声发射测量系统的研制

    1 引言

    由于大型发电机、水轮机、汽轮机、舰船的发动机以及金属切削过程中,因应力集中或刀具磨损会产生一种幅度小至10-10m量级、频率高至兆赫级的应力波,又称为声发射波(AcousticEmission Wave,简称AE波)。根据测得AE波的大小、形状及传播方向等,就可以判断机器缺陷(例如裂缝或破碎)的大小和位置以及刀具的磨损程度。

    声发射技术作为一种新兴的无损检测技术也常用于转机的故障诊断中。目前的声射传感器大多采用压电陶瓷(PZT)来实现,利用PZT的压电效应把机械量(例如速度、位移等)转变为电量来进行检测。这类传感器的主要缺点是频带窄(约500kHz)、带内起伏大(高达30多分贝)、易受电磁干扰以及接触式测量等。七十年代末出现的光纤传感器由于具有体积小、重量轻、响应快、分辨率高、抗干扰能力强以及可进行非接触测量等一系列优点,是测量声发射波的理想手段之一,已广泛应用于各种物理参数的检测与测量中[1~3]。

    经理论分析和实验研究,我们应用全光纤Fabry-Perot(简称F-P)干涉仪原理研制出一种干涉式声发射测量系统,其分辨率为1.8@10-10m,频率范围为100kHz~1.4MHz,在此范围内的波动仅为3dB。由于信号光束和参考光束在同一根光纤中传输,故可消除温度变化及电磁干扰等环境影响,具有很高的测量稳定性。

    2 设计原理与分析

    光纤F-P干涉仪的传感头如图1所示,它是一个由传感器的光纤端面与被测表面所组成的光学谐振腔。谐振腔的介质为空气,所以折射率近似为1,当入射光由纤芯传输到光纤端面时,一部分光被光纤端面反射回来,形成参考光束;另一部分光透过空气到达被测表面,经反射后,其中的一小部分又回到光纤芯中,形成信号光束。用被测的量对信号光进行相位调制,从而改变两光束间的相位差U,使合成光的光强I随被测量的变化而变化,经光电变换及信号处理后就可得到有关被测表面声发射波的信息。

    根据干涉理论,对于多光束干涉条纹的可见度V:

    式中:R为腔镜的光反射率。

    为获得高可见度的干涉条纹,选用了与光纤端面反射率(RU4%)近似相等的反射薄膜粘贴在被测表面上,由式(1)可知,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+ VcosU) (2)

    式中:I0为入射光强,U为信号光束与参考光束的相位差。且:

    式中:K为光束的波长,k=4P/K,l为谐振腔的长度。

    实际的光学谐振腔的长度由两部分组成: