劉 娟，丁克勤

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051;2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100013)

0 引言

近幾十年來，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種新的無損檢測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。聲發(fā)射(acoustic emission，AE)又稱應(yīng)力波發(fā)射，是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象［1］。在外部條件下，固體(材料或零件)的缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)而自動(dòng)發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦稱聲發(fā)射。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

傳統(tǒng)的AE傳感器多采用諧振式壓電傳感器，其主要缺點(diǎn)是:體積大，頻帶窄，必須與物體接觸，不能在高溫、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。相比之下，光纖AE傳感器具有體積小、頻帶寬、靈敏度高、損壞閾值高、不必與被測(cè)物體接觸、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖AE傳感器成為各國研究的熱點(diǎn)。國外對(duì)光纖AE傳感器研究較多，國內(nèi)起步較晚，各種的研究報(bào)道尚不多。

1 光纖AE傳感技術(shù)原理

光纖傳感器(fiber-optic sensor，F(xiàn)OS)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器，與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)的區(qū)別，F(xiàn)OS 用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。光纖AE傳感技術(shù)的基本原理是:將光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)待測(cè)AE波對(duì)光進(jìn)行調(diào)制使光的光學(xué)性質(zhì)(如，強(qiáng)度、相位、波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，從而使已調(diào)光攜帶AE波的信息，然后，將已調(diào)光送入解調(diào)裝置即可獲得待測(cè)參數(shù)。

2 光纖AE傳感器的研究

2.1 相位調(diào)制型光纖AE傳感器

光纖AE傳感器中應(yīng)用最多的是相位調(diào)制型光纖傳感器。其原理是:AE波對(duì)敏感單元作用，使敏感部位光纖的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光波的相位發(fā)生變化，通過檢測(cè)光相位變化來測(cè)量外界待測(cè)參量。由于目前的各類光探測(cè)器都不能直接感知光的相位變化，必須采用干涉技術(shù)使光的相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化才能實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量的測(cè)量，故相位調(diào)制型傳感器有時(shí)也稱干涉型傳感器。與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制由于采用干涉技術(shù)而具有較高的檢測(cè)靈敏度和較寬的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍，且探頭形式多樣，適用于不同的檢測(cè)環(huán)境，因而，目前的光纖AE檢測(cè)大多采用相位調(diào)制型光纖傳感器。已研制成功的相位調(diào)制型光纖AE傳感器主要有:麥克爾遜(Michelson)傳感器、馬赫—曾德(Mach-Zehnder，M-Z)傳感器、賽格奈克(Sagnac)傳感器、琺珀(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)傳感器。

基于Michelson干涉儀的光纖AE傳感器是研究較早的一種光纖傳感器，現(xiàn)在多用于光纖水聽器的研究。其優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)低頻信號(hào)有很好的靈敏度，原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易構(gòu)成陣列式分布。文獻(xiàn)［2］提出一種基于Michelson，干涉儀的陣列式光纖AE傳感器，其同時(shí)采用了密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)。但由于此類傳感器對(duì)環(huán)境干擾和溫度敏感等缺點(diǎn)而很少見其用于其他領(lǐng)域的報(bào)道。M-Z光纖AE傳感器也是早期研究較多，缺點(diǎn)同樣是對(duì)環(huán)境干擾與溫度敏感，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。在Michelson和M-Z光纖AE傳感器方面，哈爾濱工程大學(xué)的研究報(bào)道較多，已成功將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)［3］。

Sagnac AE傳感器在大型構(gòu)件完整性評(píng)估等方面有較大優(yōu)勢(shì)，且較適合于高頻信號(hào)的檢測(cè)，國內(nèi)外研究均較多。此類傳感器抗干擾能力強(qiáng)，易構(gòu)成分布式檢測(cè)，缺點(diǎn)是低頻靈敏度低，偏振衰減以及對(duì)溫度敏感［4］。國外將Sagnac效應(yīng)用于制作光纖陀螺儀的報(bào)道較多，國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)等院校研究了Sagnac光纖傳感器用于聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)［5］，此外也有利用以上幾種傳感器組成混合型傳感器的研究。

Michelson，M-Z，Sagnac干涉儀都是雙光束干涉，F(xiàn)-P干涉儀是多光束干涉?；诙喙馐缮娴膫鞲衅骺蛇_(dá)到更高的檢測(cè)靈敏度和精度。且F-P傳感器原理簡(jiǎn)單，對(duì)溫度不敏感，只采用1根光纖，避免了光纖配對(duì)等問題［6］，因此，國外對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，但國內(nèi)研究尚不多。早在上世紀(jì)90年代燕山大學(xué)曾對(duì)其進(jìn)行研究［7］，但后來已經(jīng)鮮見報(bào)道。近幾年，西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了F-P聲發(fā)射傳感器的研究并取得一定進(jìn)展，提出雙波長(zhǎng)穩(wěn)定方法［8］。北京航空航天大學(xué)對(duì)光纖F-P腔反射面的形變與傳感應(yīng)用進(jìn)行了一定研究，提出弧形F-P腔端面的設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型［9］，但目前沒有見其有用于AE檢測(cè)的報(bào)道。國外學(xué)者Seat H C提出了F-P腔使用雙折射膜的偽雙腔干涉理論［10］，也有人提出將光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)用作F-P干涉腔的反射鏡，這種反射鏡呈現(xiàn)出很高的反射率，且額外損耗很低，理論上可達(dá)到很好的效果［11］。

