專利名稱：一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
聲發(fā)射是一種應(yīng)用日趨廣泛的現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)材料研究的新技術(shù)，它的原理是，受力構(gòu)件的材料內(nèi)部在損傷缺陷萌生擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)釋放塑性應(yīng)變能，應(yīng)變能以應(yīng)力波形式向外傳播擴(kuò)展，這種現(xiàn)象即稱聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)就是采用高靈敏度的聲發(fā)射傳感器安裝于受力構(gòu)件表面形成一定數(shù)目的傳感器陣列實(shí)時(shí)接受和采集來(lái)自于材料缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)這些聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別、判斷和分析等，對(duì)材料損傷缺陷進(jìn)行檢測(cè)研究，對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度損傷、壽命等分析和研究。形象地比喻這是一種聽聲技術(shù)，即像醫(yī)生用聽診器對(duì)人體聽聲來(lái)診病一樣，通過(guò)聽材料內(nèi)部故障聲音聲發(fā)射來(lái)對(duì)構(gòu)件診斷和研究。光纖光柵是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新型光電子器件，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，光纖光柵的制作技術(shù)日趨成熟，系統(tǒng)應(yīng)用不斷拓展。由于光纖光柵的敏感變化參量為光的波長(zhǎng)，與其他光纖傳感器相比，它有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如在一根光纖上可串接多個(gè)光柵傳感器或在一根光纖上可以同時(shí)刻多個(gè)光柵，單獨(dú)尋址；抗電磁干擾能力強(qiáng)；不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對(duì)光強(qiáng)度變化的干擾；體積小，可以置于結(jié)構(gòu)內(nèi)；它的測(cè)量是絕對(duì)值，不需要校零；靈敏度高；抗潮濕、抗腐蝕能力強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期使用?，F(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)如中國(guó)專利ZL201010273400. 1“一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測(cè)系統(tǒng)”、ZL200910024155. 8 “一種光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”等，都是將光纖光柵用作溫度和應(yīng)力傳感器；現(xiàn)有的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)如中國(guó)專利CN27M019Y “一種基于聲發(fā)射的地震、滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”等聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中所用的聲發(fā)射傳感器都是基于壓電陶瓷材料制作的，還沒有比較成熟的光纖光柵檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的傳感系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服已有的技術(shù)局限，將光纖光柵傳感器引入聲發(fā)射檢測(cè)領(lǐng)域，提供了一種匹配型光纖布拉格光柵聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、靈敏度高、相應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，所述傳感系統(tǒng)包括寬帶光源，第一、第二光纖耦合器，光纖布拉格光柵，可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器，第一、第二光電探測(cè)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，F(xiàn)BGA、計(jì)算機(jī)；其中，第一光纖耦合器的 A端口和C端口分別連接寬帶光源和光纖布拉格光柵，B端口連接第二光纖耦合器的D端口 ；第二光纖耦合器的E端口通過(guò)可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器與第一光電探測(cè)電路相連接，F(xiàn)端口直接與第二光電探測(cè)電路相連接；寬帶光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器到達(dá)光纖布拉格光柵，被光纖布拉格光柵反射后，符合光柵布拉格波長(zhǎng)的窄帶光返第一回光纖耦合器后出射；通過(guò)第二光纖耦合器后光被均勻分為兩路，其中一路通過(guò)可調(diào)諧光纖光柵濾波器后，通過(guò)第一光電探測(cè)電路，另一路直接通過(guò)第二光電探測(cè)電路；兩路光經(jīng)過(guò)第一光電探測(cè)電路及第二光電探測(cè)電路光電轉(zhuǎn)化后，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)化電路后生成兩路電信號(hào)， 兩路電信號(hào)進(jìn)入FPGA進(jìn)行解調(diào)，得到波長(zhǎng)漂移信息，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析運(yùn)算得到光纖布拉格光柵檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)波形，在計(jì)算機(jī)上得以顯示。進(jìn)一步的，所述寬帶光源為ASE寬帶光源，中心波長(zhǎng)1550nm，3dB帶寬30nm。進(jìn)一步的，所述第一、第二光纖耦合器為3dB光纖耦合器，分光比為50 50。進(jìn)一步的，所述可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器，要與傳感光纖布拉格光柵相匹配， 反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數(shù)基本一致，中心波長(zhǎng)相差0. lnm。進(jìn)一步的，所述的第一、第二光電探測(cè)電路為半導(dǎo)體InGaAs PIN型光電二極管電路。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)有的光纖光柵傳感器大多數(shù)都是檢測(cè)溫度和應(yīng)力的，而本發(fā)明檢測(cè)的是聲發(fā)射信號(hào)波，主要用于航空航天器的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)以及重要部件的損傷檢測(cè)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，抗電子干擾能力強(qiáng)。相比功率型光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)，本發(fā)明所述的系統(tǒng)方案，是利用匹配光柵法，解調(diào)波長(zhǎng)漂移的信息，從而得到原始聲發(fā)射波的信息，檢測(cè)的是光波長(zhǎng)而非光功率，光波長(zhǎng)信息不受光傳輸過(guò)程中光功率損耗的影響，因而檢測(cè)精度更高、分辨力更大，噪聲更小。


