用于监测阀门泄漏的超高动态范围全光纤超声传感系统*

叶　子，王　超

（复旦大学材料科学系，上海200433）

用于监测阀门泄漏的超高动态范围全光纤超声传感系统*

叶子，王超*

（复旦大学材料科学系，上海200433）

本文提出了一种超高动态范围的全光纤超声传感系统，针对阀门发生泄漏时伴随产生的声发射现象，利用光纤的光弹效应，将声发射现象产生的超声信号转换为光纤中传输的光信号的相位变化，由光路干涉结构将光信号的相位改变量转换为两路干涉输出信号的幅度量，通过相位解调还原算法和功率谱分析，实现对超声信号的探测和提取。经过阀门泄漏实地测试验证了全光纤超声传感系统的实用性和可行性，并在实验室条件下对系统的动态范围进行了具体的测试分析。

光纤传感；阀门泄漏；超声检测；声发射

EEACC:7230E；7820doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.001

光纤传感技术自上世纪七十年代末诞生［1-2］，经历了数十年的迅猛发展，至今已在位移传感［3］，应变传感［4-5］，温度传感［6］，速度传感［7］等多个领域实现了相当广泛的应用。相比于传统的电学声传感器，光纤传感器采用光学原理构成，具有灵敏度高、动态范围大等特点，可以适应强电磁干扰、高温高压、原子辐射以及化学腐蚀等恶劣条件。

在阀门泄漏的情况下，管道内传输的气体或液体经过泄露处喷射而出时会产生高速射流，对管壁产生冲击激发弹性波，为连续型声发射信号，频率集中在20 kHz～100 kHz的超声频段，且随着泄漏处缝隙的减小和缝隙两侧压强差的增大而增大［8-11］。超声信号作为一种机械波，作用于光纤上时会对光纤产生一定应力作用，引起光纤传光特性的改变，进而导致光纤中传播的光相位发生与作用应力相对应的改变，尽管光相位的改变无法直接通过探测器进行检测，采用干涉光路结构，可以将光相位的改变转换为干涉结果中光强的变化，就可以推算还原出外界的超声信号，进而实现对阀门泄漏的监测。现有的光纤阀门泄漏监测技术往往着重于阀门泄漏导致的温度变化，一方面有其实时监测的延迟性，另一方面，当阀门发生内部泄漏时，其温度改变往往并不明显，其实时性和灵敏度都难以达到较高的水平［12］。

1　理论分析

局部的能量快速释放能够产生瞬时弹性波，即声发射现象。对于管道阀门而言，由于管道内外较大的压强差，阀门的泄漏会导致管道内传输的高压介质（气体或液体）在泄露处快速释放，发射出一定频率的声波，且声波的强度与频率与阀门泄漏的情况相对应。

以往的研究表明，阀门泄漏产生的连续型声发射信号的频率与泄漏处缝隙的大小成反比，与缝隙两侧压强差成正比，对于实际应用中出现的阀门泄漏情况，其伴随的声发射信号频率往往集中在20 kHz～100 kHz的超声频段，对于不同阀门不同流体的泄漏情况伴随产生的声波信号能量大小会出现较大的差异性。要对能量大小差异性大，频率集中在20 kHz～100 kHz的超声频段的阀门泄漏声发射信号实现监测，对监测系统的灵敏度和动态范围都有极高的要求。采用全光纤干涉结构，利用超声信号作用于光纤时的光弹效应，可以实现超声信号的高灵敏度大动态范围的检测。同时，管道阀门监测环境往往较为严苛，譬如蒸汽传输的高温与高湿度，石油管道的易燃易爆性等，相较于传统的传感监测系统，光纤传感器在其环境适应性上拥有着无可比拟的优势［13］。

超声信号作用于光纤上时，能够引起光纤长度l和光纤折射率n等光学传输特性的变化，从而引起感应光纤中传输光相位的变化，即光弹效应：ΔΦ=γΔl。光相位的变化与光纤内部的轴向应变Δl成正比，和外加应力成正比，传输光相位的改变反映了外界超声信号的扰动信息，当外界扰动幅度增大时，作用于感应光纤上的外加应力增大，导致光相位改变ΔΦ增大。由于外界信号的大小影响的是传输光的相位改变而非幅度，而利用干涉技术能够检测出任意大小的相位变化，因此相位调制型的光纤传感器对超声信号检测的动态范围要远高于其他调制类型。同时，光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，对于微弱的超声信号也能够实现灵敏检测。

