一种新型低温光纤环声发射传感技术

陈 博，刘哲军,金 珂,卢 鹉,徐 林,魏 鹏

(1.航天材料及工艺研究所，北京 100076;2.北京航空航天大学 光学工程学院，北京 100076)

随着计算机技术的飞速发展，基于数字化的声发射检测技术也越来越成熟，并广泛应用于航空、航天、船舶、机械、化工等工业领域。声发射传感器是实现声发射信号采集的关键部件,声发射传感器种类繁多，工程化应用中常见的是压电式声发射传感器。

压电式传感器的工作原理为，内部压电晶体元件(压电陶瓷)在应力波作用下产生变形时，会在其相对变形的两个对称表面产生电性相反数量一致的正负电荷，从而将声发射机械波引起的表面振动转换成电压振荡声发射信号并输出[1]。受居里效应影响，普通压电陶瓷传感器的工作温度区间一般为-65177 ℃。一些经过特殊处理的压电陶瓷传感器的工作温度虽然可以到-200540 ℃[2],但随着温度降低或升高，压电陶瓷传感器的灵敏度、可重复使用频次均会大大降低。以低温环境为例，据测算，在液氮环境中(-198 ℃)，压电晶片的电荷输出与位移之比比在室温中要降低10%以上[3]。因此提升传感器适用范围,发展更加普适的声发射传感器成为开展恶劣环境下声发射检测的主要研究方向。

近年来，随着光纤光学技术的发展，以光纤光栅研究为主的光纤声发射传感检测技术在设备研制和应用等方面均取得了较大进展,部分技术在传统的温度、应力等传感领域已经实现商业化[4]，而将光纤传感器技术应用于恶劣环境下的声发射检测研究还较少。光纤的材料主要为二氧化硅，其具有抗腐蚀、抗低温的特点，非常适合恶劣环境下的声发射检测[5-6]，故光纤声发射检测技术的出现为恶劣环境下的声发射检测提供了可能[7]。

笔者通过理论分析初步构建了光纤环声发射传感器的理论模型，基于光纤马赫-曾德干涉原理搭建了四通道光纤环声发射传感器样机，开展了低温钛合金气瓶液氮环境下的平面定位和声发射检测灵敏度的初步测试。试验结果表明，研制的光纤环声发射传感器能够在低温环境下直接耦合气瓶进行声发射信号采集与定位，信号采集灵敏度不低于90 dB，四通道平面定位偏差最大不超过最大传感器间距的8%。该试验为后续光纤环声发射检测技术的工程化应用奠定了一定基础。

1 光纤环声发射传感器原理

光纤环声发射传感器的基本原理是：当缠绕成环状的光纤接收到声发射波时会发生拉伸或压缩，从而改变光程，而绕成环状的光纤会在一定程度上起到放大光程改变的作用；再利用单模激光相干干涉的办法，得到光波相位的变化，通过该变化建立引起光纤变形的声压与输出信号的相关关系，实现声发射信号的光学测量与采集。

声发射检测用光纤结构如图1所示，对图1所示光纤，设其长度为L，有效折射率为neff，作用在这段光纤上的由声发射波引起的声压记为P。设光经过这段光纤时，其光程δ=neffL，对应的相位φ如式(1)所示。

图1 声发射检测用光纤结构示意

(1)

式中：β为传播常数；λ为光纤中的激光波长；k为波数。

对式(1)做全微分，得到的相位的变化量Δφ如式(2)所示。

(2)

式中：Δφ1为光纤长度变化引起的光纤中的相位变化;Δφ2为光纤有效折射率变化引起的光纤中的相位变化,直径的变化对光相位的影响相比于其他两个量的影响小得多，可忽略不计。

设作用在光纤上的声压变化为ΔP时，根据弹性力学中的广义胡克定律，Δφ1可用式(3)表示。Δφ2可用式(4)表示。

(3)

式中：σ为光纤材料的泊松比；Ε为杨氏模量。

(4)

