单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.精品文档.单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.txt6宽容润滑了彼此的关系，消除了彼此的隔阂，扫清了彼此的顾忌，增进了彼此的了解。第22卷第3期. 传感技术学报. V0122 No3 2009年3月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS Mar2009 SingleModeFiber-OpticCouplingAcoustic EmissionVibrationSensorandApplication JIANGQi。MABin。LJShucai。LJShuchen

2、SchooolofControlScienceandEngineeeringShandongUniversity，Jinan250061，. SchooolofcivilEngineeeringShandongUniversityJinan250061，China Abstract：AcousticemissioncanresultinvibrationphysicalphenomenonA newkindofcouplingfiber-op. ticvibrationsensorisputforwardandusedtodetectacousticsigna1Accordingtothere

3、lationthattheCOU. plrScuplngrtoieiiethelnghhaeadirtorqey，aoutcvbainsnsoreoiaissnstvotetcngnvbainfeunccsiirtoebaeptclfbrtpeouesalzdasgndiealeeeintssefcniersdonoiaieadcplrinayenddeiendtiTh xprmeytmoatlvevirtonedltosstpeolcrcsnonoplniepiirtoesraeprbainaddmouainieuPizeetiesradcuigfbrotcvbainsnora. allle

4、llaidonthecantileverandtestedcomparablyImpulsiveSignalsandPeriodicSignalsareinitiatedand repnefetvleolcrcsnonculnieptcvbainsnoTh xeinasoddefcieybyPizeetiesradopigfbroiirtoesreeprmetl reulsswtahenveoplncuticvbatitcfbrsnooudmetterqurmeisthohttolcuigaosironopiieesrcleheientofv. brationmeasurementandhas

5、highsensitivityThroughthetestofrockfailureacoustic，singlemodeoptic fieopigvbainsnosfrhridiaefetvnrciatoeetncutcvbrculnirtoesriutenctdaefcieadpatclmehdofdtcigaosiibrtoTh eutppoetahesriodqaiy，hgniitreealtaytarct，ainerslsarvhttesnosgoultihatnefrbiiy，esofbiaeconvenienttouseandhaslargeapplicationmarkets.

6、 Keywodsaotcesiigldefbrirtonsnorcpigrto；r kr：cusimison；snemoie；vbaies；oulnaiocEEACC：7230E；7820眦单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究* 蒋奇，马宾，李术才，李树忱. (1山东大学控制科学与工程学院济南. 2500061；2山东大学岩土与结构工程研究中心，济南. 2500061)摘要：根据声发射引起的扰动振动现象，提出采用单模光纤耦合器检测振动的声发射探测技术。单模光纤耦合传感器耦合输出与传感器耦合区长度和振动频率有确定的函数关系分析和设计了熔锥耦合型单模光纤声发射振动传感器，搭建了相应的等强度悬臂梁振

7、动监测及解调系统，通过与当前使用的压电振动传感器的室内实验，对比测试冲击信号和周期信号，验证了该传感器能有效实现振动扰动的检测。结合岩石试件破裂实验，进步验证光纤耦合声发射振动传感器是能实现岩石声发射检测的一种新的检测技术方法。光纤耦合振动传感器以其灵敏度高，制作简单，抗干扰能力强，性价比高，使用简单等优点在其他光纤传感器和传统的电类传感器中，具有不可比拟的应用前景。关键词：声发射；单模光纤；振动传感器；耦合；岩石中图分类号：TP253；TP21213文献标识码：A文章编号：l00041699(2OO9)O3一O34O-O5声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的一种现象，有时也称为应

8、力波发射。材料在应力作用下直接产生变形与裂纹扩展，以致引起结构失效，这是一种直接声发射源；另一种是与变形和断裂机制无直接关系的弹性波源，如流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等，常被称为间接或二次声发射源。声发射是一种常见现象，其信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频，2OHz20kHz的声频到数MHz的超声频；幅度变基金项目：国家自然基金仪器专项资助(50727904)；教育部博士点基金资助(2000704222105)；山东省自然科学基金资助(Q20007F06)收稿日期：200080930修改13期：2008一l1一O4第3期蒋奇，马宾等：单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究. 341化也很大，从.