为间接检测光纤中的光相位变化，本文采用图1中所示全光纤白光干涉技术，将光相位变化转化为光强变化，通过对光强信号的解调还原，实现对超声信号的检测。

在该结构中所有光路结构均为普通单模光纤，激光源采用的是宽光谱激光器，中心波长1 550 nm，谱宽为36 nm，出光功率大于3 dbm，功率稳定性24 h变化率小于0.5%。感应光纤末端与法拉第旋转镜相连，相较于普通反射头，法拉第旋转镜能够有效地消除部分光纤偏振变化的影响。这样的反射结构不仅实现了传输光去程与回程均通过超声信号作用的感应光纤，在相同外界信号激励的环境下使得相位灵敏度提高一倍，而且能够有效避免感应光纤的偏振态随机变化对干涉系统的影响［14］。

图1　全光纤白光干涉结构

光源发出的一定功率的宽光谱激光，经3×3耦合器均分为三束，形成四条光束路径：1：A→B→C→B→D→E→F→G→F→H→I；2：I→H→F→G→F→E→D→B→C→B→A；3：A→B→C→B→D→E→F→G→F→E→D→B→C→B→A；4：I→H→F→G→F→G→F→H→I。由于光纤延迟线长度远远大于激光器的相干长度，只有沿路径1和路径2传播的光束能在3×3耦合器处能够发生干涉。而未参与相干涉的光及两路在外界没有扰动信号时通过相同传输路径的干涉光构成了系统的静态光信号，最终形成了探测电路的直流电平。通过硬件电路对信号进行隔直，一方面可以有效地隔离不对称的滞留部分，另一方面提高了后续放大电路输出信号的动态范围。由于该全光纤白光干涉结构的动态范围主要受到信号探测部份的带宽和采样率的限制，两路输出干涉信号通过高带宽光电转换器转换为电信号传输至高采样率高带宽示波器进行波形显示和采集。

根据干涉仪3×3耦合器3个相位输出的互补对称特性，可以将输出的两路交流信号表示为［15］：

其中，φ（t）为系统感应的外界信号，A（t）和B（t）是耦合器分配不均匀且经过放大器放大后所产生的幅度系数，A（t）、B（t）为受温度影响的缓变量，为一受温度影响的变量，短时间内可视为常数，ϕ1和ϕ2是系统的初始相位，对于3×3耦合器通常可取为常数2π/3。上式中我们可以看到，外界信号φ（t）大小的改变仅仅对应cos函数的相位改变，而不会影响两路交流信号的最大幅值，即系统的最大检测幅度不受探测器探测幅值的限制，而仅仅受限于探测采集部分的采样率和最大带宽。现有的数据采集技术使得探测采样率能够达到GHz数量级，在采用高带宽光电转换器的情况下，系统的动态范围能够得到极大地提升。

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由上面的分析可知，干涉信号的相位差对应着超声信号的变化，所以只要将φ（t）通过算法还原出来，就可以反映出原始超声信号的大小。解调分析过程如图2

图2　数据处理

由等式（2），我们已知两路干涉信号与外界扰动信号的对应关系，采集到的两路干涉信号数据dataX和dataY相当于对等式（2）进行了离散化处理。同时为消除实际情况中由于各种因素引起的两路信号的幅值差异和硬件上进行的滤除直流分量处理带来的影响，需要对dataX和dataY进行归一化处理之后再相位解调还原得到外界扰动信息。

当外界信号较大，作用在感应光纤上时引起的相位改变超过2π，根据等式2，两路干涉信号的极大值和极小值对应于±A-Acosφ1和±B-Bcosφ2，据此可求出A、B、cosφ1、cosφ2，带回到式（2）中，根据已知的两路干涉信号数据x（t）和y（t）即可求解出φ（t）［16］。

