陳 博，劉哲軍,金 珂,盧 鵡,徐 林,魏 鵬

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076;2.北京航空航天大學 光學工程學院，北京 100076)

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，基于數(shù)字化的聲發(fā)射檢測技術也越來越成熟，并廣泛應用于航空、航天、船舶、機械、化工等工業(yè)領域。聲發(fā)射傳感器是實現(xiàn)聲發(fā)射信號采集的關鍵部件,聲發(fā)射傳感器種類繁多，工程化應用中常見的是壓電式聲發(fā)射傳感器。

壓電式傳感器的工作原理為，內(nèi)部壓電晶體元件(壓電陶瓷)在應力波作用下產(chǎn)生變形時，會在其相對變形的兩個對稱表面產(chǎn)生電性相反數(shù)量一致的正負電荷，從而將聲發(fā)射機械波引起的表面振動轉換成電壓振蕩聲發(fā)射信號并輸出[1]。受居里效應影響，普通壓電陶瓷傳感器的工作溫度區(qū)間一般為-65177 ℃。一些經(jīng)過特殊處理的壓電陶瓷傳感器的工作溫度雖然可以到-200540 ℃[2],但隨著溫度降低或升高，壓電陶瓷傳感器的靈敏度、可重復使用頻次均會大大降低。以低溫環(huán)境為例，據(jù)測算，在液氮環(huán)境中(-198 ℃)，壓電晶片的電荷輸出與位移之比比在室溫中要降低10%以上[3]。因此提升傳感器適用范圍,發(fā)展更加普適的聲發(fā)射傳感器成為開展惡劣環(huán)境下聲發(fā)射檢測的主要研究方向。

近年來，隨著光纖光學技術的發(fā)展，以光纖光柵研究為主的光纖聲發(fā)射傳感檢測技術在設備研制和應用等方面均取得了較大進展,部分技術在傳統(tǒng)的溫度、應力等傳感領域已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化[4]，而將光纖傳感器技術應用于惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測研究還較少。光纖的材料主要為二氧化硅，其具有抗腐蝕、抗低溫的特點，非常適合惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測[5-6]，故光纖聲發(fā)射檢測技術的出現(xiàn)為惡劣環(huán)境下的聲發(fā)射檢測提供了可能[7]。

筆者通過理論分析初步構建了光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的理論模型，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器樣機，開展了低溫鈦合金氣瓶液氮環(huán)境下的平面定位和聲發(fā)射檢測靈敏度的初步測試。試驗結果表明，研制的光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器能夠在低溫環(huán)境下直接耦合氣瓶進行聲發(fā)射信號采集與定位，信號采集靈敏度不低于90 dB，四通道平面定位偏差最大不超過最大傳感器間距的8%。該試驗為后續(xù)光纖環(huán)聲發(fā)射檢測技術的工程化應用奠定了一定基礎。

1 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器原理

光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的基本原理是：當纏繞成環(huán)狀的光纖接收到聲發(fā)射波時會發(fā)生拉伸或壓縮，從而改變光程，而繞成環(huán)狀的光纖會在一定程度上起到放大光程改變的作用；再利用單模激光相干干涉的辦法，得到光波相位的變化，通過該變化建立引起光纖變形的聲壓與輸出信號的相關關系，實現(xiàn)聲發(fā)射信號的光學測量與采集。

聲發(fā)射檢測用光纖結構如圖1所示，對圖1所示光纖，設其長度為L，有效折射率為neff，作用在這段光纖上的由聲發(fā)射波引起的聲壓記為P。設光經(jīng)過這段光纖時，其光程δ=neffL，對應的相位φ如式(1)所示。

圖1 聲發(fā)射檢測用光纖結構示意

(1)

式中：β為傳播常數(shù)；λ為光纖中的激光波長；k為波數(shù)。

對式(1)做全微分，得到的相位的變化量Δφ如式(2)所示。

(2)

式中：Δφ1為光纖長度變化引起的光纖中的相位變化;Δφ2為光纖有效折射率變化引起的光纖中的相位變化,直徑的變化對光相位的影響相比于其他兩個量的影響小得多，可忽略不計。

設作用在光纖上的聲壓變化為ΔP時，根據(jù)彈性力學中的廣義胡克定律，Δφ1可用式(3)表示。Δφ2可用式(4)表示。

(3)

式中：σ為光纖材料的泊松比；Ε為楊氏模量。

(4)

式中：P11和P12為應變-光學張量的分量。

總的相位的變化可表示為

KΔP

(5)

