声发射与超声波同时敏感的光纤光栅传感网络研究

孟丽君，谭 昕，霍俊杰

(江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉 430056)

0 引言

声发射技术可从整体上检测在外力作用下结构的损伤状况，但易受机电噪声干扰而导致虚警或漏警[1-2]。超声波损伤检测技术具有测量精度高、方向性较好、传输损失小等特点，但其逐点扫描的检测方式使其实际操作不便[3-4]。将声发射技术和超声波检测技术相结合进行结构损伤检测，可实现检测技术的优化与互补：利用声发射初步判断损伤的有无和大致位置，利用超声波逐点扫描获得缺陷的具体位置和形态大小。一些研究人员开展了声发射、超声波联合检测技术进行裂纹损伤的研究工作。Tsangouri E.等采用声发射、超声波检测和数字图像相关法相复合的技术，对混凝土梁的裂缝形成和张开情况进行了测量[5]。王文韬利用声发射和超声/相控阵研究了板结构损伤情况[6]。Lee Joon Hyun等利用声发射和超声波技术分析了TIG焊接碳钢的微观损伤[7]。Shah A A等利用非线性超声和声发射技术对混凝土在压缩荷载下的损伤进行了评估[8-9]。然而，在上述复合技术中，通常使用诸如压电陶瓷等电子传感器来测量声信号，而这种电类传感器易受电磁干扰、稳定性差、零漂大，往往难以适应复杂恶劣环境中损伤监测的要求。

光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、测量精度高、性能可靠、对电绝缘、环境适应性好，体积小、一线多点，易形成分布式传感网络等特点[10-12]，是检测领域一个研究热点[13]。因此，可将光纤光栅传感技术与声发射、超声波检测技术结合起来，由材料自身声波信号和外界超声信号激励被测件，由空间布置的多支光纤光栅来获取分布的响应信号，通过分析实现对机械损伤的全面动态检测。这种复合检测技术，可充分发挥各种检测技术的优势，即可发挥超声波的穿透力强、方向性强和声发射的全局性及易于损伤表征的优势，还可发挥光纤光栅满足分布测量的分布测量特点，从而使得检测信号更全面，易实现缺陷的准确判断和识别。

本文根据超声波声场的分布和光纤光栅的传感特点，构建了一种扇形分布光纤光栅传感网络，用于声发射和超声信号的同时测量，搭建了基于可调激光光源的光纤光栅解调系统，依次开展了钢球冲击声发射、超声波单独作用和联合作用下传感网络响应特性的实验研究，利用小波分析和时频变换对响应信号进行分析，验证该光纤光栅传感网络用于声发射和超声波信号同时检测的可行性和有效性。

1 传感网络的搭建

目前，对光纤光栅响应特性的研究主要局限于单支光栅，而有关光纤光栅网络布点的研究比较少，光纤光栅易于成网复用的检测优势并没有完全展现。材料中传导的超声波引起的应变较低，声场分布、声波传播路径和波形模式受换能器型式、超声主频和传导媒介的影响很大。因此，需要根据超声传导的特点，合理设计传感网络的布点规划、各光栅相对于激励声源的布置方向和距离，传感网络位于待测构件的具体位置，提高光纤光栅传感网络有效获取声发射和超声信号的能力。

金属薄板在现代工业中使用十分普遍，板内的损伤直接影响到薄板结构的正常使用。因此，本文将研究一种针对薄板件内声发射和超声信号同时检测的光纤光栅传感网络。兰姆波具有传播损失小、损伤检测灵敏的特点，是大型板件结构损伤检测的有效手段[14]。然而，兰姆波具有频散特性，其传播的模式和速度除受传播介质影响以外，还受到超声频率和板件厚度的影响。一般而言，在低频率兰姆波的波形模式较少且不易发生模式转化，且传播速度较快。一般来说，光纤光栅对兰姆波对称模式的响应灵敏度高于非对称模式[15]，为简化分析，本设计中采用较低频率的单一对称模式波对薄板件进行激励。