而当外界信号引起的相位改变小于2π时，信号极为微弱，此时有sinφ（t）≈φ（t），可对两路干涉信号进行直接相减得到还原信号。

还原得到的信号波形经过一个20 kHz至100 kHz的带通滤波器，只保留阀门泄漏引起的超声信号存在的频段，滤除其他干扰频段的影响，即得到作用于感应光纤的阀门泄漏引起的原始超声信号。由于超声波在空气中衰减较快，信号强度不大，且夹杂有外界其他信号的干扰，原始的还原信号波形并不是规律的固定频率的正弦波形，直接对原始超声信号波形观察通常无法实现肉眼辨识，也无法对其频率进行较为准确的判定，因此需要通过对还原得到的超声信号通过傅里叶变换采用频谱分析，观察不同频率上能量的累积来判断超声信号的有无，即可实现对阀门泄漏的实时监测告警。

2　实验

实验测试分为实地阀门泄露应用测试和实验室超声信号动态范围测试两个部分。

在实地阀门泄露应用测试中，实验系统搭建如图3所示结构。

图3　全光纤超声传感系统监测阀门泄露

全光纤超声传感主机平稳放置于管道测试间隔壁操控室内的工作台上，将显示器通过连接线与主机相连，传输光缆采用20 m左右长度的普通单模光纤，一端接入全光纤超声传感主机，另一端与感应光纤相连。其中，感应光纤由50 m普通单模裸纤以圆环形态［17］紧密绕制，尾端连接反射头，整体附着固定于方形金属薄板上，置于两泄漏阀门之间的地面上，距离阀门高度约为30 cm，两阀门间距约为30 cm。如图4所示。

图4　阀门泄露监测环境

阀门所处管道结构中传输的介质为气体介质。对于传输气体介质的管道而言，为保证气体介质在阀门开启状态下能够在管道中以一定速度进行运输，在阀门正常关闭无泄漏时，闭合处两侧有着巨大的压强差。而当两侧阀门处于泄漏状态，泄露处两侧巨大的压强差使得泄露气体处于高速迸发状态导致声发射产生超声波信号。超声信号在空气中衰减较快，感应光纤尽量靠近内漏阀门附近，并且裸纤对高频振动信号（超声信号）灵敏度较高。在实际应用中，感应光纤的形态可以根据待监测管道阀门的形态进行改良，在保证损耗较小的情况下，对同一待测位置的感应光纤越长，则对该处发生泄漏时的感应灵敏度也相应越高。

测试结果如图5，dataX，dataY分别为两路回光经过干涉将回光相位差转换为光强信号，光强信号再经过光电转换模块转换为电信号后采集得到的数据，横坐标为数据点数，采样频率为5 MHz，纵坐标为经过光电转换后电信号的电压幅度（V），采用相位还原算法，还原解调出的超声信号波形如图中PHASE所示，横坐标对应于采样点数，可通过采样频率转换为时间参数，纵坐标对应于相位改变的弧度，可观察到PHASE波形为较为明显的周期信号，且频率处于超声信号频段。PSD为对还原信号进行功率谱分析的结果，横坐标对应频率（Hz），纵坐标为对应的功率大小（dB），可观察到两个较强的波峰分别出现在27 kHz和37 kHz处，说明感应光纤感应到的两不同频率的超声信号，频率分别为27 kHz和37 kHz，为两处阀门泄漏情况不同导致超声信号频率的差异。

图5　阀门泄露信号频谱

由于实地测试环境的复杂性和干扰的多样性，对全光纤超声传感系统的测试着重于功能的定性分析。

为对超声传感系统进行定量测试，研究其动态范围，在实验室环境下搭建实验系统，如图6所示。采用超声波发声器作为超声波源产生固定频率为40 kHz超声信号，模拟阀门泄漏产生的超声信号，功率大小可调。感应光纤由两百米裸光纤绕制成圆环形态以进一步增强系统的感应灵敏度。光电探测器带宽为200 M，数据采集由示波器完成，采样频率为10 GHz。