式中：K為聲壓-相位靈敏度系數(shù)。

可以看出，當光纖長度恒定時，K為常數(shù)，因此，光纖中相位的變化量Δφ和其所感受的聲壓變化量ΔP成正比。綜上可知，光纖感受聲發(fā)射信號時會改變光纖中傳播的光的相位，相位的變化量和聲發(fā)射波的聲壓變化量成正比，光纖中的相位信息即反應了光纖感受到的聲發(fā)射信息，通過對相位信號進行解調(diào)即可得到相應的聲發(fā)射信號。

2 光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置

在建立了光纖環(huán)相位漂移與聲發(fā)射調(diào)制信號的數(shù)學關系后，理論上只要解調(diào)出光纖的相位變化就能得到聲發(fā)射信號，但由于光的頻率太高，直接檢測光的相位變化非常困難，只能進行間接的測量，而干涉測量法是一種間接測量光相位變化的手段，可以用來檢測微小的光相位變化且具有極高的靈敏度。

筆者研究的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置是利用光纖馬赫-曾德干涉原理進行檢測的，單通道光纖馬赫-曾德干涉系統(tǒng)結構組成如圖2所示。

圖2 單通道光纖馬赫-曾德干涉系統(tǒng)結構組成

由于傳感光和參考光來源于同一光源的分光，所以傳感臂中的光和參考臂中的光傳播常數(shù)相同，設參考臂中的光為E1(t),傳感臂中的光為E2(t)，則有

E1(t)=A1exp{i[ωt+φ1(t)]}

(6)

E2(t)=A2exp{i[ωt+φ2(t)]}

(7)

它們發(fā)生干涉后輸出信號為

E(t)=E1(t)+E2(t)

(8)

式中：A1和A2分別為參考臂和傳感臂中的光振幅矢量;φ1(t)和φ2(t)分別為兩束光的相位;t為時間。ω為頻率;i為歐拉公式中的虛數(shù)。

兩束光接入耦合器2中發(fā)生干涉，輸出干涉光為兩路光矢量的疊加，輸出光強可以表示為E(t)與其自身的共軛積的時間平均，即

(9)

設聲發(fā)射信號為單一頻率信號P(t)，則有

P(t)=Ccos(ωst+φs)

(10)

式中:ωs為聲發(fā)射信號頻率;C為信號幅值;φs為聲發(fā)射信號初相位。

設m=KC，則有

φ(t)=KP(t)=mcos(ωst+φs)

(11)

(12)

利用貝塞爾函數(shù)將式(12)展開，表達形式為

(13)

可以看出，式(13)中包含直流信號，聲發(fā)射信號及其倍頻信號，干涉信號接入差分式光電探測器，進行光電轉換，即可得到對應的電壓信號V

(14)

式中：Q為光電探測器的光電轉換系數(shù)，光電轉換之后,再使用傳統(tǒng)的電信號濾波、放大、信號處理與分析系統(tǒng)即可完成聲發(fā)射波的檢測。

搭建的四通道光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器及固定工裝如圖3所示，圖中1，2，3分別為檢測主機，光纖環(huán)傳感器和光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器固定工裝。其中光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器主要組成部件包括光纖環(huán)傳感器、窄帶光源、光纖耦合器、光電探測器等。

圖3 四通道光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置及固定工裝

3 低溫聲發(fā)射檢測試驗

試驗對象為容積為20 L的球型鈦合金氣瓶，后端數(shù)據(jù)處理檢測儀器為美國PAC公司PCI-2型通道檢測系統(tǒng),傳感器為光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器，前放增益為40 dB，試驗時，先把光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器固定在氣瓶表面，然后把固定好的氣瓶放置在金屬容器中，再向氣瓶里灌入液氮直至淹沒氣瓶，然后進行液氮低溫環(huán)境下的試驗，試驗現(xiàn)場如圖4所示，試驗系統(tǒng)組成如圖5所示。試驗過程中聲發(fā)射模擬源選取、檢測參數(shù)設定、實驗操作等均參照標準GJB 6187-2008 《聲發(fā)射檢測》執(zhí)行。