式中：P11和P12为应变-光学张量的分量。

总的相位的变化可表示为

KΔP

(5)

式中：K为声压-相位灵敏度系数。

可以看出，当光纤长度恒定时，K为常数，因此，光纤中相位的变化量Δφ和其所感受的声压变化量ΔP成正比。综上可知，光纤感受声发射信号时会改变光纤中传播的光的相位，相位的变化量和声发射波的声压变化量成正比，光纤中的相位信息即反应了光纤感受到的声发射信息，通过对相位信号进行解调即可得到相应的声发射信号。

2 光纤环声发射检测装置

在建立了光纤环相位漂移与声发射调制信号的数学关系后，理论上只要解调出光纤的相位变化就能得到声发射信号，但由于光的频率太高，直接检测光的相位变化非常困难，只能进行间接的测量，而干涉测量法是一种间接测量光相位变化的手段，可以用来检测微小的光相位变化且具有极高的灵敏度。

笔者研究的光纤环声发射检测装置是利用光纤马赫-曾德干涉原理进行检测的，单通道光纤马赫-曾德干涉系统结构组成如图2所示。

图2 单通道光纤马赫-曾德干涉系统结构组成

由于传感光和参考光来源于同一光源的分光，所以传感臂中的光和参考臂中的光传播常数相同，设参考臂中的光为E1(t),传感臂中的光为E2(t)，则有

E1(t)=A1exp{i[ωt+φ1(t)]}

(6)

E2(t)=A2exp{i[ωt+φ2(t)]}

(7)

它们发生干涉后输出信号为

E(t)=E1(t)+E2(t)

(8)

式中：A1和A2分别为参考臂和传感臂中的光振幅矢量;φ1(t)和φ2(t)分别为两束光的相位;t为时间。ω为频率;i为欧拉公式中的虚数。

两束光接入耦合器2中发生干涉，输出干涉光为两路光矢量的叠加，输出光强可以表示为E(t)与其自身的共轭积的时间平均，即

(9)

设声发射信号为单一频率信号P(t)，则有

P(t)=Ccos(ωst+φs)

(10)

式中:ωs为声发射信号频率;C为信号幅值;φs为声发射信号初相位。

设m=KC，则有

φ(t)=KP(t)=mcos(ωst+φs)

(11)

(12)

利用贝塞尔函数将式(12)展开，表达形式为

(13)

可以看出，式(13)中包含直流信号，声发射信号及其倍频信号，干涉信号接入差分式光电探测器，进行光电转换，即可得到对应的电压信号V

(14)

式中：Q为光电探测器的光电转换系数，光电转换之后,再使用传统的电信号滤波、放大、信号处理与分析系统即可完成声发射波的检测。

搭建的四通道光纤环声发射传感器及固定工装如图3所示，图中1，2，3分别为检测主机，光纤环传感器和光纤环声发射传感器固定工装。其中光纤环声发射传感器主要组成部件包括光纤环传感器、窄带光源、光纤耦合器、光电探测器等。

图3 四通道光纤环声发射检测装置及固定工装

3 低温声发射检测试验

试验对象为容积为20 L的球型钛合金气瓶，后端数据处理检测仪器为美国PAC公司PCI-2型通道检测系统,传感器为光纤环声发射传感器，前放增益为40 dB，试验时，先把光纤环声发射传感器固定在气瓶表面，然后把固定好的气瓶放置在金属容器中，再向气瓶里灌入液氮直至淹没气瓶，然后进行液氮低温环境下的试验，试验现场如图4所示，试验系统组成如图5所示。试验过程中声发射模拟源选取、检测参数设定、实验操作等均参照标准GJB 6187-2008 《声发射检测》执行。