9、 10。的微观位错运动到. 1 rn量级的地震波等。近些年来，根据特殊场合声发射引起扰动、振动检测的需要，结合光纤传感技术的特点，国内外研究人员设计了多种多样的用于声发射检测的光纤传感器，如基于各种光纤干涉仪的振动传感器，偏振态调制型的光纤声传感器，基于光偏转法原理的传感器，基于光纤耦合器的声振动传感器等，其中，在光纤通信中的成熟的光纤耦合技术基础上，研制成一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器，以其测量频带宽，灵敏度高，解调、制作成本低，制作简单等优点，越来越受到重视。本文以单模光纤耦合器为基本结构，进行器件特殊设计与封装，在分析光纤耦合振动传感机理的基础上，改变单模光纤耦合器的熔融拉

10、锥过程中的结构参数(如耦合长度和耦合区折射率变化)，使之对外界声发射振动有较高灵敏的响应，从而实现对振动参数的监测，并利用该传感器进行了岩石材料的声发射扰动监测验证。1光纤耦合声发射传感原理与分析单模光纤耦合声发射振动传感器的制作过程跟单模耦合器的制作过程相类似，将两根相同的单模光纤中部的涂覆层剥去，酒精清洗干净，平行置于熔融拉锥机中，放在高温下进行加热熔融，同时通过夹具向光纤的两端拉伸，当拉伸达到一定长度，两光纤之间就会发生能量的交换，最终在光纤的加热区形成双锥形式的特殊波导结构. _】。由于熔融拉伸使加热区的直径逐渐减小，耦合器的性能参数也会随之不断发生变化，形成以包层为纤芯，芯外介质作为

11、新包层的新的复合光波导结构。如图. 1所示。图l熔锥形光纤耦合器结构示意当入射光进入输入端，随着两个光波导逐渐靠近，两个传导模开始发生重叠现象，光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从. “直通臂”继续传输，另一部分则由“耦合臂. ”传到另一光路。可以假设，光波最初从一个光纤输人，传输一定距离后，这部分光就会逐渐交换到另一光纤内传输，然后又会逐渐返回到最初的光纤中传输，整个传输过程随耦合距离呈周期性的变化与能量交换。关于该种耦合传感器的耦合模理论，在很多文献中都有分析 2，这里不再给出。当声发射产生的扰动或振动在传感器的耦合区传播时，会引起耦合区长度和折射率的周期性变化。这种变

12、化对耦合区光功率的传播产生影响，导致耦合传感器的输出随振动信号的变化而改变。在外界扰动、振动的作用下，耦合传感器输出端的差动输出功率与入射光功率的关系可以表示为E。一. zT?厂-sin( )cOs2 ( (1)式中，M是扰动造成的耦合常数变化的幅值，为归一化频率，厂为扰动或振动信号的频率，. z为耦合区长度。可知，耦合输出是耦合器长度和振动频率的函数。对应的耦合区长度愈长，传感器的灵敏度越高，但传感器的截止频率就会越低。所以为了使传感器具有较高的灵敏度和较大的频响区间，试验中要选取合适的传感器耦合区长度。言o 0图2光纤祸舍输出端随耦舍长度的功率变化2光纤耦合声发射实验分析及应用. 21耦合

13、器振动实验系统由上分析可知，通过对光纤耦合传感器输出变化的测量可实现对扰动振动信号的检测。当振动频率较低时，由于振动传导在介质内的振动波长较长，振动对耦合区的折射率的变化影响并不明显，振动对耦合输出的影响主要表现为通过特定的结构使振动引起耦合区长度的改变，从而导致耦合输出的变化。而高频振动信号引起耦合输出的主要表现为振动引起耦合区折射率的变化，导致耦合系数发生变化。根据光纤耦合器的工作原理，设计了由光源，单模光纤耦合传感器，光电转换，差动接收放大电路，滤波器和信号处理单元几部分组成的扰动振动检测系统，如图3所示，图中。和分别为耦合器两个端口的解调输出电压，激光光源发出的光进入耦合型光纤振动传感

