葉　子，王　超

（復旦大學材料科學系，上海200433）

用于監(jiān)測閥門泄漏的超高動態(tài)范圍全光纖超聲傳感系統(tǒng)*

葉子，王超*

（復旦大學材料科學系，上海200433）

本文提出了一種超高動態(tài)范圍的全光纖超聲傳感系統(tǒng)，針對閥門發(fā)生泄漏時伴隨產生的聲發(fā)射現(xiàn)象，利用光纖的光彈效應，將聲發(fā)射現(xiàn)象產生的超聲信號轉換為光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔蛔兓?，由光路干涉結構將光信號的相位改變量轉換為兩路干涉輸出信號的幅度量，通過相位解調還原算法和功率譜分析，實現(xiàn)對超聲信號的探測和提取。經過閥門泄漏實地測試驗證了全光纖超聲傳感系統(tǒng)的實用性和可行性，并在實驗室條件下對系統(tǒng)的動態(tài)范圍進行了具體的測試分析。

光纖傳感；閥門泄漏；超聲檢測；聲發(fā)射

EEACC:7230E；7820doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.001

光纖傳感技術自上世紀七十年代末誕生［1-2］，經歷了數(shù)十年的迅猛發(fā)展，至今已在位移傳感［3］，應變傳感［4-5］，溫度傳感［6］，速度傳感［7］等多個領域實現(xiàn)了相當廣泛的應用。相比于傳統(tǒng)的電學聲傳感器，光纖傳感器采用光學原理構成，具有靈敏度高、動態(tài)范圍大等特點，可以適應強電磁干擾、高溫高壓、原子輻射以及化學腐蝕等惡劣條件。

在閥門泄漏的情況下，管道內傳輸?shù)臍怏w或液體經過泄露處噴射而出時會產生高速射流，對管壁產生沖擊激發(fā)彈性波，為連續(xù)型聲發(fā)射信號，頻率集中在20 kHz～100 kHz的超聲頻段，且隨著泄漏處縫隙的減小和縫隙兩側壓強差的增大而增大［8-11］。超聲信號作為一種機械波，作用于光纖上時會對光纖產生一定應力作用，引起光纖傳光特性的改變，進而導致光纖中傳播的光相位發(fā)生與作用應力相對應的改變，盡管光相位的改變無法直接通過探測器進行檢測，采用干涉光路結構，可以將光相位的改變轉換為干涉結果中光強的變化，就可以推算還原出外界的超聲信號，進而實現(xiàn)對閥門泄漏的監(jiān)測。現(xiàn)有的光纖閥門泄漏監(jiān)測技術往往著重于閥門泄漏導致的溫度變化，一方面有其實時監(jiān)測的延遲性，另一方面，當閥門發(fā)生內部泄漏時，其溫度改變往往并不明顯，其實時性和靈敏度都難以達到較高的水平［12］。

1　理論分析

局部的能量快速釋放能夠產生瞬時彈性波，即聲發(fā)射現(xiàn)象。對于管道閥門而言，由于管道內外較大的壓強差，閥門的泄漏會導致管道內傳輸?shù)母邏航橘|（氣體或液體）在泄露處快速釋放，發(fā)射出一定頻率的聲波，且聲波的強度與頻率與閥門泄漏的情況相對應。

以往的研究表明，閥門泄漏產生的連續(xù)型聲發(fā)射信號的頻率與泄漏處縫隙的大小成反比，與縫隙兩側壓強差成正比，對于實際應用中出現(xiàn)的閥門泄漏情況，其伴隨的聲發(fā)射信號頻率往往集中在20 kHz～100 kHz的超聲頻段，對于不同閥門不同流體的泄漏情況伴隨產生的聲波信號能量大小會出現(xiàn)較大的差異性。要對能量大小差異性大，頻率集中在20 kHz～100 kHz的超聲頻段的閥門泄漏聲發(fā)射信號實現(xiàn)監(jiān)測，對監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍都有極高的要求。采用全光纖干涉結構，利用超聲信號作用于光纖時的光彈效應，可以實現(xiàn)超聲信號的高靈敏度大動態(tài)范圍的檢測。同時，管道閥門監(jiān)測環(huán)境往往較為嚴苛，譬如蒸汽傳輸?shù)母邷嘏c高濕度，石油管道的易燃易爆性等，相較于傳統(tǒng)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)，光纖傳感器在其環(huán)境適應性上擁有著無可比擬的優(yōu)勢［13］。