圖4 試驗現(xiàn)場

圖5 試驗系統(tǒng)組成

對光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器在液氮中的噪聲進行測試，將氣瓶裝滿液氮并浸泡在液氮槽中，持續(xù)觀察系統(tǒng)的平均信號電平值(ASL)。試驗中發(fā)現(xiàn)，當光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器剛放入液氮中時，ASL為50 dB60 dB，隨著浸泡時間的延長該值不斷降低。分析認為，初始ASL很高主要是由液氮的沸騰造成的，但也有溫度變化帶來的影響。這是因為溫度的變化同樣會引起光纖環(huán)傳感器內(nèi)部光相位的改變，從而產(chǎn)生干擾噪聲。因此為避免溫度變化對聲發(fā)射信號的干擾，應當讓光纖環(huán)充分浸泡降溫并盡可能恒溫。浸泡約30 min后，經(jīng)過充分預冷降溫后的系統(tǒng)ASL基本穩(wěn)定在18 dB20 dB。按照標準GJB 6187-2008的規(guī)定，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的最低檢測門檻應不小于ASL+15 dB，因此在液氮環(huán)境中，該試驗系統(tǒng)的理論最低門檻可以設置為35 dB。圖6為當ASL穩(wěn)定后進行液氮補加過程的ASL變化情況，可以看出，補加液氮造成的系統(tǒng)ASL上升最高可達30 dB35 dB。因此，考慮到試驗過程中需要斷續(xù)補充加注液氮，為避免加注噪聲和風噪等流體噪聲的綜合影響，聲發(fā)射檢測門檻實際設置為45 dB。

圖6 補充加注液氮過程中ASL變化情況

筆者對光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置定位效果進行測試，并對4個傳感器附近模擬聲源進行定位，定位參數(shù)修正前校準定位結果如圖7(a)所示，因為液體環(huán)境對聲發(fā)射波衰減和傳播路徑的影響與空氣環(huán)境中完全不同，采用空氣環(huán)境下的定位檢測參數(shù)的結果存在較大偏差，故筆者發(fā)明了一種定位檢測參數(shù)的綜合修正方法，經(jīng)過修正后的校準定位結果如圖7(b)所示。從定位結果可以看出，修正后的校準定位基本都在傳感器附近，定位效果理想。

圖7 校準定位結果

為了準確測量光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置定位精度，在13通道之間選擇A,B,C,D 4個位置進行定位精度試驗。其中A和B位置分別在1號傳感器和3號傳感器連線內(nèi)側距離傳感器邊緣約10 mm處，C和D位置大約在13通道間距的三等分位置。模擬信號定位結果如圖8所示。

圖8 模擬信號定位結果

從試驗結果可以看出，A處斷鉛位置的信號定位橫坐標為28.32 mm，B處的信號定位橫坐標為272.26 mm，C處的信號定位橫坐標為102.09 mm，D處的信號定位橫坐標為186.17 mm，此次設置的傳感器間距為250.00 mm，因此各模擬信號點的定位偏差如表1所示，可以看出，在液氮環(huán)境下，光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置對模擬聲發(fā)射信號定位精度可達到最大傳感器間距的8.0%。

表1 模擬信號定位偏差

光纖環(huán)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的各通道靈敏度如表2所示。

表2 光纖環(huán)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的各通道靈敏度 dB

從測試結果可以看出，4個通道的檢測靈敏度最低為90 dB,最高為92 dB，偏差在±3 dB內(nèi)，模擬信號在定位圖像中均有定位且一致性較好，證明在液氮環(huán)境中，光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器能夠直接耦合氣瓶采集聲發(fā)射信號，聲發(fā)射信號幅值可達到90 dB，并且可對聲發(fā)射信號進行準確定位。

4 結語

提出了一種新型的光纖環(huán)聲發(fā)射傳感技術，可用于低溫環(huán)境下的聲發(fā)射檢測。根據(jù)理論推導，建立了光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器的理論模型，對光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器中聲發(fā)射波的聲壓變化與光相位變化關系以及調(diào)制后的輸出光強進行了計算，基于光纖馬赫-曾德干涉原理搭建了四通道的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置，并對液氮低溫下的鈦合金氣瓶進行聲發(fā)射檢測試驗，分析了光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置的通道靈敏度及定位精度。

試驗結果表明，光纖環(huán)傳感器可在液氮下直接耦合鈦合金氣瓶進行聲發(fā)射信號采集，采集靈敏度不低于90 dB，通過修正液氮環(huán)境中的定位參數(shù)，定位精度能達到最大傳感器間距的8%?；谠摷夹g搭建的光纖環(huán)聲發(fā)射檢測裝置，可解決目前低溫檢測試驗中無法進行聲發(fā)射平面定位的問題，為鈦合金氣瓶液氮低溫聲發(fā)射檢測提供了新的解決思路，也為未來光纖低溫聲發(fā)射檢測技術在工程上的應用奠定了基礎。