基于DFB光纤激光拍频解调的高分辨率声发射检测技术

贾 青，马怀祥，张文涛，黄稳柱

(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043；2.中国科学院 半导体研究所，北京 100083)

0 引言

声发射是由材料局部能量快速释放而产生的一种瞬态弹性波现象。大多数材料在磨损和断裂时，都会产生高频的声发射信号。在石油化工、交通运输、航天等众多领域[1]中，现代机械设备在工作过程中都会出现磨损或断裂等故障。因此有必要使用声发射传感器来检测这些故障。光纤声发射传感器与传统的电学类声发射传感器相比，具有频带宽、不受电磁干扰、灵敏度高、体积小、不必与被测物体接触、电子设备与传感器可以间隔很远等优点。因此，光纤声发射传感器将被用于检测由磨损或裂纹等故障引起的高频声发射信号。

光纤布拉格光栅声发射传感器是目前应用最广泛的声发射传感器之一。光纤布拉格光栅波长解调技术通常包括基于匹配光栅、线性滤波器和阵列波导光栅滤波器波长解调技术[2]，基于匹配光栅的波长解调技术的应变分辨率相对较低，最高为0.01 με，基于线性滤波器的波长解调技术的应变分辨率不高，最高为2.4 με，基于阵列波导光栅滤波器的波长解调技术应变分辨率较低，最高为8 με，这些波长解调技术的应变分辨率有待提高[3]。另外几种解调技术包括基于可调谐激光器的相移光纤布拉格光栅强度解调技术和基于光纤干涉仪的光纤激光相位解调技术，虽然这2种解调技术有很高的应变分辨率[4]，但是动态范围很小。还有一种解调技术是基于光纤激光器的拍频解调技术，这种解调技术具有结构紧凑、波分复用能力强[5]、动态范围大[6]等优点。基于光纤激光器的拍频解调技术包括基于分布式布拉格反射激光器的偏振正交拍频解调技术和基于分布式反馈激光器的拍频解调技术。限制基于分布式布拉格反射激光器的偏振正交拍频解调技术应用的主要原因是应变分辨率低，只有少量的微应变。为了提高应变分辨率，提出了基于DFB光纤激光器的拍频声发射解调技术。该解调技术能够以较高的应变分辨率检测由磨损或断裂等故障引起的声发射信号。

1 解调原理

基于DFB光纤激光器的拍频解调系统原理如图1所示，DFB光纤激光器将经过波分复用器的980 nm的泵浦光进行泵浦并输出激光，经波分复用器，光纤隔离器2与1 550 nm光纤激光器发出的激光经光纤隔离器1在光纤耦合器处相遇并产生拍频信号，并经光电探测器转化成电信号；再通过基于虚拟仪器的信号采集处理系统进行处理。得到拍频信号的频谱图。根据频谱图得出拍频信号的3 dB带宽，根据波长与频率的关系(1 pm相当于125 MHz)和DFB光纤激光器的灵敏度(1 pm/με)得到解调系统的应变分辨率[7]。最后根据数据采集卡NI 5772的采样率得到解调系统的动态范围。

图1 基于DFB光纤激光器的拍频解调系统原理图

在图1的实验装置中，DFB光纤激光器的波长λΒ由相移光栅反射光谱的中心波长决定，可以表示为

λΒ= 2neffΛ

(1)

式中，neff为光纤纤芯的折射率；Λ为光栅周期。1 550 nm光纤激光器和DFB光纤激光器的输出电场可表示为

E1(t)=E1cos(2πf1t+φ1)

(2)

E2(t)=E2cos(2πf2t+φ2)

(3)

式中，f1、f2分别为NKT光纤激光器和DFB光纤激光器的激光频率；φ1、φ2分别为1 550 nm光纤激光器和DFB光纤激光器的光相位。

当NKT光纤激光器和DFB光纤激光器的2个激光束相遇时，光电探测器的光电流为

u(t)∝E1E2cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]

(4)

2 实验方法及结果

以上解调原理中的基于虚拟仪器的信号采集处理系统是首先进行现场可编程门阵列FPGA编译，其LabVIEW程序如图2所示，其中图2 (a)为FPGA编译代码的配置循环图，图2 (b)为FPGA编译代码的模拟输入图。编译完成后，读取采集到的数据，读取得到拍频信号的频谱图，数据读取代码图如图3所示。信号采集处理流程如图4所示，开发的信号分析软件界面如图5所示。

图2 FPGA编译代码图

图3 数据读取代码图

图4 信号采集处理流程图

完成上述编程后，通过使用图1的基于DFB光纤激光器的拍频解调系统进行实验，得出整个解调系统的应变分辨率。实验步骤是使用光谱仪观察DFB光纤激光器的激射波长，得到其中心波长为1 537.19 nm，调节1 550 nm光纤激光器的激光波长，当波长为1 537.195 nm时，此时的拍频信号的时域图经FFT处理得到的拍频信号的频谱图中出现最大峰值(拍频信号)，如图6 (a)所示。对得到的拍频信号做放大处理，得到拍频信号的3 dB带宽，为1.5 MHz，如图6 (b)所示。与此结果相对应的拍频信号的频率的时域图如图7 (a)所示。根据波长与频率关系(1 pm相当于125 MHz)，DFB光纤激光器的灵敏度为1 pm/με，可以得到解调系统的应变分辨率为1.2×10-2με。

