环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测

　　1　引　言

　　声发射(AE)是由于材料变形或者破坏时积蓄起来的应变能所释放的声波传播现象,又称为应力波发射[1]。随着激光与光纤传感技术的发展[2-4],利用光纤传感器检测固体声发射已经成为一种新型的无损检测手段。干涉型光纤传感器以其灵敏度高,动态范围大,抗电磁干扰能力强等优点而广泛应用于检测结构材料中声发射的实验研究中。实验发现现有的各种光纤干涉仪都存在一些问题,如光纤Michelson干涉仪对光纤端面反射率要求较高,干涉信号反衬度小;光纤M-Z干涉仪由于两个臂所处环境差异,造成干涉信号相位漂移严重;光纤Sagnac干涉仪的共光路结构导致其初位相无法调节;而传统的光纤F-P干涉仪,无论是本征结构还是非本征结构,对于腔体反射面要求较高,制作难度大,严重限制了其应用的范围[5-7]。

　　本文基于多光束干涉仪原理,在传统的光纤F-P干涉仪的基础上,将2×2光纤耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替反射腔面,构成一种新型结构的光纤F-P干涉仪,用于检测结构材料中由声发射导致的表面振动。采用激光作为光源,使传感器无需光程匹配,即可实现多光束干涉。理论分析和实验验证表明,此结构的干涉仪可用于探测固体结构中伴随着微裂纹发生或其它压力等原因所产生的声发射信号,可用于大尺寸构件的监测。由于共光路结构,解决了因环境造成的相位漂移等问题,并可埋入大型建筑进行结构健康监测。

　　2　基本原理

　　将2×2光纤耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,用耦合器代替反射端面,形成环形传输腔,具体结构如图1所示。设耦合器直通臂分光比为α,耦合臂分光比为1-α,入射光强为I0,当光从入射端口入射后,经过耦合器被分成两束。一束光经直通臂直接出射,光强为αI0形成第一条出射光;另一束光强为(1-α)I0经耦合臂进入环形传输腔,再次进入光纤耦合器,被分成了两束光,其中一束光强为(1-α)I0的光从出射光纤射出形成第二束出射光束;另外的一束光强为α(1-α)I0的光经过环形传输腔再次进入耦合器中,又有的光从出射光纤射出形成第三条出射光;如此循环,直到环形腔内的光衰减为零,各出射光之间满足多光束干涉原理,在出射光纤端产生多光束干涉现象。

　　设光源输出光的振幅为E0,则,不考虑损耗时,第一束出射光的振幅为;第二束出射光的振幅为(1-α)E0;第三束出射光的振幅为;以此类推可以得到各出射光束的振幅。为了计算出射光的强度,必须分析各光束间的光程差d和位相差δ。在未接收声发射信号时,出射光中任何相邻的两束光线之间的光程差是相等的,可表示为:

　　d=nl , (1)