图6　全光纤超声传感系统

将超声波发生器功率调至最小，开启超声波发生器、示波器和信号处理软件。从小到大逐渐增大超声波发生器的功率，在信号处理软件界面观察超声还原探测结果。由于超声信号频率固定为40 kHz，在动态范围检测实验中，主要关注于还原得到的超声信号波形能够观测到的最小和最大的幅度。

当超声信号很小时，相位调制小于2π，对两路干涉信号进行小信号相位还原，结果如图7所示，其中dataX，dataY分别为示波器采集到的两路干涉信号，phase为还原得到的超声信号，三者的横坐标均为采样点数，两路原始信号纵坐标为光电转换后得到的电信号的幅度（V），还原得到的phase纵坐标为相位改变的弧度值，可观察到phase波形为近似正弦的周期波形，频率为40 kHz，与超声波发生器产生的超声频率相符，Vpp为超声信号的幅值变化情况，在肉眼可识别为几近正弦信号的情况下，最小幅值可低至0.395 4。当超声波发生器功率进一步减小时，检测到的超声信号过于微弱淹没在外界干扰的噪声信号中难以辨别。

图7　小信号测试结果

当超声信号很大时，相位调制大于2π，根据两路交流信号输出的形式，对dataX和dataY采用相位还原算法进行解调，如图8给出了在超声波发生器功率较大情况下两个多周期的相位还原结果，其坐标参数与图7相同。检测到的超声信号频率为40 kHz，与超声波发生器产生的超声频率相符，在不出现截止的情况下，最大峰峰值可高达5 293.5。当超声波发生器的功率进一步增大时，由于受到光电转换带宽和示波器采样速率的限制，信号会出现失真。

由以上结果可得到本超声传感系统的动态范围可高达20×lg（5293.5/0.3954）=82.5431 dB，对大信号和小信号情况均可实现灵敏监测。通过进一步增加感应光纤长度，光电转换器带宽和采样频率可进一步增大该系统的灵敏度和动态范围。

图8　大信号测试结果

3　结语

本文基于阀门泄漏时伴随存在的声发射现象提出了一种应用于监测阀门泄露的超高动态范围全光纤超声传感系统，拥有光纤传感系统优异的环境适应性，稳定性，无源，抗腐蚀抗电磁干扰，耐高温等传统超声传感系统无法比拟的优点，适用于管道阀门泄漏监测这类较为特殊的严苛环境。经过实验室超声信号动态范围测试，该系统能够在确保超声信号监测灵敏性和准确性的前提下达到82.5 dB以上的动态范围，并且在实地阀门泄露应用测试中对于不同管道阀门传输流体的泄露情况均实现了精准而及时的探测报警，特别是当待测点附近发生多处泄漏时，可通过泄漏情况不同导致的超声信号频率差异来实现多点泄漏监测，能够直观便捷地为检修人员提供泄露情况参考，具有较高的应用价值和前景。

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叶子（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感技术及其信号处理等，13210300034@fudan.edu.cn；

王超（1982-），通讯作者，男，副研究员，主要研究方向为光纤传感技术与信号处理等，wangchao@fudan.edu.cn。

A High Dynamic Range All-Fiber Ultra-Acoustic Pressure Sensing System for Detection of Valve Leakage*

YE Zi，WANG Chao*
（Department of Material Science，Fudan University，Shanghai 200433，China）

A novel high dynamic range all-fiber ultra-acoustic pressure sensing system for detection of ultra-acoustic waves emission caused by valve leakage is introduced in this paper.Based on photoelastic effect，the ultra-acoustic waves acting on sensing fiber can cause phase changes of the light transmitting in the sensing optic fiber.The interference structure in the sensing system converses phase changes into the intensity of two interference signals. Through demodulation and power spectrum analysis，the information of original ultra-acoustic signals can be extracted.The system's practicability and effectiveness is proved by field testing and its dynamic range is calculated under laboratory conditions.

fiber sensing；valve leakage；ultra-acoustic detection；acoustic emission

TP212.14

A

1004-1699（2016）07-0957-05

项目来源：国家仪器项目（（NIP）项目（2014YQ090709）

2016-01-21修改日期：2016-03-09