14、器，传感器的两个输出臂发出的光通过光电二极管接收。对光电转换后的信号进行比较放大，目的是为了抵消光源输出功率的波动和342传感技术学报. 2009生外界噪声信号对测量结果的影响。然后对放大后的电信号进行滤波和. AD转换，进入计算机进行信号的显示及进一步分析处理。图3光纤耦合器振动检测系统框图系统光源采用. F PID半导体激光器，工作波长为. 13 10nm，输出光功率为. 3mw。放大电路前端采用. AP 0917TP光电二极管，响应时间为. 03ns，最大额定电流为. 5mA，保证测量转换电路的快速响应。由于光电转换后信号的电压信号微弱，并且光源的输出功率波动也会对输出电压产生影响，所以

15、，在光电转换后的接收端采用差动放大电路，可以有效地防止光源功率波动和其他干扰对输出结果的影响，放大后的信号通过低通滤波器消除信号中的高频噪音信号。AD转换模块采用研祥公司生产的. ADLI NK2205型AD转换卡，采样速率为. 5 00 kHz，分辨率为. 1 2bit。. 22光纤耦合器振动检测实验及分析该耦合型光纤声发射振动传感器是以熔融拉锥型单模光纤耦合器为基础制作的一种光纤振动传感器件，根据耦合器的耦合输出比对耦合区的应变敏感的特性，可将耦合器粘贴在被测物体上实现对被测对象振动的测量，如图4。实验中，我们选择带测重砝码的等强度悬臂梁作为振动测试对象，将梁的中部用酒精搽洗干净，用环氧树

16、脂将光纤耦合传感器和压电振动传感器粘贴在横梁的上面，粘贴时要保证它们在梁上的纵向位置相同，横向靠近且方向一致，避免因梁剪切应变引起的测量误差。压电振动传感器选择的是专门用于振动和加速度测量的. YJ9A型传感器，测量频率范围是. 11 0kHz，测量加速度最大为20 00ms。通过该压电振动传感器和光纤耦合振动传感器探测感应同样的扰动信号，对比测试，分析它们的动态性能。采用冲击激励来检验光纤耦合振动传感器和压电振动传感器的响应，图5是单模光纤耦合器的时域(上图)和频域(下图)分布图。图6是压电传感器的时域(上图)和频域(下图)分布图。由此可知，二者都能够很好地测试分离振动信号的时、频域波形，且

17、频率响应基本一致。在同样地冲击激励下光纤耦合振动传感器的最大幅值响应达到26V，比压电图4振动对比实验装置传感器23V的响应高出13。耦合传感器响应快，灵敏度更高些，具有较高的阻尼比，振动响应的持续时间较短，信号收敛的较快。从它们频域谱图中我们可以看出，压电传感器测出的悬臂梁的最大幅值响应频率为. 9 27Hz，稍低于耦合传感器测出的9 31Hz的最大幅值响应频率，这是由于压电传感器自身的重量在测量中增加了悬臂梁的重量，使系统的响应频率发生偏移，而耦合传感器因其质量非常轻，在测量过程中对测量对象产生的影响可以忽略不计，因而，所得到的悬臂梁的基频频率更接近于实际值。图5光纤耦合振动传感器的冲击响

18、应时域(上图)和频域(下图)曲线图6压电振动传感器的冲击响应时域(上图)和频域(下图)曲线将耦合型光纤振动传感器和压电振动传感器固. 定在等强度悬臂梁上，通过激振器对悬臂梁施加第3期蒋奇，马宾等：单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究. 343 20Hz的周期振动信号。保持激振器的输出振幅不变，所测得的结果如图. 7 (a)，7(b)所示。由此可看出，光纤耦合振动传感器的响应与压电振动传感器的响应基本吻合，其幅值大于压电传感器的幅值响应，这说明光纤传感器比压电传感器具有更高的灵敏度。图7 (a)光纤耦荷传感器的周期振动信号时域(上图)和频域(下图)分布曲线. M 180 I“J I柏 120呈8