超聲信號作用于光纖上時，能夠引起光纖長度l和光纖折射率n等光學傳輸特性的變化，從而引起感應光纖中傳輸光相位的變化，即光彈效應：ΔΦ=γΔl。光相位的變化與光纖內部的軸向應變Δl成正比，和外加應力成正比，傳輸光相位的改變反映了外界超聲信號的擾動信息，當外界擾動幅度增大時，作用于感應光纖上的外加應力增大，導致光相位改變ΔΦ增大。由于外界信號的大小影響的是傳輸光的相位改變而非幅度，而利用干涉技術能夠檢測出任意大小的相位變化，因此相位調制型的光纖傳感器對超聲信號檢測的動態(tài)范圍要遠高于其他調制類型。同時，光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，對于微弱的超聲信號也能夠實現(xiàn)靈敏檢測。

為間接檢測光纖中的光相位變化，本文采用圖1中所示全光纖白光干涉技術，將光相位變化轉化為光強變化，通過對光強信號的解調還原，實現(xiàn)對超聲信號的檢測。

在該結構中所有光路結構均為普通單模光纖，激光源采用的是寬光譜激光器，中心波長1 550 nm，譜寬為36 nm，出光功率大于3 dbm，功率穩(wěn)定性24 h變化率小于0.5%。感應光纖末端與法拉第旋轉鏡相連，相較于普通反射頭，法拉第旋轉鏡能夠有效地消除部分光纖偏振變化的影響。這樣的反射結構不僅實現(xiàn)了傳輸光去程與回程均通過超聲信號作用的感應光纖，在相同外界信號激勵的環(huán)境下使得相位靈敏度提高一倍，而且能夠有效避免感應光纖的偏振態(tài)隨機變化對干涉系統(tǒng)的影響［14］。

圖1　全光纖白光干涉結構

光源發(fā)出的一定功率的寬光譜激光，經3×3耦合器均分為三束，形成四條光束路徑：1：A→B→C→B→D→E→F→G→F→H→I；2：I→H→F→G→F→E→D→B→C→B→A；3：A→B→C→B→D→E→F→G→F→E→D→B→C→B→A；4：I→H→F→G→F→G→F→H→I。由于光纖延遲線長度遠遠大于激光器的相干長度，只有沿路徑1和路徑2傳播的光束能在3×3耦合器處能夠發(fā)生干涉。而未參與相干涉的光及兩路在外界沒有擾動信號時通過相同傳輸路徑的干涉光構成了系統(tǒng)的靜態(tài)光信號，最終形成了探測電路的直流電平。通過硬件電路對信號進行隔直，一方面可以有效地隔離不對稱的滯留部分，另一方面提高了后續(xù)放大電路輸出信號的動態(tài)范圍。由于該全光纖白光干涉結構的動態(tài)范圍主要受到信號探測部份的帶寬和采樣率的限制，兩路輸出干涉信號通過高帶寬光電轉換器轉換為電信號傳輸至高采樣率高帶寬示波器進行波形顯示和采集。

根據(jù)干涉儀3×3耦合器3個相位輸出的互補對稱特性，可以將輸出的兩路交流信號表示為［15］：

其中，φ（t）為系統(tǒng)感應的外界信號，A（t）和B（t）是耦合器分配不均勻且經過放大器放大后所產生的幅度系數(shù)，A（t）、B（t）為受溫度影響的緩變量，為一受溫度影響的變量，短時間內可視為常數(shù)，?1和?2是系統(tǒng)的初始相位，對于3×3耦合器通?？扇槌?shù)2π/3。上式中我們可以看到，外界信號φ（t）大小的改變僅僅對應cos函數(shù)的相位改變，而不會影響兩路交流信號的最大幅值，即系統(tǒng)的最大檢測幅度不受探測器探測幅值的限制，而僅僅受限于探測采集部分的采樣率和最大帶寬。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集技術使得探測采樣率能夠達到GHz數(shù)量級，在采用高帶寬光電轉換器的情況下，系統(tǒng)的動態(tài)范圍能夠得到極大地提升。

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由上面的分析可知，干涉信號的相位差對應著超聲信號的變化，所以只要將φ（t）通過算法還原出來，就可以反映出原始超聲信號的大小。解調分析過程如圖2

圖2　數(shù)據(jù)處理

由等式（2），我們已知兩路干涉信號與外界擾動信號的對應關系，采集到的兩路干涉信號數(shù)據(jù)dataX和dataY相當于對等式（2）進行了離散化處理。同時為消除實際情況中由于各種因素引起的兩路信號的幅值差異和硬件上進行的濾除直流分量處理帶來的影響，需要對dataX和dataY進行歸一化處理之后再相位解調還原得到外界擾動信息。

當外界信號較大，作用在感應光纖上時引起的相位改變超過2π，根據(jù)等式2，兩路干涉信號的極大值和極小值對應于±A-Acosφ1和±B-Bcosφ2，據(jù)此可求出A、B、cosφ1、cosφ2，帶回到式（2）中，根據(jù)已知的兩路干涉信號數(shù)據(jù)x（t）和y（t）即可求解出φ（t）［16］。

