专利名称：一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，属于声发射检测技术领域。
背景技术：
航空飞行器作为国家综合实力和军事实力的体现，在现代战争中的地位越来越重要，它在预警、侦查、反坦克、防空、电子作战、空中指挥等系统中发挥着越来越大作用，飞行器已成为取得战争主动权的最重要的武器，对战争的进程和结局将产生重要乃至决定性的影响。但是由于飞行器的结构十分精密而复杂，经常工作在各种恶劣的环境中，以及高超声速的飞行等，导致其出现故障的机率增加，如零部件产生裂纹、发生腐蚀、结构断裂等等，这些过程都会伴随着声发射信号的产生，因此可以对飞行器的零部件进行声发射检测，以此来监控飞行器的结构安全问题。声发射技术产生于50年代，由于声发射所表征的信号直接来自构件或材料的内部裂纹及缺陷等扩展的动态信息，所以这种技术从诞生的一开始便引起人们的极大兴趣和关注。70年代由于人们发现了大部分构件和材料缺陷的声发射信号是高频信号大致在 IOOKHz 300KHz之间，进而采用高频谐振传感器以及先进的信号处理技术大大排除了可听音范围内的环境噪声干扰，使声发射技术开始走出实验室而进入现场实用阶段。从80年代开始，由于电子计算机技术和现代信号处理等手段进入声发射研究领域使声发射技术的应用领域和研究对象越来越广泛，并取得广泛的成功。尤其进入90年代以后，声发射技术在无损检测和材料研究等方面愈来愈发挥举足轻重的作用，特别在航空航天领域，通过对声发射信号的检测分析与识别，可以对材料损伤缺陷进行检测研究，实现构件强度、损伤程度、寿命预测等方面的分析研究，因此声发射已成为一种必不可少的技术手段而广泛用于航空航天器的设计研制、结构安全健康监测与损伤检测等领域。我国的声发射技术起步较晚。现有的声发射检测系统如中国专利 CN101561420A “智能声发射连续监测仪”、CN101446507 “USB2. 0多通道声发射检测系统”、 CN2724019 “一种基于声发射的地震、滑坡监测系统”等公开的声发射检测系统中所用的声发射传感器都是基于压电陶瓷材料制作的，存在体积大、频带窄、抗震动能力差、传输距离短、只能安装于试件表面并且不能在电磁干扰、高温和腐蚀等恶劣环境下使用等缺点。中国专利CN1818625A “光纤光栅声发射和温度传感器”只是简单的阐述了用光纤光栅制作声发射传感器的想法，并没有从工程应用上进行整体传感系统的设计与软硬件的实现。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，该传感系统检测的频带宽，灵敏度高，应变分辨力高，响应速度快，传输距离远。本发明的技术解决方案一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统包括光纤光栅传感部分和信号处理部分；光纤光栅传感部分包括FBG传感器、光源、隔离器、Y 型光纤耦合器；信号处理部分包括光电转换电路、放大电路、滤波电路、A/D电路和FPGA ；其中FBG传感器由胶紧固在封装材料，封装的FBG传感器与被检件之间添加耦合剂；所述光源为可调谐窄带DFB光源(分布式反馈激光器)，谱宽小于0. 05nm ；光源经过隔离器与Y型光纤耦合器的A端口相连接；光纤耦合器的B端口与信号处理部分的光电转换电路相连接，光纤耦合器的C端口与FBG传感器相连接；光源输出的光通过隔离器，从光纤耦合器的A端口进C端口出，到达FBG传感器，大部分光被FBG反射后，又从C端口返回Y型光纤耦合器，一半的光从端口 B出射后被隔离器阻隔，另一半的光从A端口输出，进入光电转换电路转换为电信号，再依次经过放大电路、滤波电路、模数转换电路，进入FPGA进行数据综合处理，最后数据经过PCI总线进入计算机。所述封装材料为有机玻璃。所述耦合剂为凡士林、水或黄油。所述的光电转换电路为PIN型光电二极管电路。所述信号处理模块经PCI总线在计算机上显示采集的波形与数据。所述传感系统的检测范围为50KHz-300KHz，应变分辨力2μ ε微应变，响应速度 IOMHz以上。本发明与现有技术相比的优点在于现有的光纤光栅传感器主要是检测温度和应力的，而本发明检测的是声发射信号波，主要用于航空航天器的结构安全监测以及重要部件的损伤检测，具有检测频带宽，检测范围达到50ΚΗζ-300ΚΗζ ；灵敏度高，应变分辨力达到 2(μ ε)微应变；响应速度快，达到IOMHz以上；传输距离远，光纤的低损耗传输使得检测现场与监控现场可以距离很远；抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套系统在恶劣环境中也能长期正常地使用。并且本发明以光纤材质制作的传感器具有质量轻、 体积小、埋入性好等优点。