19、06订 40 J20 图7 (b)压电振动传感器的周期振动信号时域(上图)和频域(下图)分布曲线利用单模光纤耦合传感器和压电振动传感器，我们比较了它们对同一岩石破裂产生的声发射振动测试，图8( a)是现场选用花岗岩石经过打磨后，再经过单轴压力机长时间逐步加载实验后的破裂现象。图8 (b)是单模光纤耦合振动传感器连续检测到图. 8 (a)岩石破裂过程的声发射时域信号，图. 8 (c)是压电振动传感器连续检测到图. 8 (a)岩石破裂过程的声发射时域信号。对比分析，可知单模光纤耦合振动传感器对岩石破裂的声发射监测响应更灵敏，监测到信号持续时间更长，当然，由于传感器在岩石上敷设的位置稍有不同，声发射

20、引起的振动响应也稍有不同。3结束语对目前声发射检测的发展，本文研究一种新的图8 (a)真实岩石破裂实物图8 (b)光纤耦合器监测的岩石破裂声发射信号. 0 200 400 600 800 1000时间( ts)图8 (c)压电振动传感器监测的岩石破裂声发射信号单模全光纤耦合传感器，来实现声发射引起的振动扰动检测。分析了单模光纤耦合振动传感器的机理，根据光纤耦合输出是耦合区长度和振动频率的函数原理，制作了耦合型全光纤振动传感器。搭建了包括激光光源，传感器，解调电路，信号处理几部分组成的振动测量系统。通过室内等强度悬臂梁振动测试，与当前的压电振动传感器结果进行比较，其效果更好，灵敏度更高。通过岩石

21、试件破裂实验，进一步验证光纤耦合声发射振动传感器能实现岩石的声发射检测，本文的光纤耦合型传感检测系统能有效消除光源功率的波动、光纤传输损耗的变化、光探测器灵敏度的漂移，比其他类别的光纤振动传感器更好地解决测量干扰问题，其本身由于光纤质轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、易于组建网络，集信号传感与传输于一体的特点更优于传统的电振动传感器。尤其野外干扰严重，强磁场和易燃易爆等恶劣环境下的高精确度、高速度和安全的远距离检测，可有效应用在岩土，矿山，建筑，石化，电344传感技力等领域，具有广阔的应用前景。参考文献：. Eli ChangJ，MaI，uT，eta1FiberOpticVibrat

22、ionSensor BasedonOver-CoupledFusedCouplerelInternationalSo. cietyforOpticalEngineeering，20076595142. 2Zy，SSai，adW Srie，C pedutons HahkrntefrouldMoeEqaifr2WekyGudnigeMoeFiesJOpisLtr，oaliigSnl-dbrtcees1986，l1(5)：324-326. 3nifn，G hnfnTeFvtclFbr HogLegeCueghulllWaeOpiaieCoupleroftheFusedTaperedJAetaPhys

23、icalSinica，2003. 52(2)：390394. 4袁振明声发射技术及其应用M北京：机械工业出皈社，. 1985蒋奇(1973一)，男，博士后，副教授，研究生导师20003年3月在天津大学，获得工学博士学位，20003年7月在山东大学控制学院工作，20004年. l2月至20 007年3月中石化胜利油田企业博士后研究研究方向为智能诊断与新型检测，检测技术，光纤传感技术主持承担国家项目3项和省部级项目6项，参与国家和省部级项目多项，在国内外刊物发表论文5O余篇，被SCI、EI检索收录2O余篇，ISTP收录5篇，获得国家授权专利16项，待批专利2项，inqsueucjagiddn 术学

24、报. 2009血Esofffeiiag-cletlnerrrgtedGeryAC，PhlpJNLreSaeRmoeyItoaArrrasobrOptcItreotrSosfrUndrtryfFieinefrmeeensroewaeAcosipiainIEESsrJuna，0331：utcAplct0sJEenosorl20，()1929. 6CrnhGA，KiknaCKLreSaeRmoeyPmpd acredlllag-cletlueandInterrrogatedFiberOpticInterferometricSensorArrrays JIEhtncehooyLe，0347：44EEPooisTcnlgetttr20，()41437baiTkbsieeometfnOpiaiedoNoukaaahDvlpnoatclFbrHyr. phnihFbrBagGrtnIJUlrsnc，003：oewtiergaig-3taois20，8581585. 8李川，张以谟，刘铁根等熔锥光纤耦合器的温度响应J传感技术学报，2001，9(3)：196199. 9李丽，林玉池，沈小燕光纤. Braggg光栅在动态应变测量中的研究. J传感技术学报，20007，20(5)：994997