2.2 強(qiáng)度調(diào)制型光纖AE傳感器

當(dāng)AE波變化導(dǎo)致光纖中光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，可以通過測(cè)量光強(qiáng)的變化來檢測(cè)AE信號(hào)，這種方法稱為強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感中最早使用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低，在不要求AE源定位的低精度場(chǎng)合有一定的應(yīng)用。缺點(diǎn)是構(gòu)成點(diǎn)傳感器困難，光源波動(dòng)、連接器損耗和光探測(cè)器響應(yīng)度的變化都會(huì)引起光強(qiáng)波動(dòng)，靈敏度低，無法檢測(cè)微弱AE信號(hào)。而AE信號(hào)一般都很微弱，且在固體中衰減很快，故在實(shí)際的AE檢測(cè)中很少采用強(qiáng)度調(diào)制型，它主要用于測(cè)量位移、可聽聲范圍內(nèi)的聲波［12］等參數(shù)。

2.3 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖AE傳感器

目前用于光波長(zhǎng)調(diào)制的方法主要是光學(xué)選頻和濾波。傳統(tǒng)的光波長(zhǎng)調(diào)制方法主要有F-P干涉式濾光、基于雙折射特性濾光及各種位移式光譜選擇等外調(diào)制技術(shù)，近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。近幾年報(bào)道較多的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖AE傳感器主要是 FBG型 AE傳感器，其敏感元件為FBG［11］。其工作原理是:通過AE波調(diào)制光柵的Bragg波長(zhǎng)，然后，根據(jù)反射光波長(zhǎng)的改變來檢測(cè)AE信號(hào)。Baldwin C S等人成功將FBG傳感器用于模擬AE源的AE信號(hào)檢測(cè)［13］。FBG傳感器靈敏度高，容易構(gòu)成分布式測(cè)量，但它對(duì)溫度敏感，解調(diào)方案復(fù)雜。

近20年來，F(xiàn)BG傳感技術(shù)得到飛速發(fā)展，各國也先后對(duì)其投入大量科研資金促進(jìn)其進(jìn)入工程化實(shí)用階段，但將其用于AE檢測(cè)的研究比較少，所見報(bào)道大都是將其用于對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參數(shù)的測(cè)量，尤其用于橋梁、大壩等土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

2.4 基于光纖耦合器的AE傳感器

基于光纖耦合器的AE傳感器是一種新型光纖AE傳感器［14］，其工作原理是:聲波對(duì)光纖耦合器作用，使光纖耦合器輸出光功率發(fā)生變化，通過光功率的變化可知道聲波的性質(zhì)。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，制作方便，易于批量化生產(chǎn)。目前對(duì)這種傳感器的研究報(bào)道較少，山東大學(xué)［15］、山東科學(xué)院［16］以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了這方面的初步研究。

2.5 其他類型光纖AE傳感器

其他的光纖AE傳感器有研究較早的偏振型光纖傳感器［17］、基于多普勒效應(yīng)的新型傳感器［18］、基于微分干涉儀的新型傳感器［19］以及基于白光干涉儀的新型傳感器［6］等。

3 光纖AE檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

3.1 在光纖水聽器中的應(yīng)用

光纖水聽器是光纖AE檢測(cè)技術(shù)最重要的應(yīng)用之一，光纖水聽器主要應(yīng)用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播，海底聲學(xué)監(jiān)測(cè)，目標(biāo)聲學(xué)監(jiān)測(cè)，海洋、陸地石油天然氣勘探，海洋、陸地地震波監(jiān)測(cè)以及海洋環(huán)境檢測(cè)，又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)和水下兵器試驗(yàn)的先進(jìn)檢測(cè)手段。Cranch GA和Nash P指出光纖水聽器陣列正向大規(guī)模時(shí)分與密集波分復(fù)用方向發(fā)展，以滿足未來聲納系統(tǒng)大規(guī)模組陣的需要［20］。

3.2 在醫(yī)學(xué)超聲碎石中的應(yīng)用

體外超聲波碎石是一種新的結(jié)石治療手段，它采用超聲波回聲的強(qiáng)大沖擊力來擊碎人體內(nèi)的結(jié)石。光纖AE傳感器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲碎石已經(jīng)產(chǎn)品化，如光纖內(nèi)窺鏡已問世。光纖內(nèi)窺鏡可用來檢測(cè)超聲沖擊波，用光纖做成的內(nèi)窺鏡探頭可以小到微米數(shù)量級(jí)，檢測(cè)起來更為方便［21］。

