基于光纤布拉格光栅的超声无损检测系统研究

王媛媛，马宏伟，张广明，董 明

（1.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室，陕西 西安 710054）

0 引 言

薄板材料在工业领域中的应用非常广泛，然而，由于薄板材料内部往往存在缺陷会降低材料的强度和刚度，直接影响产品质量、性能和使用寿命。因此，薄板材料的缺陷检测在生产过程中是必不可少的重要环节。

超声检测具有穿透力强、检测速度快、能够对缺陷精确定位、灵敏度高、检测范围广等优点，被广泛应用于材料的无损检测。光纤光栅作为近年来发展最为迅速的光学器件之一，因其体积小、抗电磁干扰、具有分布式检测、灵敏度高等优点，能够代替传统压电传感器在一些复杂恶劣环境中检测超声信号。

常用的光栅解调方法有光谱仪检测法、干涉法、滤波法等，但这些方法存在体积大、结构复杂、价格昂贵等缺点，难以应用于实际工业检测中。常用的匹配光栅法采用反射式法解调光纤信号，系统的耦合器数量多，存在解调系统信噪比低的问题。

为解决上述问题，本文研发一种超声光纤光栅无损检测系统，通过光纤光栅传感器代替压电传感器探测超声信号，采用一种结构简单、分辨率高、复用性好、检测效率高的透射式匹配光栅解调法解调光纤信号，搭建超声光纤光栅解调系统，并通过实验检测铝板中不同尺寸的狭缝缺陷，验证了该系统的可靠性。

1 基于光纤布拉格光栅的无损检测系统基本原理

1.1 光纤布拉格光栅传感原理

光纤布拉格光栅是利用外界入射光子与纤芯内锗离子相互作用在纤芯内部形成的空间相位光栅。当宽频带光通过光纤布拉格光栅时，光栅会反射特定波长的光，其他波长的光则会被光栅透射，被反射的光波长称为光纤布拉格光栅的中心波长，光纤布拉格光栅传感原理如图1 所示。

图1 FBG 传感原理图

由耦合模理论，光纤光栅的反射率和透射率可表示为：

式中：为耦合系数；为光栅长度；Δ=-π/，=2π，为光栅周期，为光栅有效折射率，为工作波长，为正整数。

当波长匹配时，Δ=0，反射率最大，对于一阶场（=1），有：

式中：λ为光纤布拉格光栅的中心波长，可表示为：

布拉格光栅的中心波长的大小取决于光栅周期和材料的有效折射率，这两个参数对光栅内部的应变十分敏感，任何微小的应变都会改变光栅周期和有效折射率的值，进而使布拉格光栅中心波长发生改变。

1.2 超声激励下的光纤布拉格光栅传感特性

任何复杂超声场都可看成是多个不同波长的正弦波的叠加，因此设超声波为瞬态正弦波，布拉格光栅沿声轴向方向布置，则布拉格光栅受到的应变()与时间之间的关系为：

式中：ε为应变幅值；λ为超声波波长；ω为超声波角频率。

光纤布拉格光栅的光栅周期和有效折射率在超声应力波的作用下都会发生改变，进而使传感光栅的中心波长发生改变。

单模光纤上的光纤布拉格光栅的有效折射率可以表示为：

式中：为光纤的本征折射率；Δ为最大调制系数；为光栅周期；为光栅长度。

在超声作用下，光纤光栅的折射率发生变化，可表示为：

式中为弹光系数。当光栅长度远小于超声波波长时，光栅各部分受到的超声应变是相同的，则光栅折射率变化相同，可将式（8）简化为：

光纤布拉格光栅在超声波作用下的中心波长可表示为：

2 超声光纤光栅无损检测系统设计

2.1 系统整体设计

本文提出的超声光纤光栅无损检测系统构成如图2 所示，系统主要包括超声激发单元、光纤解调单元和数据存储与处理单元。超声激发单元包括信号发生器、功率放大器和压电晶片。信号发生器产生的脉冲信号经功率放大器放大后激励压电晶片产生脉冲超声波。光纤解调单元主要包括ASE 带宽光源、光环形器、参考光栅、传感光栅、带放大光电探测器和高速数据采集卡，实现对超声信号的检测。数据存储与处理单元主要完成数据的显示、存储与分析处理。