图1为本发明的结构框图；图2为模拟金属试件损伤信号检测实验示意图；图3为FPGA的处理流程图；图4为检测波形对比图，其中a表示光纤光栅；b为压电陶瓷，纵轴电压/毫伏； 横轴时间/秒。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，本发明包括光纤布拉格光栅传感部分(虚线以左)和信号处理部分 (虚线以右)。光纤光栅传感器感应声发射信号，将波信号转化为光信号。其中，Y型光纤耦合器的A端口与光源相连接，B端口与信号处理部分的光电转换电路相连接，C端口与FBG 传感器相连接。信号处理部分对接收到的光信号进行解调、光电转化后，由FPGA对信号数据进行分析处理。具体是由FBG传感器、光纤耦合器、光源、隔离器、光电转换电路、放大电路、滤波电路、模数转换电路、FPGA信号处理模块、计算机等组成。窄带光源输出的光通过隔离器，从光纤耦合器的A端口进C端口出，到达FBG传感器，大部分光被FBG反射后，又从端口 C返回光纤耦合器，一半的光从B端口出射后被隔离器阻隔，另一半的光从A端口输出，进入光电转换电路转换为电信号，再依次经过放大电路、滤波电路、模数转换电路，进入FPGA进行数据综合处理，最后数据经过PCI总线进入计算机。如图2所示，本发明实施例为光纤布拉格光栅声发射传感系统的模拟金属试件损伤信号检测实验，光纤光栅传感器检测模拟损伤产生的声发射事件。信号源产生模拟声发射信号作用于铝板，FBG传感器接收到铝板中的声发射波信号，以光信号的形式传输到光纤光栅声发射检测仪机箱，信号经过综合处理，最后进入计算机。本发明实施例中，传感系统的基本原理如下当金属试件受到拉伸或弯曲时，在受力达到一定程度时，试件会萌生裂纹进而扩展直至断裂，在这整个过程中，会产生声发射信号。这些声发射信号以应力波的形式传播开来，FBG传感器受应力波振动影响，光栅的有效折射率发生周期性改变，影响光栅的中心波长发生漂移，从而使反射光强随着应力波的变化频率发生周期性改变。光源发出的光通过隔离器和耦合器，被光栅反射后，再经过耦合器，通过光电转换和放大、滤波电路后进行分析处理。本发明实施例中的FBG传感器中，用到的光纤布拉格光栅，中心波长1563nm，3dB 带宽0. 20nm。由于裸光纤光栅纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程实际中遇到了布设工艺上的难题。因此，还应对裸FBG进行保护性封装，尤其是对栅区、光纤接头焊点及引纤加以保护，以提高光纤光栅传感器的使用寿命。有机玻璃封装的传感器与被检件之间添加耦合剂，如凡士林，水，黄油等，以填充接触面之间的微小空隙。通过耦合剂的过渡作用，能使传感器与检测表面之间的声阻抗差减小，从而减少能量在此界面的反射损失。另外，耦合剂还起到润滑的作用，减少接触面间的摩擦，减少传感器与试件表面的摩擦以及声波传导过程中的损耗。光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换，以便在光纤中传输。本发明实施例选用的是线宽窄功率高的可调谐窄带DFB光源，中心波长在C波段内，3dB带宽小于0.05nm，功率大于5mW，调谐带宽为士 1.5nm。它具有非常好的单色性， 即光谱纯度，以及具有非常高的边模抑制比。另外还具有动态单纵模窄线宽输出、波长稳定性好等优点。光电转换电路是光纤传感中的重要的组成部分，它能把光信号转化为电信号，它的性能直接影响传感系统的性能。考虑到光信号从光源经过一系列光纤通路后反射到光电探测器的光功率通常都在nW量级，以及光信号的波长范围c波段和光电转换速度的要求， 本实施例使用光伏探测器。光伏探测器具有多种类型，常用的包括硅光电池、普通硅光电二极管、雪崩光电二极管APD和PIN光电二极管。其中InGaAs半导体PIN光电二极管由于偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点而被本实施例所采用。光纤光栅检测中，由于振动引起的光强变化十分微弱，经光电二极管转换后的光电流也十分微弱，所以需要放大电路对信号进行放大。此放大电路的作用就是提高整个检测系统的信噪比，具有高增益低噪声的特点。放大电路的输入与光电转换电路的输出相连接。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。信号在放大电路和滤波电路中都是模拟电信号。滤波电路的输入与放大电路的输出相连接。模数转换(A/D)电路，是将模拟信号转变为数字信号。模数转换一般要经过采样、 保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，采样和保持、量化和编码在转换过程中是同时实现的。数字化后的电信号进入信号处理模块，由主处理器进行采集运算与处理。