光纤声发射源定位实验平台的研究与实现

     声发射(AE)是材料结构受外力或内力作用产生变形或断裂时,以某种弹性波形式释放出应变能的现象.声发射信号可以借助高灵敏度的声发射检测仪检测、分析,从而推断声发射源(如裂纹)的位置和活动度.近年来,声发射技术已被广泛应用于设备无损检测、在线监控等场合.声发射源定位技术是声发射技术研究的核心问题之一,由于此检测技术的无损性和动态性,目前已经成为检测材料缺陷或结构完整性的重要手段[1].

    在已开发的诸多声发射检测仪中,较为先进的多通道声发射检测系统一般装备了微型计算机,具有检测、定位、分析等功能[2-4],但价格极其昂贵.传统的声发射检测仪多采用压电陶瓷作为敏感元件,其检测灵敏度受到压电传感器谐振频率的限制.光纤传感器具有检测频率范围宽、不受电磁干扰等优点,又由于光纤自身的特质(柔软性好、几何尺寸小、耐腐蚀等),亦可埋入固体材料结构内部,实现对结构健康的长时间监控[5-6].因此本文拟采用光纤Sagnac干涉仪作为声信号的敏感元件,构成传感方阵,基于AVR系列单片机开发数据采集系统,利用VB语言设计声发射信号处理软件,构建一成本低廉、检测灵敏度高、适用范围广泛的声发射源定位平台.

    1 基本原理

    1. 1 光纤传感器检测声发射信号原理

    单模光纤Sagnac干涉仪用于超声波检测的原理结构由图1给出.l1和l2是干涉仪的2个臂,起传输光信号的作用.l是一段被缠绕成圆环状的光纤,用来接收或感应超声波, 2@2光纤3 dB耦合器被用来分解和合成干涉光束.从耦合器的一端注入的激光经过耦合器后被分成两束,一束光经l1ylyl2传输到输出端,另一束经l2ylyl1传输到输出端.当超声波作用于圆环状光纤l时,在l中传输的两束光的位相被调制.超声波对干涉仪的2个臂l1和l2的作用可以忽略不计[7-8].

    到达光探测器的两束光的光波场EL和ER分别可表示为

    式中:A是与注入光的振幅和耦合器的插入损耗成正比的常数;X是光波的频率;Us是超声波导致的传感区域两束光位相的变化;SL和SR分别是这两束光通过传导光纤l1和l2从光纤敏感区域l传播到光探测器所经历的时间;U1和U2分别是两束光在光纤敏感区域l的初位相,它们与传导光纤l1和l2的长度有关.由式(1)和(2),输出到光探测器的光强度为

    给PZT加载一个正弦波电压,并认为PZT的振动为超声波且在钢板中线性传播.作用在光纤l上的超声波(或振动)对l中传输的光波位相的调制可以被表示为

    式中:Xu是超声波的频率;Us0是位相变化的幅值,与超声波的强度成正比.$Us可表示为

    在实际检测中,通常只关心信号的交流部分,式(3)可以被改写为