熔锥耦合型光纤声发射传感器系统及其应用

    光纤传感技术具有抗电磁干扰、耐高压和信号衰减小等优点，便于长距离传输，非常有利于恶劣环境下的远程在线监测。光纤传感根据对传输光不同物理参数的调制原理可以分为:相位型[1-3]、波长型[3-4]和强度型[4-5]等，其中强度型具有结构简单、体积小、信号处理方便等优势。

    材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的`现象称为声发射(简称AE)，有时也称为应力波发射[6]。当材料和结构产生永久性形变或破坏时会产生声发射现象，因此声发射检测常用于结构的损伤检测和识别定位。目前的声发射传感器以压力陶瓷类为主.灵敏度高，但同时体积大、易受电磁干扰、衰减大、传输跟离短、不利于实时在线监测等缺点。光纤声发射传感则可以弥补这些问题，而且由于光纤传感器体积非常小、物理性质稳定.在监测材料结构的健康状况时甚至可以将光纤传感器直接置于材料内部，和材料融为一体形成智能材料和结构，实时反映材料结构的状况。笔者研究了一种基于强度调制原理的熔锥藕合型光纤声发射传感器和系统，测量了传感性能，并将其用于变压器局部放电的声发射信号检测，取得了很好的效果。

1原理

基于熔锥藕合技术的光纤传感器属于强度调制型的一种。熔锥藕合技术「7是指将两根除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在熔融区形成双锥形式的特殊波导祸合结构(图1)。在熔锥区，两根光纤包层合在一起，纤芯足够逼近，形成弱祸合，可以利用模式祸合理论进行分析。此时，两根光纤中传输的光会在锥形祸合区域发生能量祸合交换，随着藕合区的加长，能量的藕合交换呈周期性变化。两臂的分光比主要受祸合长度的影响，因此可以通过对分光比的监测实现对应变的传感。

    人射声波引起的动态应变场在弹光效应和机械作用下使稠合区折射率和有效祸合长度发生改变，引起藕合系数C(z)和有效祸合长度Z的变化，导致两臂输出光功率的变化。如图2所示为通过动态应变仪对传感器施加一定微应变时的响应。光功率的变化携带了声波的幅度和频率信息，且两臂变化趋势相反。根据光波导祸合模式理论，对于正弦声波，经过三角等式变换以及泰勒展开，设两路的分光比为50:50，得到两路光功率的差分信号正比于所受应变叹:

式中Po为传感器人射端口的光功率;Λ和f分别对应声波的波长和频率εo为有效应变幅度。

因此通过差分方式输出可放大信号，再通过除法可以消除光源功率波动的影响。图3显示了传感及解调系统示意图。整个系统选用了1 310 nm波段半导体DFB窄带激光器作为光源，由于其光谱线宽极窄，在检测应变导致的光纤祸合比的变化时分辨率非常高。设计传感器为90个藕合周期，是拉锥机有效行程内可以达到的最大藕合周期数，因此可显著增加检测灵敏度。光纤藕合器拉制好后，首先用石英V形槽进行初次封装，采用环氧树脂胶对祸合光纤两端进行固定粘接，进行高温老化后，再用不锈钢外壳进行二次封装，以保护和便于使用安装。