一種新型低溫光纖環聲發射傳感技術

陳 博，劉哲軍,金 珂,盧 鵡,徐 林,魏 鵬

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076;2.北京航空航天大學 光學工程學院，北京 100076)

隨著計算機技術的飛速發展，基于數字化的聲發射檢測技術也越來越成熟，并廣泛應用于航空、航天、船舶、機械、化工等工業領域。聲發射傳感器是實現聲發射信號采集的關鍵部件,聲發射傳感器種類繁多，工程化應用中常見的是壓電式聲發射傳感器。

壓電式傳感器的工作原理為，內部壓電晶體元件(壓電陶瓷)在應力波作用下產生變形時，會在其相對變形的兩個對稱表面產生電性相反數量一致的正負電荷，從而將聲發射機械波引起的表面振動轉換成電壓振蕩聲發射信號并輸出[1]。受居里效應影響，普通壓電陶瓷傳感器的工作溫度區間一般為-65177 ℃。一些經過特殊處理的壓電陶瓷傳感器的工作溫度雖然可以到-200540 ℃[2],但隨著溫度降低或升高，壓電陶瓷傳感器的靈敏度、可重復使用頻次均會大大降低。以低溫環境為例，據測算，在液氮環境中(-198 ℃)，壓電晶片的電荷輸出與位移之比比在室溫中要降低10%以上[3]。因此提升傳感器適用范圍,發展更加普適的聲發射傳感器成為開展惡劣環境下聲發射檢測的主要研究方向。

近年來，隨著光纖光學技術的發展，以光纖光柵研究為主的光纖聲發射傳感檢測技術在設備研制和應用等方面均取得了較大進展,部分技術在傳統的溫度、應力等傳感領域已經實現商業化[4]，而將光纖傳感器技術應用于惡劣環境下的聲發射檢測研究還較少。光纖的材料主要為二氧化硅，其具有抗腐蝕、抗低溫的特點，非常適合惡劣環境下的聲發射檢測[5-6]，故光纖聲發射檢測技術的出現為惡劣環境下的聲發射檢測提供了可能[7]。

筆者通過理論分析初步構建了光纖環聲發射傳感器的理論模型，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道光纖環聲發射傳感器樣機，開展了低溫鈦合金氣瓶液氮環境下的平面定位和聲發射檢測靈敏度的初步測試。試驗結果表明，研制的光纖環聲發射傳感器能夠在低溫環境下直接耦合氣瓶進行聲發射信號采集與定位，信號采集靈敏度不低于90 dB，四通道平面定位偏差最大不超過最大傳感器間距的8%。該試驗為后續光纖環聲發射檢測技術的工程化應用奠定了一定基礎。

1 光纖環聲發射傳感器原理

光纖環聲發射傳感器的基本原理是：當纏繞成環狀的光纖接收到聲發射波時會發生拉伸或壓縮，從而改變光程，而繞成環狀的光纖會在一定程度上起到放大光程改變的作用；再利用單模激光相干干涉的辦法，得到光波相位的變化，通過該變化建立引起光纖變形的聲壓與輸出信號的相關關系，實現聲發射信號的光學測量與采集。

聲發射檢測用光纖結構如圖1所示，對圖1所示光纖，設其長度為L，有效折射率為neff，作用在這段光纖上的由聲發射波引起的聲壓記為P。設光經過這段光纖時，其光程δ=neffL，對應的相位φ如式(1)所示。

圖1 聲發射檢測用光纖結構示意

(1)

式中：β為傳播常數；λ為光纖中的激光波長；k為波數。

對式(1)做全微分，得到的相位的變化量Δφ如式(2)所示。

(2)

式中：Δφ1為光纖長度變化引起的光纖中的相位變化;Δφ2為光纖有效折射率變化引起的光纖中的相位變化,直徑的變化對光相位的影響相比于其他兩個量的影響小得多，可忽略不計。

設作用在光纖上的聲壓變化為ΔP時，根據彈性力學中的廣義胡克定律，Δφ1可用式(3)表示。Δφ2可用式(4)表示。

(3)

式中：σ為光纖材料的泊松比；Ε為楊氏模量。

(4)

式中：P11和P12為應變-光學張量的分量。

總的相位的變化可表示為

KΔP

(5)