图2 超声光纤光栅无损检测系统框图

2.2 光纤光栅解调方法设计

本系统采用结构简单、复用性好、分辨率高的透射式匹配光栅法解调光栅信号，匹配光栅法采用两个传感特性相同的布拉格光栅，一个作为参考光栅，一个作为传感光栅，匹配后得出传感光栅中心波长的偏移量实现超声波的探测。解调系统如图3 所示。

图3 基于透射式匹配光栅的光纤光栅解调系统结构图

带宽光源作为系统光源，参考光栅的反射光通过光环形器进入传感光栅，传感光栅反射在反射谱之内的光，而透过其他波段的光。当传感光栅探测到超声信号时，其中心波长发生偏移，反射谱发生变化，而参考光栅的中心波长保持不变，通过光电探测器将传感光栅透射光强度的变化转变为电信号，采用数据采集卡对信号进行采集，再通过上位机软件对采集到的信号进行分析处理。

如图4 所示，在超声波的作用下，传感光栅的中心波长发生变化。因此峰值会沿着参考光栅光谱移动，导致光强变化较大而波长变化较小，实现对超声信号检测。

图4 基于匹配光栅的光纤光栅解调原理

3 系统实验与分析

3.1 实验验证

为验证所提超声光纤光栅无损检测系统能有效探测薄板中的缺陷，搭建了如图5 所示的实验系统。

图5 超声光纤光栅无损检测实验系统

信号发生器（Tektronix AFG 2021⁃SC）发送超声激励信号并通过功率放大器（NF HSA4101）产生高压脉冲信号激励压电晶片产生超声波。本系统选用波长为1 527~1 566 nm 的宽频带光源，光源输出功率为14.33 dBm。超声光纤光栅无损检测系统的性能高度依赖于布拉格光栅的选择。对于给定频率的超声波信号，为使光栅能够有效感知超声信号，理论上超声波长与光栅长度的比值越大越好，但实际中，栅区长度过小，加工难度会大大增加。因此，本系统使用栅区长度为3 mm的布拉格光栅，既能有效探测超声信号，加工也易于实现，本系统所用光栅具体参数如表1 所示。光电探测器选用Thorlabs FPD610，满足使用要求。

表1 布拉格光栅具体参数

实验使用长×宽×厚为500 mm×400 mm×2 mm 的铝板，并在铝板中心线处分别加工长×宽为100 mm×2 mm、100 mm×3 mm、100 mm×4 mm 的狭缝型缺陷，测量其超声波信号。选用中心频率=100 kHz 的压电晶片，通过耦合剂固定于试样表面，传感光栅采用表面粘贴法固定于声轴线方向上，压电晶片与传感光栅对称于铝板中心轴线布置，两者相距200 mm，如图6 所示。

图6 缺陷检测实验中铝板布置图

3.2 实验结果分析

如图7 所示，将FBG 测得的铝板中无缺陷时的超声信号作为参考信号（图7中黑色曲线），分别与缺陷尺寸为100 mm×2 mm（图7a））、100 mm×3 mm（图7b））和100 mm×4 mm（图7c））时探测到的超声波时域信号进行比较。从图中可以看出，当铝板中有狭缝缺陷存在时，FBG 探测到的超声信号的幅值会发生衰减，且缺陷尺寸越大，超声信号的幅值衰减越明显。因此，可以根据FBG 探测到的超声时域信号中幅值的大小判断铝板中是否存在缺陷，进一步根据幅值衰减的程度初步判断铝板中缺陷尺寸的大小。

图7 不同尺寸的狭缝缺陷下，FBG 探测的超声波时域信号

如图8所示，当铝板中存在缺陷时，超声波能量损耗较大，铝板中探测到的超声波频域图中频率成分比较分散，频谱强度有明显下降，且缺陷尺寸越大，该现象越明显。

图8 不同尺寸的狭缝缺陷下FBG 探测的超声波频域信号

4 结 语

本文研究分析了超声激励下的光纤光栅无损检测系统基本原理和超声激励下的光纤布拉格光栅传感特性，研发了一种超声光纤光栅无损检测系统。通过对铝薄板中不同尺寸狭缝缺陷试样的检测实验，验证了所提系统的性能和可靠性。

注：本文通讯作者为王媛媛。