用于非线性兰姆波检测的高灵敏度宽带光纤光栅传感器

刘国涛，陈皓，徐峥，钱梦騄，刘盛春，程茜



用于非线性兰姆波检测的高灵敏度宽带光纤光栅传感器

刘国涛1，陈皓1，徐峥1，钱梦騄1，刘盛春2，程茜1

(1．同济大学声学研究所，上海200092；2．黑龙江大学物理科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150080)

光纤传感器因其灵敏度高，已逐渐应用于超声检测的研究中，但大多数光纤传感器的频带响应范围有限，约为几百kHz，很难检测到更高频率的信号。所提出的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器的高频检测范围可以达到4 MHz左右，大大提高了其检测带宽范围。文中将传感器应用于304不锈钢板兰姆波的非线性检测，同时与传统超声换能器的检测结果做对比。实验结果表明，用脉冲波激励信号时，FBG传感器可以检测到钢板兰姆波的基频到五倍频信号，表明FBG在检测兰姆波非线性上是有很大潜力的。

光纤布拉格光栅；兰姆波；非线性

0 引言

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)作为目前最具发展前途的光纤无源器件之一，凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、熔接损耗小、灵敏度高、体积小、易于分布式测量，带宽宽等优越的特性，在光纤传感领域得到了广泛应用[1-3]。随着光纤传感技术的发展，FBG传感器越来越多地应用于声信号的检测[4,5]，甚至很多方面可以超越传统的PZT传感器。根据耦合模型理论，周期性的布拉格光栅的反射布拉格波长为

1 理论基础

当在板中传播的兰姆波的能量足够大，且发射的兰姆波满足相速度和群速度匹配条件时[4-8]，传播中的兰姆波就会发生非线性现象，二、三倍频等非线性谐波信号会明显增强。

下面以兰姆波的对称模式为例计算材料中激发兰姆波非线性应满足的相速度和群速度匹配条件。实验材料为304不锈钢板，密度为7900 kg/m3，厚度为6 mm，经脉冲回波法实测其纵波速度为6161 m/s、横波速度为3396 m/s。图1为计算得到的S1-S2-S3-S4模式相速度频散曲线，由相速度匹配条件c=c=c=c可得基频=679 kHz，c= 6167 m/s[9]；图2为计算得到的S1-S2-S3-S4模式群速度频散曲线，由群速度匹配条件c=c=c=c可计算得到基频=679 kHz，c=5176 m/s[9]。因此，679 kHz同时满足相速度和群速度匹配条件。若以此基频对应的S1模式相速度在钢板中激发出兰姆波时，可产生倍频的S2、S3、S4等模式的兰姆波非线性效应[4-5]。

2 实验结果

根据以上理论分析结果设计对比实验。采用传统探头和自行设计的FBG探头分别对钢板中的兰姆波非线性效应进行了测试，实验材料为500 mm×80 mm×6 mm的304不锈钢板。

(1) Ritec SNAP系统测量兰姆波的非线性

为了在钢板中激发兰姆波S1模式及相应的非线性谐波，由钢板兰姆波S1模式相速度6167 m/s和有机玻璃斜劈纵波速度2730 m/s，根据Snell定律[10]可以计算出相应斜劈的角度为26.3º，实际采用角度最接近的30º的斜劈。

实验中，采用Ritec SNAP系统发射电压为45 V、频率为679 kHz、长度为20 cycles/burst、重复频率为1 Hz的电信号激励宽带纵波探头(Panametrics，V539-SM，中心频率为1 MHz，6 dB带宽>100%)，并用同类型探头接收信号。实验装置示意图如图3所示。

图4和图5分别为SNAP系统发射和接收到的信号的时域波形图。为提高信噪比，接收信号平均了128次，从中可以看到信号有明显的兰姆波包络。对图5中接收到的信号用Ritec SNAP系统自带的扫频功能进行扫频处理后得到如图6所示的频谱图，在图中可以明显看到679 kHz的基频信号，而1.368 MHz的二倍频信号和2.037 MHz的三倍频信号刚刚能够分辨出来(如图6中小图所示)，虽然较小，但还是可以判定钢板中出现了非线性效应。

(2) FBG测量兰姆波的非线性

实验中，兰姆波的激发仍使用上述Ritec SNAP系统和相应的探头，但是接收改用自行设计的FBG探头，实验装置示意图如图7所示。

图8为FBG测量到的单次信号的时域波形。可以看到FBG探头较SNAP系统探头接收到的信号更为复杂。第一个到达的脉冲为直达兰姆波信号，但之后还有一系列的拖尾信号，其来源有二：第一是探头的悬臂梁结构使得信号在悬臂上来回反射并耦合到光纤中；第二是由于FBG探头指向性弱，能够接收到来自不同端面反射回来的信号。

因此，我们对接收到的信号加窗函数，提取第一个直达波(图中虚线区域)进行分析。图9为FBG 探头接收到的直达信号频谱图，从频谱图中，可以看到FBG探头能够接收到从基频至五倍频的兰姆波信号。

图8 FBG接收信号时域波形

3 讨论

本文提出一种自行设计的宽带光纤布拉格光栅超声传感探头，可用于板中兰姆波以及非线性效应的检测。应用兰姆波非线性理论，设计了用传统探头和FBG探头两种方式检测不锈钢板中的兰姆波非线性效应。基于Ritec SNAP系统，传统探头对接收信号平均128次后，其频谱上可以分辨出兰姆波的基频和二倍频，三倍和四倍频也勉强能分辨出；而FBG探头单次接收信号的频谱即可以分辨出基频到五倍频的非线性信号。这在一定程度上表明FBG超声传感器的高灵敏度及高带宽的性能，也表明其在非线性检测上具有很大的潜力。

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A wide bandwidth and high sensitivity FBG sensorfor nonlinear Lamb wave detection

LIUGuo-tao1, CHENHao1,XU Zheng1, QIAN Meng-lu1,LIU Sheng-chun2,CHENG Qian1

(1. Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.Institute of Physical Science and Technology, Heilongjiang University, Harbin 150080, Heilongjiang, China)

Due to high sensitivity, optic fiber sensor has been gradually used in acoustic detection. But the upper limit of frequency response for most optic fiber sensors is about hundreds of kHz. So it is difficult to detect higher frequency signal. In this paper, a FBG sensor of detection bandwidth reaching about 4 MHz is designed, and the FBG sensor as well as a traditional ultrasonic transducer is used to detect the nonlinear effect of Lamb wave in 304 stainless steel plate respectively. By comparing the results of the two experiments, it can be found that both the FBG sensor and the traditional transducer can detect the fundamental and second harmonic waves in the steel plat, and the weak 3rd/ 4thharmonic waves as well, which is shown that FBG has a great potential in detecting nonlinear Lamb waves.

Fiber Bragg Grating(FBG); Lamb waves; nonlinear.

O422.7

A

1000-3630(2016)-03-0228-03

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.008

2015-08-20;

2015-10-15

国家863计划(2012YQ15021306)、国家自然科学基金资助项目(11174223, 11374231, 11274099)。

刘国涛(1990－), 男, 湖北人, 硕士研究生, 研究方向为光纤声检测。

程茜, E-mail: q.cheng@tongji.edu.cn