[发明专利]一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统

说明书

技术领域

本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统。

背景技术

声发射是一种应用日趋广泛的现代无损检测和结构材料研究的新技术，它的原理是，受力构件的材料内部在损伤缺陷萌生扩展过程中会释放塑性应变能，应变能以应力波形式向外传播扩展，这种现象即称声发射现象。声发射技术就是采用高灵敏度的声发射传感器安装于受力构件表面形成一定数目的传感器阵列实时接受和采集来自于材料缺陷的声发射信号，进而通过对这些声发射信号的识别、判断和分析等，对材料损伤缺陷进行检测研究，对构件强度损伤、寿命等分析和研究。形象地比喻这是一种听声技术，即像医生用听诊器对人体听声来诊病一样，通过听材料内部故障声音声发射来对构件诊断和研究。

光纤光栅是20世纪90年代发展起来的新型光电子器件，经过10多年的发展，光纤光栅的制作技术日趋成熟，系统应用不断拓展。由于光纤光栅的敏感变化参量为光的波长，与其他光纤传感器相比，它有许多独特的优势，例如：在一根光纤上可串接多个光栅传感器或在一根光纤上可以同时刻多个光栅，单独寻址；抗电磁干扰能力强；不受光源、传输线路损耗等因素所引起的对光强度变化的干扰；体积小，可以置于结构内；它的测量是绝对值，不需要校零；灵敏度高；抗潮湿、抗腐蚀能力强，可以在恶劣环境中长期使用。

现有的光纤光栅传感系统如中国专利ZL201010273400.1“一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统”、ZL200910024155.8“一种光纤光栅应力监测系统”等，都是将光纤光栅用作温度和应力传感器；现有的声发射检测系统如中国专利CN2724019Y“一种基于声发射的地震、滑坡监测系统”等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，还没有比较成熟的光纤光栅检测声发射信号的传感系统。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤光栅传感器引入声发射检测领域，提供了一种匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统的方案，该系统具有检测精度高、灵敏度高、相应速度快、传输距离远、抗电磁干扰能力强的特点。

本发明的技术方案：一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统，所述传感系统包括：宽带光源，第一、第二光纤耦合器，光纤布拉格光栅，可调谐光纤布拉格光栅滤波器，第一、第二光电探测电路，模数转化电路，FBGA、计算机；其中，第一光纤耦合器的A端口和C端口分别连接宽带光源和光纤布拉格光栅，B端口连接第二光纤耦合器的D端口；第二光纤耦合器的E端口通过可调谐光纤布拉格光栅滤波器与第一光电探测电路相连接，F端口直接与第二光电探测电路相连接；宽带光源发出的宽带光经过第一光纤耦合器到达光纤布拉格光栅，被光纤布拉格光栅反射后，符合光栅布拉格波长的窄带光返第一回光纤耦合器后出射；通过第二光纤耦合器后光被均匀分为两路，其中一路通过可调谐光纤光栅滤波器后，通过第一光电探测电路，另一路直接通过第二光电探测电路；两路光经过第一光电探测电路及第二光电探测电路光电转化后，输入模数转化电路后生成两路电信号，两路电信号进入FPGA进行解调，得到波长漂移信息，最后经过计算机分析运算得到光纤布拉格光栅检测到的声发射信号波形，在计算机上得以显示。

进一步的，所述宽带光源为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。

进一步的，所述第一、第二光纤耦合器为3dB光纤耦合器，分光比为50∶50。

进一步的，所述可调谐光纤布拉格光栅滤波器，要与传感光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽等参数基本一致，中心波长相差0.1nm。

进一步的，所述的第一、第二光电探测电路为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。

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大多数都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，灵敏度高，响应速度快，传输距离远，抗电子干扰能力强。相比功率型光纤光栅声发射传感系统，本发明所述的系统方案，是利用匹配光栅法，解调波长漂移的信息，从而得到原始声发射波的信息，检测的是光波长而非光功率，光波长信息不受光传输过程中光功率损耗的影响，因而检测精度更高、分辨力更大，噪声更小。

附图说明

图1是匹配型光纤布拉格光栅声发射信号传感系统的原理图；