圖1是匹配型光纖布拉格光柵聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)的原理圖；圖中1、寬帶光源，2、第一光纖耦合器，3、光纖布拉格光柵，4、FPGA，5、計(jì)算機(jī)，6、 可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器，7、第一光電探測(cè)電路，8、第二光纖耦合器，9、第二光電探測(cè)電路，10、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路；圖2是匹配型光纖布拉格光柵聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)斷鉛實(shí)驗(yàn)效果圖；圖加為斷鉛實(shí)驗(yàn)的“幅值-時(shí)間”圖，橫坐標(biāo)時(shí)間/秒，縱坐標(biāo)幅值/毫伏；圖2b為斷鉛實(shí)驗(yàn)的“幅值-頻率”圖，橫坐標(biāo)頻率/Hz，縱坐標(biāo)幅值/dB。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。如圖1所示，本發(fā)明所述的匹配型光纖布拉格光柵聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)包括寬帶光源1，第一、第二光纖耦合器2、8，光纖布拉格光柵3，可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器6， 第一、第二光電探測(cè)電路7、9，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路10，F(xiàn)BGA 4 ；其中，第一光纖耦合器2的A端口和C端口分別連接寬帶光源1和光纖布拉格光柵3，B端口連接第二光纖耦合器8的D端口 ；第二光纖耦合器8的E端口通過(guò)可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器6與第一光電探測(cè)電路 7相連接，F(xiàn)端口直接與第二光電探測(cè)電路9相連接。第一、第二光電探測(cè)電路7、9后還有模數(shù)轉(zhuǎn)化電路10，F(xiàn)PGA 4以及計(jì)算機(jī)5依次連接。寬帶光源1發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器2到達(dá)光纖布拉格光柵3，被光纖布拉格光柵3反射后，符合光柵布拉格波長(zhǎng)的窄帶光返回光纖耦合器2后出射。通過(guò)第二光纖耦合器8后光被均勻分為兩路，其中一路通過(guò)可調(diào)諧光纖光柵濾波器6后，通過(guò)第一光電探測(cè)電路7，另一路直接通過(guò)第二光電探測(cè)電路9。兩路光經(jīng)過(guò)第一光電探測(cè)電路7及第二光電探測(cè)電路9光電轉(zhuǎn)化后，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)化電路10后生成兩路電信號(hào)，兩路電信號(hào)進(jìn)入FPGA 4進(jìn)行解調(diào)，得到波長(zhǎng)漂移信息，最后經(jīng)過(guò)分析運(yùn)算得到光纖布拉格光柵3檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)波形，在計(jì)算機(jī)5上得以顯示。所述寬帶光源1為ASE (放大自發(fā)輻射)寬帶光源。寬帶光源是以摻雜光纖中增益介質(zhì)超熒光譜為基礎(chǔ)的光源，它的激勵(lì)源完全來(lái)自于受激原子的自發(fā)輻射，雖然光纖放大器中沒有諧振腔鏡，這些自發(fā)輻射不能形成激光束，但是，如果發(fā)生在光纖中的自發(fā)輻射能沿光纖傳導(dǎo)，自發(fā)輻射就能被放大，就產(chǎn)生一種背景噪聲，成為放大自發(fā)輻射，從而形成ASE 光源。它有著易于和光柵傳感系統(tǒng)耦合、溫度穩(wěn)定性好、3dB譜寬寬、模式好等一系列優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明所用的寬帶光源在光譜范圍內(nèi)平坦性好，中心波長(zhǎng)1550nm，3dB帶寬為30nm。所述第一、第二光纖耦合器2、8為3dB光纖耦合器，即分光比為50 50。通過(guò)第二光纖耦合器8的窄帶光，被均勻等功率地分為兩束。一束通過(guò)可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器6，為匹配光，另一束不通過(guò)可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器6，為參考光。所述可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器6，要與光纖布拉格光柵3相匹配，中心波長(zhǎng)相差0. Inm,反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數(shù)應(yīng)基本一致。這樣，匹配光與參考光的光譜形狀一致，只是中心波長(zhǎng)有所偏移。通過(guò)這種匹配光柵解調(diào)法，就可以將波長(zhǎng)的偏移量檢測(cè)出來(lái)。第一、第二光電探測(cè)電路7、9將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，是整個(gè)系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵之一。本實(shí)施例所述的傳感系統(tǒng)，光信號(hào)從寬帶光源1經(jīng)過(guò)一系列光纖通路、器件、接口后，光功率損耗比較大，入射到光電探測(cè)器的光功率通常都只有nW量級(jí)；本實(shí)施例又要求高頻高精度的光電轉(zhuǎn)化。本實(shí)施例中用半導(dǎo)體^GaAs PIN光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，它具有偏置電壓低、頻率響應(yīng)高、光譜響應(yīng)寬、光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)例中用到的兩個(gè)光電轉(zhuǎn)化電路完全一樣。