而當外界信號引起的相位改變小于2π時，信號極為微弱，此時有sinφ（t）≈φ（t），可對兩路干涉信號進行直接相減得到還原信號。

還原得到的信號波形經過一個20 kHz至100 kHz的帶通濾波器，只保留閥門泄漏引起的超聲信號存在的頻段，濾除其他干擾頻段的影響，即得到作用于感應光纖的閥門泄漏引起的原始超聲信號。由于超聲波在空氣中衰減較快，信號強度不大，且夾雜有外界其他信號的干擾，原始的還原信號波形并不是規(guī)律的固定頻率的正弦波形，直接對原始超聲信號波形觀察通常無法實現(xiàn)肉眼辨識，也無法對其頻率進行較為準確的判定，因此需要通過對還原得到的超聲信號通過傅里葉變換采用頻譜分析，觀察不同頻率上能量的累積來判斷超聲信號的有無，即可實現(xiàn)對閥門泄漏的實時監(jiān)測告警。

2　實驗

實驗測試分為實地閥門泄露應用測試和實驗室超聲信號動態(tài)范圍測試兩個部分。

在實地閥門泄露應用測試中，實驗系統(tǒng)搭建如圖3所示結構。

圖3　全光纖超聲傳感系統(tǒng)監(jiān)測閥門泄露

全光纖超聲傳感主機平穩(wěn)放置于管道測試間隔壁操控室內的工作臺上，將顯示器通過連接線與主機相連，傳輸光纜采用20 m左右長度的普通單模光纖，一端接入全光纖超聲傳感主機，另一端與感應光纖相連。其中，感應光纖由50 m普通單模裸纖以圓環(huán)形態(tài)［17］緊密繞制，尾端連接反射頭，整體附著固定于方形金屬薄板上，置于兩泄漏閥門之間的地面上，距離閥門高度約為30 cm，兩閥門間距約為30 cm。如圖4所示。

圖4　閥門泄露監(jiān)測環(huán)境

閥門所處管道結構中傳輸?shù)慕橘|為氣體介質。對于傳輸氣體介質的管道而言，為保證氣體介質在閥門開啟狀態(tài)下能夠在管道中以一定速度進行運輸，在閥門正常關閉無泄漏時，閉合處兩側有著巨大的壓強差。而當兩側閥門處于泄漏狀態(tài)，泄露處兩側巨大的壓強差使得泄露氣體處于高速迸發(fā)狀態(tài)導致聲發(fā)射產生超聲波信號。超聲信號在空氣中衰減較快，感應光纖盡量靠近內漏閥門附近，并且裸纖對高頻振動信號（超聲信號）靈敏度較高。在實際應用中，感應光纖的形態(tài)可以根據(jù)待監(jiān)測管道閥門的形態(tài)進行改良，在保證損耗較小的情況下，對同一待測位置的感應光纖越長，則對該處發(fā)生泄漏時的感應靈敏度也相應越高。

測試結果如圖5，dataX，dataY分別為兩路回光經過干涉將回光相位差轉換為光強信號，光強信號再經過光電轉換模塊轉換為電信號后采集得到的數(shù)據(jù)，橫坐標為數(shù)據(jù)點數(shù)，采樣頻率為5 MHz，縱坐標為經過光電轉換后電信號的電壓幅度（V），采用相位還原算法，還原解調出的超聲信號波形如圖中PHASE所示，橫坐標對應于采樣點數(shù)，可通過采樣頻率轉換為時間參數(shù)，縱坐標對應于相位改變的弧度，可觀察到PHASE波形為較為明顯的周期信號，且頻率處于超聲信號頻段。PSD為對還原信號進行功率譜分析的結果，橫坐標對應頻率（Hz），縱坐標為對應的功率大?。╠B），可觀察到兩個較強的波峰分別出現(xiàn)在27 kHz和37 kHz處，說明感應光纖感應到的兩不同頻率的超聲信號，頻率分別為27 kHz和37 kHz，為兩處閥門泄漏情況不同導致超聲信號頻率的差異。

圖5　閥門泄露信號頻譜

由于實地測試環(huán)境的復雜性和干擾的多樣性，對全光纖超聲傳感系統(tǒng)的測試著重于功能的定性分析。

為對超聲傳感系統(tǒng)進行定量測試，研究其動態(tài)范圍，在實驗室環(huán)境下搭建實驗系統(tǒng)，如圖6所示。采用超聲波發(fā)聲器作為超聲波源產生固定頻率為40 kHz超聲信號，模擬閥門泄漏產生的超聲信號，功率大小可調。感應光纖由兩百米裸光纖繞制成圓環(huán)形態(tài)以進一步增強系統(tǒng)的感應靈敏度。光電探測器帶寬為200 M，數(shù)據(jù)采集由示波器完成，采樣頻率為10 GHz。

