性滤波解调原理，研究了声发射信号检测的方案。理论分析和实验结果表明，该方案能够对声发射信号进行检测。该方法结构简单，准确可靠，可进一步实现FBG解调系统的集成化、小型化。

参考文献：

[1] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会编，杨明纬主编.声发射检测[M].北京：机械工业出版社，2005：2-4.

[2]孙飞，韩仁学.光纤传感器对煤岩体声发射的检测[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊庆国，荷风云.数字式声发射检测仪的设计[J].工矿自动化，2004（3）：25-27.

[4]杨瑞峰，马铁华.声发射技术研究及应用进展[J].中北大学学报，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚东，徐秉时.光纤声传感器的实验系统研究[J].光电工程，2009，36（6）：131-132.

[6]兰玉文，刘波，罗建花，等.基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器[J].光学学报，2009，29（3）：629-631.

[7]刘波，曹晔，罗建花，等.光纤光栅水听器技术实验研究[J].光子学报，2005，34（5）：686-689.

[8]刘波， 童峥嵘， 陈少华，等.一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解调新方法[J].光学学报，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，万生鹏，张辉，长周期光纤光栅线性滤波解调系统实验研究及改进[J].应用光学， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周锐，乔学光，王若晖等，基于长周期光纤光栅线性边缘滤波的地震波解调系统[J].光电子·激光，2011，22（7）：987-991.

摘要： 研究了声发射信号检测的基本原理以及光纤光栅与声发射信号的作用机理，提出了基于长周期光纤光栅的声发射信号检测系统的设计方案。

Abstract： The basic principles of acoustic emission signal detection as well as the mechanism of fiber grating and acoustic emission signal are studied， and then the design of the acoustic emission signal detection system based on long-period fiber grating is proposed.

关键词： 声发射；长周期光纤光栅；信号检测

Key words： acoustic emission；long-period fiber grating；signal detection

中图分类号：TP274+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）25-0006-02

0 引言

声发射（acoustic emission，简称AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能的现象。

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。声发射信号的分类最早是由德国人Kaiser首先提出的，后来人们随着对声发射认识的加深，正式提出将声发射信号分成突发型与连续型两种。自然界中能够产生声发射信号的材料很多，声发射源的种类也很繁多，因此声发射波的频率范围很广。有的声发射信号强度很强，人耳可以直接听到，有的声发射信号在发生过程中应变比较弱导致人耳听不到，这就需要专门的声发射设备才能检测到。用专用的设备与软件检测声发射信号、分析处理与显示声发射信号、由声发射信号的信息反推声发射源的状况统称为声发射技术[1]。

1 传统声发射检测的基本原理

当声发射传感器附着到所测结构上后，由于材料内部应力发生变化产生声发射信号，声发射源产生的声发射信号以波的形式在材料中传播，当到达材料表面时声发射波引起材料表面的振动，此时波的能量转换成材料的振动能。而附着在材料表面的声发射传感器可以感受到材料表面的机械振动，然后将材料的振动转换成电信号，通过后续硬件与软件的釆集、分析与处理，就可以得到声发射信号的有用信息，并以此来推断材料发生声发射的机制与预判声发射信号的发展趋势[2]。

目前声发射检测是一种比较有效的检测材料受到应力作用时动态趋势变化的方法。声发射检测原理如图1所示[3]。

■

从图1可以看出，借助声发射传感器与相关外围设备可以实时获得材料内部产生的声发射信号。只要对记录与显示在系统中的数据进行有效的分析，便可预判材料内部结构的变化趋势以及下一步需要釆取的针对性防范措施。

传统的声发射传感器大多采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，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，在强电场环境下其有效性也受到很大制约[4]。相比而言光纤光栅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。因此对于基于光纤光栅的声发射检测技术的研究具有非常重要的意义[5]。

2 光纤光栅与声发射信号作用机理

光纤光栅是一种折射率周期调制的传感器件，光栅光谱的峰值波长被认为是光栅中心波长：

λ■=2■■Λ（1）

式中2■■为栅区的平均有效折射率，Λ为光栅周期。光纤光栅在外界应力作用下，光栅周期和有效折射率受到调制从而使波长改变。光纤光栅声发射传感器的基本原理是在声发射应力波作用下，一方面对光栅周期进行调制；另一方面对光栅纤芯有效折射率调制。两方面共同作用使波长改变，光栅中心波长随应变变化可表示为：

■=（1-p■）εAE （2）

式中，εAE为由声发射信号引起的光栅轴向高频应变，pe为光栅的有效弹光系数，1-pe即为光栅应变灵敏度系数。对于1550波段的FBG，应变灵敏度系数约为1.2pm/με[6-7]。

3 系统设计

我们设计了基于长周期光纤光栅线性滤波的解调系统[8-9]方案（如图2所示）。该系统采用的是全光纤结构，无需机械部件调谐，其传感解调的速度仅受限于所选用的电子器件，如A/D转换器件的转换时间等，适于对解调速度要求较高的场合[10]。

宽带光源经耦合器1进入传感点——光纤Bragg光栅（FBG），经FBG反射回来的携带传感信息的光信息再经过耦合器1，后接耦合器2将信号分为2路，一路直接进入光电探测器（PD0），另一路则通过一个LPFG线性滤波器后再进入PD1检测。两路信号相比可以消除光源波动及前面光路连接器等引起的光功率波动，随后对检测的信号进行放大、A/D转换以及数据采集、滤波处理后，根据解调算法即可将变化的物理量解调出来。为了防止光纤的端面反射而影响传感信号，将光纤尾端浸入匹配液（IMG）[11]。

4 结束语

本文根据长周期光纤光栅线性滤波解调原理，研究了声发射信号检测的方案。理论分析和实验结果表明，该方案能够对声发射信号进行检测。该方法结构简单，准确可靠，可进一步实现FBG解调系统的集成化、小型化。

参考文献：

[1] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》编审委员会编，杨明纬主编.声发射检测[M].北京：机械工业出版社，2005：2-4.

[2]孙飞，韩仁学.光纤传感器对煤岩体声发射的检测[J].2010， 20（5）：363-364.

[3]熊庆国，荷风云.数字式声发射检测仪的设计[J].工矿自动化，2004（3）：25-27.

[4]杨瑞峰，马铁华.声发射技术研究及应用进展[J].中北大学学报，2006，27（5）： 456-461.

[5]李瑞，肖文，姚东，徐秉时.光纤声传感器的实验系统研究[J].光电工程，2009，36（6）：131-132.

[6]兰玉文，刘波，罗建花，等.基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器[J].光学学报，2009，29（3）：629-631.

[7]刘波，曹晔，罗建花，等.光纤光栅水听器技术实验研究[J].光子学报，2005，34（5）：686-689.

[8]刘波， 童峥嵘， 陈少华，等.一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解调新方法[J].光学学报，2004，24（2）：199-202.

[9]FALLON R W， ZHANG L， EVERALL L A， et al. All-fiber optical sensing system： Bragg grating sensor interrogated by a long-period grating [J].Measurement Science and Technology，1998，9（12）：1969-1973.

[10]王玉枝，万生鹏，张辉，长周期光纤光栅线性滤波解调系统实验研究及改进[J].应用光学， 2009，30（1）： 125-128.

[11]周锐，乔学光，王若晖等，基于长周期光纤光栅线性边缘滤波的地震波解调系统[J].光电子·激光，2011，22（7）：987-991.