基于熔锥耦合型光纤声发射传感技术的研究.pdf

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1、2014焦仪表技术与2014第10期InstrumentTechniqueNo．10基于熔锥耦合型光纤声发射传感技术的研究胡志辉，朱永凯，昂洋，邹洁(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210000)摘要：通过分析单模光纤耦合传感器耦合输出与振动频率和传感器耦合区长度的函数关系，设计和分析了熔锥耦合型单模光纤声发射传感器，搭建了对应的振动测量和解调系统，试验表明该传感器对高频振荡信号15—200kHz具有良好的频率响应。该单模光纤声发射传感器具有结构简单、成本低以及不受温度漂移影响的优点。可广泛应用于复合材料、结构健康监测或电力无损检

2、测等领域。关键词：单模光纤；声发射；耦合器；振动测量中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1002—1841(2014)10—0010一o4ResearchofOpticalFiberAcousticEmissionSensorsBasedonFiberFusedTaperedandCouplerTechniqueHUZhi—hui，ZHUYong—kai，ANGYang，ZOUJie(CollegeofAutomation，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanji

3、ng210010，China)Abstract：Consideringthatthesingle—modefiber—coupledsensor’Scoupledoutputwassensitivetocouplingregionlengthandvibrationfrequenciesandtherewasadeterminedfunctionbetweenthem，anexperimentsystemofthecorrespondingvibrationmoni—totinganddemodulationwassetupandth

4、eresponseofthesensortothehigh-frequencyperiodicsignalwhose~equencywasbe—tween15to200kHzwastestedwel1．Thefiber-coupledsen~ordescribedhassomeadvantagessuchassimplestructure，lowcost，andwithoutthechangewhenthetemperaturedrifted．Ithasgoodapplicationprospectsincompositemateri

5、alsandstructures，elec—tricalnon．destructivetestsandSOon．Keywords：single—modefiber；acousticemission；couplingratio；vibrationmeasurement0引言结构的熔融拉锥型光纤耦合器，以图1的传感器模型为例，具声发射(acousticemission，AE)又被称做应力波发射，是材有2个锥形部分(每段各约2mm长)，耦合区(直径约10m，料中局域源由于快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现长约2mm)。用毛细玻璃管(内径0

6、．5mm，外径0．7mm，长约象⋯。在外部条件下，固体的缺陷或者潜在缺陷改变状态而自55mm)封装拉制成的耦合器，用瞬干胶固定，制成单模光纤耦动发出瞬态弹性波的现象也称为声发射。在复合材料结构、材合声发射传感器。料研究和压力容器评价等方面的研究与应用已经取得了很明显的成果。传统的压电类陶瓷声发射传感器受电磁干扰比较—只严重，处于强电场环境下其有效性会受到很大的影响，因此研—究基于光纤声发射的检测技术具有重要意义。光纤声发射传感器有干涉型，如迈克尔逊、马赫一曾德尔、法布里一帕罗和塞区格纳克干涉仪。J。但制作成本相对较高，现场安装比较复图

7、1光纤声发射传感结构示意图杂、易受温度波动等环境因素的影响。J。也有基于光学反射假设一个光纤耦合器的横截面是圆形的，且插入损耗低，和多涂层等技术的超声检测传感器一，同样存在条件要求苛从耦合器输出光的功率可表示为J：刻、结构复杂、不实用等缺点。本文以单模光纤耦合器作为基本结构，在分析光纤耦合振动传感机理的基础上，进行器件设Pl(f)=Pocos2{I￡c㈤出)(1)计与封装，通过改变熔融拉锥单模光纤耦合器过程中的结构参P：(z)=P0sin2(c(z)出)(2)数(如耦合区折射率和耦合长度的变化)，从而对外界声发射的振动有着很灵敏的响应

8、，实现对相应振动参数的准确监测。P(Z)+P2(Z)=Po(3)1光纤耦合声发射传感结构及原理分析式中：P，P2和尸0分别为输出光功率和输入光功率；z为耦合区单模光纤耦合声发射传感器的核心是一个具有特殊长度的长度；C(z