[发明专利]一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统

说明书

技术领域

本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统。

背景技术

金属材料或复合材料因受力产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能的现象，称为声发射。声发射技术就是采用高灵敏度的声发射传感器实时采集这些来自于材料缺陷的声发射信号，并通过对这些声发射信号的分析处理，来了解材料缺陷的发展情况，以实现对材料健康状况的监测。由于声发射技术的动态性、敏感性、整体性、普适性等优点，使得它在航空、航天、地震监测以及金属加工等方面有广泛的应用。

光纤布拉格光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内产生周期性变化的折射率分布，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜。宽带光进入光纤布拉格光栅，只有满足其反射条件的很窄的光才能被光纤布拉格光栅反射回去。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，光纤布拉格光栅一经问世，便在光纤传感领域发挥重要作用，并在高速公路、桥梁、矿山、地质勘探、铁路、石油/天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。

现有的光纤光栅传感系统如中国专利CN200920129512.2“一种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系统”、CN200610130121.3“光纤光栅传感系统”都可以同时测量温度与应变；现有的光纤声发射检测系统如中国专利CN201110207340.8“一种基于光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统”等声发射检测系统适于在恒温环境下检测，若环境温度变化较大，则会影响光纤布拉格光栅检测精度。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，将光纤布拉格光栅引入声发射领域，提供了一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，该系统具有检测灵敏度高、不受电磁干扰、适于动/静态检测、适于恒温/变温环境工作等特点。

本发明的技术方案：一种自带温度补偿的匹配型光纤光栅声发射传感系统，所述传感系统包括：泵浦源，光波分复用器，掺铒光纤，第一光隔离器，第一光纤耦合器，第一光纤布拉格光栅，第二光隔离器，第二光纤耦合器，第二光纤布拉格光栅，光电探测电路，前置放大电路，模数转换电路，FPGA，计算机；其中，第一光纤耦合器的A端口与第一光隔离器相连，B端口与第一光纤布拉格光栅相连，C端口通过回路接入光波分复用器，D端口接第二光隔离器；其中，第二光纤耦合器的E端口接第二光隔离器，F端口接光电探测器，G端口接第二光纤布拉格光栅，H端口空置；泵浦源发出的泵浦光被光波分复用器引入光路，进入掺铒光纤，经过掺铒光纤放大后，通过第一光隔离器进入第一光纤耦合器的A端口，此处光被分为两路，一路通过端口B进入第一光纤布拉格光栅，只有符合第一光纤布拉格光栅中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并经端口C进入光路（进入端口A的光被第一光隔离器隔离），经过多次循环后，光路最终具有稳定的输出波长与功率；另一路光通过端口D经第二光隔离器到达第二光纤耦合器的E端口，分为两路，一路进入空置端H，另一路通过G端口进入第二光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅接收到外界声发射信号，中心波长发生相应的漂移，只有符合第二光纤布拉格光栅中心反射波长的窄带光可以被反射回去，并通过F端口到达光电探测电路（通过E端口的光被第二光隔离器隔离），此处光信号被转换为电信号，再经过前置放大电路放大，进入模数转换电路转换为数字信号输出，经FPGA采集、滤波、解调后，在计算机上得到分析与显示。

进一步的，所述泵浦源为泵浦光源，中心波长为974.54nm，峰值功率为6.77dBm。

进一步的，所述掺铒光纤线长20m，芯径3μm。

进一步的，所述第一光纤耦合器，分光比为40:60，进入第一光纤布拉格光栅的B端为40，用于光路输出的D端为60；第二光纤耦合器，分光比为50:50，进入空置端H和第二光纤布拉格光栅的G端口的光的比例相同。

进一步的，所述第一光纤布拉格光栅为可调谐光栅，要与用于传感的第二光纤布拉格光栅相匹配，反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度灵敏系数参数一致，中心波长相差0.1nm。

进一步的，所述的光电探测电路为半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。

进一步的，所述的前置放大电路，信噪比50dB以上，带宽20-1200KHz。