光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

　　0　引言

　　声发射是材料内部变形或破坏时积蓄起来的应变能所释放时发出的声波传播现象,是材料中局部压力重新迅速再分配所产生的压力波.近20年来,光纤声发射探测技术在结构完整性监控和无损评价的应用中,已经取得了许多研究成果[1-7].1980年,Claus和Cantrell描述了一种实验[1],利用一个环形光纤传感器埋入固体塑性树脂中,证实其能够探测超声脉冲;1982年,Cielo和Lapierre[2]描述了两种类型的光纤传感器用作类似于表面接触的压电式超声传感器;1986年,Bennett等人报道了[4],利用埋入式光纤传感器,探测石墨-环氧层板中产生的声发射的实验.在其他一些实验中,Meltz和Dunphy利用一种高双折射光纤埋入各种不同的材料中,实现了由CO2激光脉冲作用于这些材料表面所产生的超声的探测[5];Liu等人曾利用埋入Kevlar环氧层板中的光纤Michelson干涉仪,探测了试件在横向载荷作用下产生的超声[6];而Alcoz等人则是利用一种局部埋入式光纤Fabry-Perot干涉传感器,实现了超声的检测[7].

　　本文提出了一种基于Fizeau干涉仪原理构成的大尺度长光纤传感器,用来检测超声波.该传感器既可埋入固体内部又可贴附在固体的表面上来探测固体结构中伴随着微裂纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射.理论分析和实验结果表明,提出的光纤传感器能够精确地测量在固体中传播的超声波,并通过频谱分析获得超声波的频率.

　　1　工作原理

　　基于Fizeau干涉仪结构的全光纤声发射传感系统的工作原理如图1[8].两个反射光信号分别来自于敏感光纤段的两个反射端1和2.采用He-Ne激光器作为光源(波长为633 nm).由He-Ne激光器发出的激光,注入3dB单模光纤耦合器.光纤传感段被定义为光纤两个连接点1和2之间的部分,光经光纤传输经过连接点时部分反射,绝大部分透射,如图2.

　　根据Fresnel定律,光纤传感段的两端面经抛光后具有大约4%的反射,两束反射光信号组合产生干涉,并由同一个3dB单模光纤耦合器导入PD探测器.由于两路反射光信号经由同一段引导光纤,因此,环境变化的干扰不会影响两束光的相位变化,换言之,传感系统中的这段传导光纤对环境是不敏感的.输出信号的改变只是敏感段光纤导致的两束反射光的总的相位变化的函数.

　　对于图1的光纤传感系统,光在光纤传感器中两个端面透射和反射的传输过程见图2.假定由光源注入光纤的光强为I0,经由3dB单模光纤耦合器被分成两束,在3dB单模光纤耦合器的输出端,两臂的光强均可表示为αI0/2,这里α表示3dB耦合器的插入损耗参量(,δ是耦合器的插入损耗,单位是dB).假设光纤传感器的长度为l0,连接光纤的长度为l.在光纤传感器的第一个端面处,一部分光被反射,另一部分光透射.如果连接处光纤端面的反射率为Rf,则连接处透射光强和反射光强分别为I0α(1-Rf)/2和I0αRf/2.于是,从光纤传感器的第一和第二个反射端反射回来并到达探测器的光强可以表示成