式中：K為聲壓-相位靈敏度系數。

可以看出，當光纖長度恒定時，K為常數，因此，光纖中相位的變化量Δφ和其所感受的聲壓變化量ΔP成正比。綜上可知，光纖感受聲發射信號時會改變光纖中傳播的光的相位，相位的變化量和聲發射波的聲壓變化量成正比，光纖中的相位信息即反應了光纖感受到的聲發射信息，通過對相位信號進行解調即可得到相應的聲發射信號。

2 光纖環聲發射檢測裝置

在建立了光纖環相位漂移與聲發射調制信號的數學關系后，理論上只要解調出光纖的相位變化就能得到聲發射信號，但由于光的頻率太高，直接檢測光的相位變化非常困難，只能進行間接的測量，而干涉測量法是一種間接測量光相位變化的手段，可以用來檢測微小的光相位變化且具有極高的靈敏度。

筆者研究的光纖環聲發射檢測裝置是利用光纖馬赫-曾德干涉原理進行檢測的，單通道光纖馬赫-曾德干涉系統結構組成如圖2所示。

圖2 單通道光纖馬赫-曾德干涉系統結構組成

由于傳感光和參考光來源于同一光源的分光，所以傳感臂中的光和參考臂中的光傳播常數相同，設參考臂中的光為E1(t),傳感臂中的光為E2(t)，則有

E1(t)=A1exp{i[ωt+φ1(t)]}

(6)

E2(t)=A2exp{i[ωt+φ2(t)]}

(7)

它們發生干涉后輸出信號為

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

(8)

式中：A1和A2分別為參考臂和傳感臂中的光振幅矢量;φ1(t)和φ2(t)分別為兩束光的相位;t為時間。ω為頻率;i為歐拉公式中的虛數。

兩束光接入耦合器2中發生干涉，輸出干涉光為兩路光矢量的疊加，輸出光強可以表示為E(t)與其自身的共軛積的時間平均，即

(9)

設聲發射信號為單一頻率信號P(t)，則有

P(t)=Ccos(ωst+φs)

(10)

式中:ωs為聲發射信號頻率;C為信號幅值;φs為聲發射信號初相位。

設m=KC，則有

φ(t)=KP(t)=mcos(ωst+φs)

(11)

(12)

利用貝塞爾函數將式(12)展開，表達形式為

(13)

可以看出，式(13)中包含直流信號，聲發射信號及其倍頻信號，干涉信號接入差分式光電探測器，進行光電轉換，即可得到對應的電壓信號V

(14)

式中：Q為光電探測器的光電轉換系數，光電轉換之后,再使用傳統的電信號濾波、放大、信號處理與分析系統即可完成聲發射波的檢測。

搭建的四通道光纖環聲發射傳感器及固定工裝如圖3所示，圖中1，2，3分別為檢測主機，光纖環傳感器和光纖環聲發射傳感器固定工裝。其中光纖環聲發射傳感器主要組成部件包括光纖環傳感器、窄帶光源、光纖耦合器、光電探測器等。

圖3 四通道光纖環聲發射檢測裝置及固定工裝

3 低溫聲發射檢測試驗

試驗對象為容積為20 L的球型鈦合金氣瓶，后端數據處理檢測儀器為美國PAC公司PCI-2型通道檢測系統,傳感器為光纖環聲發射傳感器，前放增益為40 dB，試驗時，先把光纖環聲發射傳感器固定在氣瓶表面，然后把固定好的氣瓶放置在金屬容器中，再向氣瓶里灌入液氮直至淹沒氣瓶，然后進行液氮低溫環境下的試驗，試驗現場如圖4所示，試驗系統組成如圖5所示。試驗過程中聲發射模擬源選取、檢測參數設定、實驗操作等均參照標準GJB 6187-2008 《聲發射檢測》執行。