本实例用到的是FPGA，即现场可编程门阵列，也可以用CPLD、DSP等作为处理器。FPGA是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。再利用硬件描述语言(Verilog或VHDL)完成的电路设计，经过简单的综合与布局，烧录至FPGA上，从而实现控制数据采集、A/D转换以及PCI 数据传输的功能。FPGA处理后的信号通过PCI总线进入计算机，计算机上的采集及界面显示软件将收到的信号显示出来，包括波形及特征参数。 如图3所示为FPGA信号处理流程。FPGA的控制模块控制AD转换电路和FIFO缓冲器，转换后的数字信号存储在FIFO中，控制模块从FIFO中读取数据进行处理，运算结果存储在RAM中，最后通过PCI接口模块由PCI总线进入计算机。 用正弦波、模拟声发射(AE)波、铅笔芯折断信号波这三种模拟裂纹声发射源波形模拟裂纹声发射信号，在图2所示系统上进行测试实验，采集到的波形如图4，图4中a是本发明实施例光纤光栅声发射检测系统的波形检测图，b是压电陶瓷声发射检测系统的波形检测图。上中下三行的图形所对应的模拟裂纹声发射源波形分别是正弦波、AE波、铅笔芯折断信号波。从正弦波和AE波波形图可以看出，光纤光栅声发射检测系统的检测性能基本达到现有成熟的压电陶瓷检测系统性能水平，从断铅波形图可以看出，光纤光栅声发射检测系统的灵敏度和响应速度优于压电陶瓷检测系统。
权利要求
1.一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于包括光纤光栅传感部分和信号处理部分；光纤光栅传感部分包括FBG传感器、光源、隔离器、Y型光纤耦合器； 信号处理部分包括光电转换电路、放大电路、滤波电路、A/D电路和FPGA ；其中FBG传感器由胶紧固在封装材料，封装的FBG传感器与被检件之间添加耦合剂；所述光源为可调谐窄带 DFB光源，谱宽小于0. 05nm ；光源经过隔离器与Y型光纤耦合器的A端口相连接；光纤耦合器的B端口与信号处理部分的光电转换电路相连接，光纤耦合器的C端口与FBG传感器相连接；光源输出的光通过隔离器，从光纤耦合器的A端口进C端口出，到达FBG传感器，符合光栅中心波长的光被FBG反射后，又从C端口返回Y型光纤耦合器，一半的光从端口 B出射后被隔离器阻隔，另一半的光从A端口输出，进入光电转换电路转换为电信号，再依次经过放大电路、滤波电路、模数转换电路，进入FPGA进行数据综合处理，最后数据经过PCI总线进入计算机。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于 所述封装材料为有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于 所述耦合剂为凡士林、水或黄油。
4.按照权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于 所述的光电转换电路为PIN型光电二极管电路。
5.按照权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于 所述信号处理模块经PCI总线在计算机上显示采集的波形与数据。
6.按照权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，其特征在于 所述传感系统的检测范围为50KHz-300KHz，应变分辨力达到2μ ε微应变，响应速度达到 IOMHz以上。
全文摘要
一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统包括光纤光栅传感部分和信号处理部分；光纤光栅传感部分包括FBG传感器、光源、隔离器、Y型光纤耦合器；信号处理部分包括光电转换电路、放大电路、滤波电路、A/D电路和FPGA；FBG传感器由胶紧固在封装材料，封装的FBG传感器与被检件之间添加耦合剂。本发明具有检测频带宽，检测范围达到50KHz-300KHz；灵敏度高，应变分辨力达到2(με)微应变；响应速度快，达到10MHz以上；传输距离远，光纤的低损耗传输使得检测现场与监控现场可以距离很远；抗电磁干扰、抗震动、抗潮湿、抗腐蚀等能力很强，使得此套系统在恶劣环境中也能长期正常地使用。并且本发明以光纤材质制作的传感器具有质量轻、体积小、埋入性好等优点。
文档编号G01H9/00GK102313779SQ201110207340
公开日2012年1月11日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者刘奇, 孙志平, 李宁, 李成贵, 梅盛开, 隋青美, 魏鹏 申请人:中国人民解放军陆军航空兵学院, 北京航空航天大学, 山东大学