模數(shù)轉(zhuǎn)化電路10，將光電轉(zhuǎn)化后的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)。數(shù)字化的電信號(hào)進(jìn)入主處理器進(jìn)行運(yùn)算分析處理。主處理器一般由CPLD、FPGA或DSP以及存儲(chǔ)器等電子器件和寫入的軟件程序組成。主處理器主要進(jìn)行采入數(shù)據(jù)的處理和命令的發(fā)送。本實(shí)施例中應(yīng)用FPGA 4，它具有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳，芯片集成度高，設(shè)計(jì)周期短，開發(fā)費(fèi)用低， 性能穩(wěn)定可靠。如圖2所示為匹配型光纖布拉格光柵聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)斷鉛實(shí)驗(yàn)效果圖。將本實(shí)施例中的光纖布拉格光柵傳感器貼在鋁板上，在鋁板上折斷鉛筆芯，來(lái)模擬產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。所用鉛筆芯直徑0.5mm的HB鉛芯，長(zhǎng)度為2. 5cm，與鋁板成30°角。圖加為斷鉛實(shí)驗(yàn)的“幅值-時(shí)間”圖，橫坐標(biāo)時(shí)間/秒，縱坐標(biāo)幅值/毫伏。圖2b為斷鉛實(shí)驗(yàn)的“幅值-頻率”圖，橫坐標(biāo)頻率/Hz，縱坐標(biāo)幅值/dB。從圖加可以看出，斷鉛激勵(lì)的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的特征明顯，200um內(nèi)基本得到收斂，相應(yīng)速度快。從圖2b可以看出，斷鉛信號(hào)頻率主要在100KHZ-200KHZ之間，與實(shí)際相符，檢測(cè)精度高，噪聲干擾小。盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其特征是所述傳感系統(tǒng)包括寬帶光源(1)，第一、第二光纖耦合器0、8)，光纖布拉格光柵(3)，可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器(6)，第一、第二光電探測(cè)電路(7、9)，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路(10)，F(xiàn)BGA0)、計(jì)算機(jī)(5)； 其中，第一光纖耦合器( 的A端口和C端口分別連接寬帶光源(1)和光纖布拉格光柵(3)， B端口連接第二光纖耦合器(8)的D端口 ；第二光纖耦合器(8)的E端口通過(guò)可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器(6)與第一光電探測(cè)電路(7)相連接，F(xiàn)端口直接與第二光電探測(cè)電路(9) 相連接；寬帶光源(1)發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)第一光纖耦合器( 到達(dá)光纖布拉格光柵(3)，被光纖布拉格光柵C3)反射后，符合光柵布拉格波長(zhǎng)的窄帶光返第一回光纖耦合器( 后出射；通過(guò)第二光纖耦合器(8)后光被均勻分為兩路，其中一路通過(guò)可調(diào)諧光纖光柵濾波器 (6)后，通過(guò)第一光電探測(cè)電路(7)，另一路直接通過(guò)第二光電探測(cè)電路(9)；兩路光經(jīng)過(guò)第一光電探測(cè)電路(7)及第二光電探測(cè)電路(9)光電轉(zhuǎn)化后，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)化電路(10)后生成兩路電信號(hào)，兩路電信號(hào)進(jìn)入FPGA(4)進(jìn)行解調(diào)，得到波長(zhǎng)漂移信息，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)(5) 分析運(yùn)算得到光纖布拉格光柵C3)檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)波形，在計(jì)算機(jī)( 上得以顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其特征是所述寬帶光源(1)為ASE寬帶光源，中心波長(zhǎng)1550nm，3dB帶寬30nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其特征是所述第一、第二光纖耦合器0、8)為3dB光纖耦合器，分光比為50 50。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其特征是所述可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器(6)，要與傳感光纖布拉格光柵C3)相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬等參數(shù)基本一致，中心波長(zhǎng)相差0. lnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其特征是所述的第一、第二光電探測(cè)電路(7、9)為半導(dǎo)體hGaAs PIN型光電二極管電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于匹配型光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)，其目的在于克服已有的技術(shù)局限，將光纖布拉格光柵傳感器引入聲發(fā)射檢測(cè)領(lǐng)域，所述傳感系統(tǒng)包括寬帶光源，第一、第二兩個(gè)光纖耦合器，光纖布拉格光柵，可調(diào)諧光纖布拉格光柵濾波器，第一、第二兩個(gè)光電探測(cè)電路，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，F(xiàn)BGA、計(jì)算機(jī)；本發(fā)明主要用于航空航天器的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)以及重要部件的損傷檢測(cè)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，抗電子干擾能力強(qiáng)；相比功率型光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)，本發(fā)明利用匹配光柵法，解調(diào)波長(zhǎng)漂移的信息，從而得到原始聲發(fā)射波的信息，檢測(cè)的是光波長(zhǎng)而非光功率，光波長(zhǎng)信息不受光傳輸過(guò)程中光功率損耗的影響，因而檢測(cè)精度更高、分辨力更大，噪聲更小。
文檔編號(hào)G01N29/14GK102426198SQ20111023911
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者劉奇, 孫志平, 李寧, 李成貴, 梅盛開, 涂萬(wàn)里, 魏鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍陸軍航空兵學(xué)院, 北京航空航天大學(xué)