一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统

 CN 102313779 B

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。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。

本专利涉及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。

图 1 本发明实例结构示意图

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。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。

图 2 本发明实例进行探测的示意图

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。

图 3 FPGA信号处理流程图

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。 

本发明具有如下优点：

 

（1）检测频带宽，检测范围达到50kHz-300kHz；

（2）灵敏度高，应变分辨力达到2微应变；

（3）响应速度快，达到10mHz以上；

（4）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；

（5）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；

（6）传感器以光纤材质制作，质量轻、体积小、埋入性好。