图4 试验现场

图5 试验系统组成

对光纤环声发射传感器在液氮中的噪声进行测试，将气瓶装满液氮并浸泡在液氮槽中，持续观察系统的平均信号电平值(ASL)。试验中发现，当光纤环声发射传感器刚放入液氮中时，ASL为50 dB60 dB，随着浸泡时间的延长该值不断降低。分析认为，初始ASL很高主要是由液氮的沸腾造成的，但也有温度变化带来的影响。这是因为温度的变化同样会引起光纤环传感器内部光相位的改变，从而产生干扰噪声。因此为避免温度变化对声发射信号的干扰，应当让光纤环充分浸泡降温并尽可能恒温。浸泡约30 min后，经过充分预冷降温后的系统ASL基本稳定在18 dB20 dB。按照标准GJB 6187-2008的规定，声发射检测系统的最低检测门槛应不小于ASL+15 dB，因此在液氮环境中，该试验系统的理论最低门槛可以设置为35 dB。图6为当ASL稳定后进行液氮补加过程的ASL变化情况，可以看出，补加液氮造成的系统ASL上升最高可达30 dB35 dB。因此，考虑到试验过程中需要断续补充加注液氮，为避免加注噪声和风噪等流体噪声的综合影响，声发射检测门槛实际设置为45 dB。

图6 补充加注液氮过程中ASL变化情况

笔者对光纤环声发射检测装置定位效果进行测试，并对4个传感器附近模拟声源进行定位，定位参数修正前校准定位结果如图7(a)所示，因为液体环境对声发射波衰减和传播路径的影响与空气环境中完全不同，采用空气环境下的定位检测参数的结果存在较大偏差，故笔者发明了一种定位检测参数的综合修正方法，经过修正后的校准定位结果如图7(b)所示。从定位结果可以看出，修正后的校准定位基本都在传感器附近，定位效果理想。

图7 校准定位结果

为了准确测量光纤环声发射检测装置定位精度，在13通道之间选择A,B,C,D 4个位置进行定位精度试验。其中A和B位置分别在1号传感器和3号传感器连线内侧距离传感器边缘约10 mm处，C和D位置大约在13通道间距的三等分位置。模拟信号定位结果如图8所示。

图8 模拟信号定位结果

从试验结果可以看出，A处断铅位置的信号定位横坐标为28.32 mm，B处的信号定位横坐标为272.26 mm，C处的信号定位横坐标为102.09 mm，D处的信号定位横坐标为186.17 mm，此次设置的传感器间距为250.00 mm，因此各模拟信号点的定位偏差如表1所示，可以看出，在液氮环境下，光纤环声发射检测装置对模拟声发射信号定位精度可达到最大传感器间距的8.0%。

表1 模拟信号定位偏差

光纤环声发射检测系统的各通道灵敏度如表2所示。

表2 光纤环声发射检测系统的各通道灵敏度 dB

从测试结果可以看出，4个通道的检测灵敏度最低为90 dB,最高为92 dB，偏差在±3 dB内，模拟信号在定位图像中均有定位且一致性较好，证明在液氮环境中，光纤环声发射传感器能够直接耦合气瓶采集声发射信号，声发射信号幅值可达到90 dB，并且可对声发射信号进行准确定位。

4 结语

提出了一种新型的光纤环声发射传感技术，可用于低温环境下的声发射检测。根据理论推导，建立了光纤环声发射传感器的理论模型，对光纤环声发射传感器中声发射波的声压变化与光相位变化关系以及调制后的输出光强进行了计算，基于光纤马赫-曾德干涉原理搭建了四通道的光纤环声发射检测装置，并对液氮低温下的钛合金气瓶进行声发射检测试验，分析了光纤环声发射检测装置的通道灵敏度及定位精度。

试验结果表明，光纤环传感器可在液氮下直接耦合钛合金气瓶进行声发射信号采集，采集灵敏度不低于90 dB，通过修正液氮环境中的定位参数，定位精度能达到最大传感器间距的8%。基于该技术搭建的光纤环声发射检测装置，可解决目前低温检测试验中无法进行声发射平面定位的问题，为钛合金气瓶液氮低温声发射检测提供了新的解决思路，也为未来光纤低温声发射检测技术在工程上的应用奠定了基础。