3.3 在復(fù)合材料損傷檢測(cè)和智能復(fù)合材料制作中的應(yīng)用

復(fù)合材料經(jīng)受交變載荷時(shí)會(huì)經(jīng)歷基體開裂、纖維/基體界面脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等階段，在這些階段都會(huì)產(chǎn)生豐富的AE信號(hào)，通過光纖AE傳感器對(duì)AE信號(hào)的監(jiān)測(cè)可以判斷出不同的損傷形式和損傷位置。智能復(fù)合材料不僅能感知環(huán)境變化、識(shí)別重要刺激因素，并能對(duì)其做出反應(yīng)，目前，美國、日本等都在進(jìn)行智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與能動(dòng)的無損檢測(cè)的研究。光纖AE傳感器體積小、重量輕，適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，易于構(gòu)成分布式，這使其成為制造智能復(fù)合材料的首選對(duì)象。

3.4 在工業(yè)無損檢測(cè)與評(píng)估(NDT＆E)中的應(yīng)用

光纖AE傳感器可以解決傳統(tǒng)壓電式AE傳感器頻帶窄、抗電磁干擾能力差等問題，且壓電傳感器檢測(cè)所用的耦合劑會(huì)對(duì)被檢物體表面造成不同程度的邊界狀態(tài)改變或表面損傷，而光纖AE傳感器不需耦合劑可避免此類情況，因此，光纖AE傳感技術(shù)成為工業(yè)上AE檢測(cè)研究的新方向。利用光纖AE傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品缺陷的早期預(yù)測(cè)，也有關(guān)于工程實(shí)用的報(bào)道，包括壓力管道泄露檢測(cè)［22］、刀具健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［23］、電力設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控［24］等。

3.5 在土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

光纖傳感器在民用工程中最廣泛的應(yīng)用是用于土木工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，如用于橋梁、大壩等。將光纖傳感器粘貼于金屬、混凝土表面或者埋入建筑物中，可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)工程建筑物的應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋萌生及擴(kuò)展等。此外，光纖AE檢測(cè)技術(shù)還可用于巖石材料破裂的聲發(fā)射研究［25］。

4 存在的問題與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 光纖AE傳感器存在的主要問題

1)抗振能力差:由于光纖傳感器對(duì)振動(dòng)極為敏感，以至于小的環(huán)境振動(dòng)也會(huì)引起系統(tǒng)信號(hào)的變化，這也是光纖AE傳感器實(shí)用化的主要障礙。

2)光源波動(dòng)、光強(qiáng)損失、相位延遲、偏振態(tài)不一致等因素都會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定，需要尋求各種精確的相位補(bǔ)償、偏振控制、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

3)制造工藝不完善，沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2 光纖AE傳感器發(fā)展趨勢(shì)

1)全光纖微型化:傳感頭由光纖構(gòu)成且只使用1根光纖已成為發(fā)展趨勢(shì)。全光纖傳感頭的體積小且工作可靠，由于目前光纖之間的熔接損耗為0.l dB左右，這樣的損耗不影響探頭的正常工作，目前，光纖之間的粘接技術(shù)和光纖端面拋光、鍍膜等相關(guān)技術(shù)等都在研究中。

2)多參量實(shí)時(shí)化:1只傳感器同時(shí)測(cè)量多個(gè)參量既可減少測(cè)量裝置的元件數(shù)量，又可避免多只傳感器之間相互影響，因而，多只參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為研究的熱點(diǎn)。目前已有很多研究者在研究能進(jìn)行溫度、應(yīng)力、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的光纖光柵類傳感器，并取得了一定的研究成果。

3)高精度實(shí)用化:光纖傳感器在研究過程中各組成元件都是線性理想化的，和實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。因此，光通道中的非線性研究、實(shí)際檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的增大是實(shí)用化的基礎(chǔ)。

4)陣列化，網(wǎng)絡(luò)化，易于構(gòu)成分布式檢測(cè)系統(tǒng):構(gòu)成分布式檢測(cè)系統(tǒng)可以大幅度提高檢測(cè)效率，節(jié)約檢測(cè)成本，節(jié)省時(shí)間人力物力，利用無線傳輸與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)也可為特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供極大方便。

5)AE源精確定位與識(shí)別能力的提高:AE源定位的精度直接影響到后續(xù)維護(hù)和維修工作的效率，因此，能夠進(jìn)行AE源高精確度定位和損傷模式識(shí)別對(duì)于檢測(cè)儀器來說亦非常重要。

5 結(jié)束語

光纖AE傳感器作為一種新型的傳感技術(shù)正得到不斷的發(fā)展和完善，也正逐漸應(yīng)用于國防科技、工業(yè)檢測(cè)、民用工程建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α；诟鞣N基本光學(xué)干涉儀的光纖聲發(fā)射傳感器已得到了廣泛深入的研究，并取得了一定進(jìn)展?；贐ragg光柵、啁啾光柵等各種光柵傳感器與光學(xué)干涉儀相結(jié)合的新型光纖AE傳感器有望得到深入研究，且更先進(jìn)的解調(diào)設(shè)備的研制成功也將為此類研究提供便利條件。

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