光纤声发射测量装置的设计

　　1　前言

　　研制和开发声发射测试系统一直是机器制造、交通运输、航空航天等工业界所关注的焦点问题之一。在金属切削加工过程中,由于轴承、叶片或刀具磨损会产生一种振幅小至埃级(10-10m)、频率高至兆赫级的应力波(StressWaves),又称声发射波(Acoustic EmissionWaves),简称AE波。

　　实验证明,材料在磨损前与磨损后所接受到的声发射波是不同的,因此根据测出AE波的大小、形状、及传播方向等,可以判断出机器的缺陷大小和位置,以便及时地维修或替换,避免重大事故的发生。

　　2　设计原理与分析

　　根据双光束干涉原理,可研制许多形式的干涉仪,其基本方法是将来自同一光源的光线分成两束,一束作为参考光,另一束作为测量光。用被测对象对测量光的相位进行调制,从而改变两光束间的相位差,使合成光的光强随被测量的变化而变化。

　　在比较了多种干涉仪的优、缺点之后,我们采用了Fabry-Perot干涉仪(简称F—P干涉仪),其传感头示意图如图2—1所示。

　　该传感头是由传感光纤的端面与被测表面组成的光学谐振腔。显然此谐振腔中的介质为空气,它的折射率近似为1,当入射光由纤芯传输到光纤端面时,部分光被光纤端面反射回来,形成参考光束;另一部分透过空气到达被测表面,经其反射后其中的一小部分又回到光纤芯中,形成信号光束。参考光束和信号光束干涉,经光电变换及处理后就可从中提取声发射波。对于干涉条纹的可见度V有

　　式中　R为腔镜的光功率反射率。

　　为得到高可见度的干涉条纹,选用了与光纤端面反射率R近似相等的反射薄膜粘贴在被测表面上,由式(2—1)可见,当R很小时,可见度V趋于1,此时多光束干涉可用双光束干涉近似,光强I的变化规律为

　　I=I₀(1+Vcosφ) (2—2)

　　式中　I0为入射光强,φ为信号光束与参考光束的相位差。

　　实际中谐振腔的长度l由两部分组成

　　l=l₀+l₁(2—3)

　　式中　l0为AE波为零时的静态腔长,l1为由AE波形成的动态腔长。

　　如图2—1所示,若与被测表面相接触的压电晶体PZT由正弦信号驱动,振幅为la,角频率为ωa,则

　　经推导得出

　　式中:为常量。

　　调整谐振腔的距离,使静态腔长l0满足φ0=(2n+1)π/2,(n=0,1,2,3……)

　　也就是信号光束与参考光束处于正交状态

　　比较式(2—6)与式(2—4),可知式(2—6)中的lasinωat就是被测的AE波。只要把输出的干涉光经光电变换、放大、滤波及量化处理后就可得到被测AE波的大小。