圖4 試驗現場

圖5 試驗系統組成

對光纖環聲發射傳感器在液氮中的噪聲進行測試，將氣瓶裝滿液氮并浸泡在液氮槽中，持續觀察系統的平均信號電平值(ASL)。試驗中發現，當光纖環聲發射傳感器剛放入液氮中時，ASL為50 dB60 dB，隨著浸泡時間的延長該值不斷降低。分析認為，初始ASL很高主要是由液氮的沸騰造成的，但也有溫度變化帶來的影響。這是因為溫度的變化同樣會引起光纖環傳感器內部光相位的改變，從而產生干擾噪聲。因此為避免溫度變化對聲發射信號的干擾，應當讓光纖環充分浸泡降溫并盡可能恒溫。浸泡約30 min后，經過充分預冷降溫后的系統ASL基本穩定在18 dB20 dB。按照標準GJB 6187-2008的規定，聲發射檢測系統的最低檢測門檻應不小于ASL+15 dB，因此在液氮環境中，該試驗系統的理論最低門檻可以設置為35 dB。圖6為當ASL穩定后進行液氮補加過程的ASL變化情況，可以看出，補加液氮造成的系統ASL上升最高可達30 dB35 dB。因此，考慮到試驗過程中需要斷續補充加注液氮，為避免加注噪聲和風噪等流體噪聲的綜合影響，聲發射檢測門檻實際設置為45 dB。

圖6 補充加注液氮過程中ASL變化情況

筆者對光纖環聲發射檢測裝置定位效果進行測試，并對4個傳感器附近模擬聲源進行定位，定位參數修正前校準定位結果如圖7(a)所示，因為液體環境對聲發射波衰減和傳播路徑的影響與空氣環境中完全不同，采用空氣環境下的定位檢測參數的結果存在較大偏差，故筆者發明了一種定位檢測參數的綜合修正方法，經過修正后的校準定位結果如圖7(b)所示。從定位結果可以看出，修正后的校準定位基本都在傳感器附近，定位效果理想。

圖7 校準定位結果

為了準確測量光纖環聲發射檢測裝置定位精度，在13通道之間選擇A,B,C,D 4個位置進行定位精度試驗。其中A和B位置分別在1號傳感器和3號傳感器連線內側距離傳感器邊緣約10 mm處，C和D位置大約在13通道間距的三等分位置。模擬信號定位結果如圖8所示。

圖8 模擬信號定位結果

從試驗結果可以看出，A處斷鉛位置的信號定位橫坐標為28.32 mm，B處的信號定位橫坐標為272.26 mm，C處的信號定位橫坐標為102.09 mm，D處的信號定位橫坐標為186.17 mm，此次設置的傳感器間距為250.00 mm，因此各模擬信號點的定位偏差如表1所示，可以看出，在液氮環境下，光纖環聲發射檢測裝置對模擬聲發射信號定位精度可達到最大傳感器間距的8.0%。

表1 模擬信號定位偏差

光纖環聲發射檢測系統的各通道靈敏度如表2所示。

表2 光纖環聲發射檢測系統的各通道靈敏度 dB

從測試結果可以看出，4個通道的檢測靈敏度最低為90 dB,最高為92 dB，偏差在±3 dB內，模擬信號在定位圖像中均有定位且一致性較好，證明在液氮環境中，光纖環聲發射傳感器能夠直接耦合氣瓶采集聲發射信號，聲發射信號幅值可達到90 dB，并且可對聲發射信號進行準確定位。

4 結語

提出了一種新型的光纖環聲發射傳感技術，可用于低溫環境下的聲發射檢測。根據理論推導，建立了光纖環聲發射傳感器的理論模型，對光纖環聲發射傳感器中聲發射波的聲壓變化與光相位變化關系以及調制后的輸出光強進行了計算，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道的光纖環聲發射檢測裝置，并對液氮低溫下的鈦合金氣瓶進行聲發射檢測試驗，分析了光纖環聲發射檢測裝置的通道靈敏度及定位精度。

試驗結果表明，光纖環傳感器可在液氮下直接耦合鈦合金氣瓶進行聲發射信號采集，采集靈敏度不低于90 dB，通過修正液氮環境中的定位參數，定位精度能達到最大傳感器間距的8%。基于該技術搭建的光纖環聲發射檢測裝置，可解決目前低溫檢測試驗中無法進行聲發射平面定位的問題，為鈦合金氣瓶液氮低溫聲發射檢測提供了新的解決思路，也為未來光纖低溫聲發射檢測技術在工程上的應用奠定了基礎。