圖6　全光纖超聲傳感系統(tǒng)

將超聲波發(fā)生器功率調至最小，開啟超聲波發(fā)生器、示波器和信號處理軟件。從小到大逐漸增大超聲波發(fā)生器的功率，在信號處理軟件界面觀察超聲還原探測結果。由于超聲信號頻率固定為40 kHz，在動態(tài)范圍檢測實驗中，主要關注于還原得到的超聲信號波形能夠觀測到的最小和最大的幅度。

當超聲信號很小時，相位調制小于2π，對兩路干涉信號進行小信號相位還原，結果如圖7所示，其中dataX，dataY分別為示波器采集到的兩路干涉信號，phase為還原得到的超聲信號，三者的橫坐標均為采樣點數(shù)，兩路原始信號縱坐標為光電轉換后得到的電信號的幅度（V），還原得到的phase縱坐標為相位改變的弧度值，可觀察到phase波形為近似正弦的周期波形，頻率為40 kHz，與超聲波發(fā)生器產生的超聲頻率相符，Vpp為超聲信號的幅值變化情況，在肉眼可識別為幾近正弦信號的情況下，最小幅值可低至0.395 4。當超聲波發(fā)生器功率進一步減小時，檢測到的超聲信號過于微弱淹沒在外界干擾的噪聲信號中難以辨別。

圖7　小信號測試結果

當超聲信號很大時，相位調制大于2π，根據(jù)兩路交流信號輸出的形式，對dataX和dataY采用相位還原算法進行解調，如圖8給出了在超聲波發(fā)生器功率較大情況下兩個多周期的相位還原結果，其坐標參數(shù)與圖7相同。檢測到的超聲信號頻率為40 kHz，與超聲波發(fā)生器產生的超聲頻率相符，在不出現(xiàn)截止的情況下，最大峰峰值可高達5 293.5。當超聲波發(fā)生器的功率進一步增大時，由于受到光電轉換帶寬和示波器采樣速率的限制，信號會出現(xiàn)失真。

由以上結果可得到本超聲傳感系統(tǒng)的動態(tài)范圍可高達20×lg（5293.5/0.3954）=82.5431 dB，對大信號和小信號情況均可實現(xiàn)靈敏監(jiān)測。通過進一步增加感應光纖長度，光電轉換器帶寬和采樣頻率可進一步增大該系統(tǒng)的靈敏度和動態(tài)范圍。

圖8　大信號測試結果

3　結語

本文基于閥門泄漏時伴隨存在的聲發(fā)射現(xiàn)象提出了一種應用于監(jiān)測閥門泄露的超高動態(tài)范圍全光纖超聲傳感系統(tǒng)，擁有光纖傳感系統(tǒng)優(yōu)異的環(huán)境適應性，穩(wěn)定性，無源，抗腐蝕抗電磁干擾，耐高溫等傳統(tǒng)超聲傳感系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，適用于管道閥門泄漏監(jiān)測這類較為特殊的嚴苛環(huán)境。經過實驗室超聲信號動態(tài)范圍測試，該系統(tǒng)能夠在確保超聲信號監(jiān)測靈敏性和準確性的前提下達到82.5 dB以上的動態(tài)范圍，并且在實地閥門泄露應用測試中對于不同管道閥門傳輸流體的泄露情況均實現(xiàn)了精準而及時的探測報警，特別是當待測點附近發(fā)生多處泄漏時，可通過泄漏情況不同導致的超聲信號頻率差異來實現(xiàn)多點泄漏監(jiān)測，能夠直觀便捷地為檢修人員提供泄露情況參考，具有較高的應用價值和前景。

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葉子（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感技術及其信號處理等，13210300034@fudan.edu.cn；

王超（1982-），通訊作者，男，副研究員，主要研究方向為光纖傳感技術與信號處理等，wangchao@fudan.edu.cn。

A High Dynamic Range All-Fiber Ultra-Acoustic Pressure Sensing System for Detection of Valve Leakage*

YE Zi，WANG Chao*
（Department of Material Science，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

A novel high dynamic range all-fiber ultra-acoustic pressure sensing system for detection of ultra-acoustic waves emission caused by valve leakage is introduced in this paper.Based on photoelastic effect，the ultra-acoustic waves acting on sensing fiber can cause phase changes of the light transmitting in the sensing optic fiber.The interference structure in the sensing system converses phase changes into the intensity of two interference signals. Through demodulation and power spectrum analysis，the information of original ultra-acoustic signals can be extracted.The system's practicability and effectiveness is proved by field testing and its dynamic range is calculated under laboratory conditions.

fiber sensing；valve leakage；ultra-acoustic detection；acoustic emission

TP212.14

A

1004-1699（2016）07-0957-05

項目來源：國家儀器項目（（NIP）項目（2014YQ090709）

2016-01-21修改日期：2016-03-09