图6 1 550 nm光纤激光器与DFB光纤激光器拍频信号的3 dB带宽示意图

图7 时频分析前后拍频信号的频率结果

NI数据采集卡的采样率决定了解调系统的动态范围，测试过程中所使用的数据采集卡NI 5772的采样率为800 MHz，经FFT运算后得到的拍频信号的频谱图的频率范围为0～400 MHz，所以该解调系统的动态范围为400 MHz。

经上述计算得到解调系统的应变分辨率为1.2×10-2με，可以使用时频分析的方法来提高解调系统的应变分辨率，本实验所使用的时频分析方法是短时傅里叶变换法，此方法实际上是一种加窗的傅里叶变换，它是随着窗函数在时间轴上的滑动而形成的一种信号时频表示[8]。短时傅里叶变换实现在时间域和频率域组成的二维空间信号的特性寻找。时频平面上的时间分辨率Δt是由时窗的宽度T决定，它的值的大小是相邻窗的重叠部分的长度，可由公式Δt=(T-L)/fs表示，其中，L为时窗滑动步长；fs为采样频率。L可取T的一半，若使解调系统的解调速度达到1 MHz，此时Δt等于1 μs，而拍频信号的采样率为800 MHz，所以T-L=800，即T=1 600。频率分辨率Δf是由频窗的宽度B决定[9]，可以由公式Δf=fs/N表示，其中，N为采样点数。

由不确定性原理，对于任何有限能量的信号，它的时宽T和频宽B总是满足式T×B=Δt×Δf≥1/4π，可以得到Δf≥79.578 kHz，通过理论分析得到的频率分辨率最高为79.578 kHz(相当于应变分辨率为6.37 × 10-4με)，由计算频率分辨率的公式Δf=fs/N，fs为800 MHz，若使频率分辨率最高，采样点数为10.054 k。设置好采样点数后得到的时频分析结果如图7 (b)所示。根据时频图所得到的解调系统的频率分辨率为800 kHz(相当于应变分辨率为5.2×10-3με)，根据波长与频率的关系可得解调系统的应变分辨率为6.4 × 10-3με。

以上分析方法有一定缺陷，窗函数的主瓣宽度反应其频率分辨率，主瓣越宽，频率分辨率越低。而实验中所选用的窗函数是汉宁窗，该窗函数的主瓣宽度很宽，使得时频分析所得到的频率分辨率下降，低于理论计算值，可以选择主瓣宽度窄的矩形窗来提高频率分辨率，从而减小与理论分析的差异。

通过使用上述的时频分析方法使得基于DFB光纤激光器拍频解调的声发射检测技术的应变分辨率达到了6.4 × 10-3με。而基于匹配光栅的波长解调技术的应变分辨率为0.01 με、基于线性滤波器的波长解调技术的应变分辨率为2.4 με、基于阵列波导光栅滤波器的波长解调技术应变分辨率为8 με。基于DFB光纤激光器拍频解调的声发射检测技术的应变分辨率高于基于匹配光栅、线性滤波器和阵列波导光栅滤波器波长解调技术的应变分辨率[3]。

3 光纤激光声发射验证实验

为了验证以上搭建的基于DFB光纤激光器的拍频解调系统能否准确地检测声发射信号，用此解调系统做了压电陶瓷(PZT)声发射实验与低速冲击探测实验进行验证。

图8 DFB光纤激光器与PZT粘接在钢板表面示意图

首先通过压电陶瓷(PZT)声发射模拟实验来验证。使用透明胶将DFB光纤激光器粘接在钢板的表面上，在距DFB光纤激光器较近的地方用502胶耦合PZT驱动器，如图8所示，20 kHz的正弦信号驱动PZT声发射时域图如图9所示，频谱图如图10所示。由20 kHz的正弦信号驱动PZT声发射频谱图可得，正弦信号的频率为20 kHz，与所施加的正弦信号的频率相同。

图9 20 kHz正弦信号驱动PZT声发射时域图

图10 20 kHz正弦信号驱动PZT声发射频谱图

然后通过低速冲击探测实验来验证。使用透明胶将DFB光纤激光器粘接在钢板的表面上，在距离DFB光纤激光器40 cm处，使用一个直径为10 mm、重1.5 g的钢球，从钢板上方25 cm高处下落模拟突发型声发射信号，基于DFB光纤激光器的拍频解调系统探测到的模拟声发射信号的时域图如图11所示。所以得出基于DFB光纤激光器的拍频解调系统能够准确的探测到突发型声发射信号。

图11 单通道光纤激光声发射检测所探测到的模拟声发射信号时域图

4 结论

基于DFB光纤激光器的拍频解调声发射检测系统可以达到6.4×10-3με的高应变分辨率，并且可以使解调系统的动态范围达到400 MHz。基于DFB光纤激光器的拍频解调声发射解调技术的优势很大，其应变分辨率高于基于匹配光栅、线性滤波器和阵列波导光栅滤波器波长解调技术，动态范围大于基于可调谐激光器的相移光纤布拉格光栅强度解调技术和基于光纤干涉仪的光纤激光相位解调技术。该解调技术能够以较高的应变分辨率检测由磨损或裂纹等故障引起的声发射信号。通过正弦信号驱动PZT声发射模拟实验和低速冲击探测实验证明，可以利用DFB光纤激光器准确地检测出声发射信号。