考虑到超声的主要能量集中在声轴线上[16]，而光纤光栅有轴向应变敏感性[17]，设计的光纤光栅传感网络结构如图1所示，该传感网络由4支光纤光栅组成扇形结构，各光纤光栅粘贴布置在1 mm的铝合金薄板表面。A点为兰姆波激励源位置，设计中采用1 MHz×30°单晶斜探头激发兰姆波。

图1 光纤光栅传感网络结构

图2为铝合金板兰姆波频散曲线，根据图2可确定在MHz超声激励下，1 mm厚的铝合金板内主要产生S0对称模式兰姆波，其相速度和群速度分别为5.301 5、5.107 45 km/s。图1中B点为声发射源位置，设计中利用钢球高处降落产生冲击信号来作为声发射源。AB方向为超声声轴线方向，兰姆波主要沿该方向传导。FBG-1至FBG-4为传感用光纤光栅，其中FBG-2轴线布置于超声声轴线上，FBG-1和FBG-3相对于声轴线AB对称布置，其轴线方向沿以A为圆心的径线方向且与声轴线AB呈θ角，FBG-4与FBG-3垂直布置。沿声轴线的近声场区，声压在一定范围内不断波动，因此应避免将光纤光栅布置在近声场区。近场长度N可根据式(1)计算：

(1)

式中：D为换能器晶片的直径，mm；S为换能器晶片的面积，mm2；λ为超声波波长，mm。

(a)相速度曲线

(b)群速度曲线图2 铝合金板的兰姆波频散曲线

换能器晶片面积约为402 mm2，超声波速度为5.107 45 km/s，对应的超声波长为5.11 mm，因此近声场长度N约为25 mm。当超过1.6N位置后，可认为超声声场处于非扩散区。因此设计时将光纤光栅和声发射源布置在远声场区，并考虑到光栅的胶层长度，取AB为72 mm，A点到各光纤光栅中心的距离为144 mm。

超声场通常看成顶点在换能器表面中心的锥形，零声压处所对应的半扩散角反映了声压强度的聚集范围，半扩散角α可表达为

(2)

式中：b为换能器半径，mm；λ为超声波波长，mm。

按式(2)计算得到半扩散角约为16°，因此传感网络中倾斜角θ取16°。

2 实验系统工作原理

如图3和图4所示，搭建的实验系统主要由光纤光栅解调系统和光纤光栅传感网络构成，系统采用可调激光光源对各光纤光栅进行波长扫描，用高带宽的光探测器对光功率进行测量，用数字示波器显示测量信号。

图3 实验系统工作原理

图4 实验装置图

可调激光光源选用Yenista-T TLS-AG-C；其输出功率设置为20 mW，光探测器选用Thorlabs-PDA-10CS；数字示波器选用TBS-1102，各光纤光栅的栅区长度为3 mm。用超声发射接收采集卡激励单晶斜探头1 MHz×30°，从而在1 mm厚的铝合金板内产生兰姆波。实验开始前，需要将可调激光光源的输出波长与各光纤光栅进行波长匹配，以保证系统工作在线性范围。FBG-1至FBG-4各光纤光栅粘贴固化后，室内温度20.8 ℃时的中心波长分别为1 550.335、1 550.193、1 550.255、1 550.235 nm，对应的可调激光光源的输出波长分别设置为1 550.660、1 550.513、1 550.578、1 550.565 nm。实验过程中尽量保证该工作温度不变。

3 实验研究

首先开展钢球冲击声发射信号的检测实验研究。将直径为5 mm的钢球分别从距离铝合金板200～600 mm的定高度自由落体降落到光栅传感网络B点位置，依次采集各光纤光栅的响应信号。图5为钢球从500 mm高度自由冲击时各光纤光栅的测量信号。钢球从其他高度处冲击时，各光纤光栅也测量到类似的信号。由图5可知FBG-1、FBG-2和FBG-3都测量到类似波形的声发射信号，其频率主要集中在5 kHz附近，3组信号的强度相当，说明声发射信号从发射源向周围空间传播，方向性不明显。FBG-4没有测量到有效的声发射信号，这和光纤光栅的轴向敏感性相吻合，可根据FBG-4判断声发射源的方位。

(a)时域信号

(b)FFT变换信号图5 钢球从500 mm高度自由冲击时各光栅的采集信号

为较好分析声发射信号的频域特性，采用小波函数db9的小波包分解方法对信号进行处理。图6为冲击高度为500 mm时FBG-2所测时域信号的前七阶波包分解信号及其频域曲线。

(a)前七阶时域分解信号

(b)波包分解的频域曲线图6 db9小波分析的前七阶分解信号及其频域曲线

由图6可知，小波波包分解方法可清晰呈现信号的频域特征。可根据小波波包分解方法讨论各光栅的声信号响应特性。

图7为冲击高度为500 mm，各光栅所测声发射信号的幅频特性，由图7可知同样声发射源激励下，FBG-1、FBG-2和FBG-3各分解波包的强度存在差异，但各阶分解信号的主频位置基本一致。由于横向应力不敏感，FBG-4对声发射源的响应情况最差。

图7 冲击高度500 mm各光栅声发射信号幅频特性

图8为不同冲击高度下，FBG-2声发射信号的幅频特性。不同高度冲击下，对单支光栅各阶波包分解的主频较一致，而各阶波包分解的幅值随冲击高度的增加而增加，即该传感网络可反映声发射冲击能量的不同。

图8 不同冲击高度下，FBG-2声发射信号幅频特性

采用耦合剂将1 MHz×30°斜探头固定在A点，以激发出兰姆波信号，依次采集传感网络中各光栅的测量信号，测量结果如图9所示，由图9可知FBG-1、FBG-2和FBG-3均采集到兰姆波信号，由FFT信号看出，兰姆波的主频为1 MHz，这和探头主频一致。FBG-2具有最好的超声响应特性，与之呈一定角度倾斜的FBG-2和FBG-3有类似的超声响应强度，而响应主频存在一些差别，这可能是由于实际光栅的胶粘情况存在差异。FBG-4未测到有效的兰姆波信号。相比于信号较强的冲击声发射信号，光纤光栅对横向超声的响应情况更差。

(a)时域信号

(b)FFT信号图9 超声激励下各光栅的测量信号

当采集时间足够长，传感网络可获得兰姆波的散射或反射波信息。图10为采集时间约90 μs时，FBG-1采集信号的时频图像，可看出，超声能量主要聚集在t=0，f=1 MHz附近，这和时域信号的特征一致，在时间t=65 μs附近接收到f为0.9、1.15 MHz的其他模式波。这可能是边界的反射波包。利用丰富的波包信息，可进行铝合金板自身特性或损伤情况的分析。

图10 超声激励下，FBG-1时频图像

最后，利用斜探头激发超声波，利用钢球冲击产生声发射，测量声发射和超声波同时作用下，传感网络中各光纤光栅的信号情况。由图11中时域曲线可知，FBG-1测量到典型的声发射信号，将时域信号进行FFT变换，可得到其频域曲线。通过比较图5和图11，可以推断图11的低频区域信号应该对应声发射信号，而在高频区域出现中心频率约为3.4 MHz的峰值，这与超声探头的主频频率不一致，说明当声发射和超声波共同作用时，出现了非线性超声现象。

(a)FBG-1时域信号

(b)FBG-1的FFT信号图11 声发射和超声共同作用下，FBG-1的时域及FFT信号

图12为分析得到的声发射和超声共同作用下FBG-2和FBG-3的FFT曲线。由图12可知，FBG-2和FBG-3也分别测量到主频为3.4 MHz的非线性超声信号。可通过进一步分析传感网络的信号特征，研究声发射和超声相互作用的非线性问题。

4 结束语

本文提出了一种同时进行声发射和超声信号测量的光纤光栅传感网络。根据声场分布特征，确定了各光纤光栅的相对位置关系，搭建了基于可调激光光源的解调系统，开展了声发射作用下、超声激励、声发射与超声波共同作用下，传感网络中各光栅响应特性的实验研究。实验表明，该传感网络可同时测量声发射和超声波信号，传感网络的光栅信号可反映声发射的强度和位置、超声波的传播方向等信息，并可用于非线性超声的研究。

(a)FBG-2的FFT信号

(b)FBG-3的FFT信号图12 声发射和超声作用下，FBG-2和FBG-3的FFT信号