（光学工程专业论文）基于多模光纤声发射检测的理论与实验研究.pdf

哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 皇i i i i i i i i i 宣i i i i 一 r i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 捅费 当今伴随着科学技术的不断深入，国家的基础设施建设正处于飞速发展 的阶段。因此，探求可靠的混凝土结构健康性能评价和缺陷检测的无损检测 技术具有重要意义。 本文首先简要的介绍了声发射技术研究的进展、光纤传感技术的概况和 声发射光纤探测的研究现状。介绍了声发射产生的机理、声波在固体中传播 的基本特性和常用的声发射光纤传感器。重点讨论了基于多模光纤模式间干 涉的理论，并设计了多模光纤声发射传感器。与传统的声发射传感器相比较， 具有结构简单、功耗低、耐用、检测区域广、抗电磁干扰、抗腐蚀以及价格 低廉等一系列的优点。因此，声发射光纤传感器可以应用在许多特殊环境中， 如强磁场、强辐射、易燃易爆和污染较为恶劣等环境中进行实时动态检测。 并可以克服传统的声发射传感器因谐振点的限制而导致检测频率范围相对有 限的缺点。 由经典电磁理论可知，相干光在多模光纤中会有不同模式，则不同模式 间会相互叠加形成干涉散斑。当光纤受到扰动时，不同的传输模式受到的作 用效果不相同，模式间干涉便会重组，这时散斑的总强度是不变的，而不同 模式间相位差发生相对变化，表现为不同模式间发生干涉导致散斑随之发生 相应的强度变化，其变化的的频率与引起光纤振动的频率是一致的。用单模 光纤与多模光纤对接的方式可以滤掉部分高阶模，利用多模光纤中相对低阶 的模式间进行干涉，实现了固体中传输的声发射信号的检测。用m a t l a b 7 0 仿真出两个低阶的线偏振模式发生干涉的图样和不断减少散斑数量在扰动前 后的相对强度变化的图形，并设计相应的实验方案，其实验结果与理论仿真 结果一致。 本文通过用结构简单和灵敏度较高的单模光纤s a g n a c 结构的传感器检 测的声信号与多模光纤传感器检测的声信号进行对比。实验证明了多模光纤 传感器对声发射信号检测的准确性，并说明了此传感器用于声发射检测的可 实用性。为研究基础设施建设与特种设备在在人们生活中和工业生产中广泛 使用的健康性能评价和缺陷检测的无损检测技术探寻一种新的方法。 关键词：声发射；光纤传感器；多模光纤；模式间干涉 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht o d a y ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o n t i n u e dt o d e e p e n ，t h ec o u n t r y s i n f x a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o ni si nas t a g eo fr a p i dd e v e l o p m e n t t h e r e f o r et h e r e l i a b l en o n - d e s t r u c t i v et e c h n o l o g yo fh e a l t ha s s e s s m e n ta n df l a wd e t e c t i o nf o r t h ec o n c r e t es t r u c t u r eo fi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l eb e g i n sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es t u d yo fa c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n o l o g yp r o g r e s s ，a l lo v e r v i e wo fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yt od e t e c t o p t i c a l a n da c o u s t i ce m i s s i o n s t u d y o ft h es t a t u sq u o a n di n t r o d u c et h e m e c h a n i s mo fa c o u s t i ce m i s s i o n , s o u n dw a v e ss p r e a di nt h es o l i da n dt h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c sa n du s e df i b e r o p t i c a c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r s f o c u so n m u l f i m o d ef i b e rb a s e do nt h em o d e m o d ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n d d e s i g nam u l t i m o d eo p t i c a lf i b e ra c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r s w i mt r a d i t i o n a l a c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r s ，c o m p a r e dt os i m p l es t r u c t u r e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , d u r a b l e ，w i d ea r e a d e t e c t i o n , a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，a sw e l la sas e r i e so fl o w - c o s ta d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，f i b e r - o p t i c a c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r sc a nb ea p p l i e di nan u m b e ro fs p e c i a lc i r c u m s t a n c e s ， s u c ha st h es t r o n gm a g n e t i cf i e l d ，s t r o n gr a d i a t i o n ，a n dp o l l u t i o na r em o r es e r i o u s e x p l o s i v ee n v i r o n m e n t ，s u c ha sr e a l - t i m ed y n a m i cd e t e c t i o n a n db ea b l et o ov e r c o m et h et r a d i t i o n a la c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o rr e s o n a n tp o i n t sb e c a u s eo ft h e r e s t r i c t i o n sc a u s e d b yt h er e l a t i v e l y l i m i t e df r e q u e n c y r a n g e o fd e t e c t e d s h o r t c o m i n g s f r o mc l a s s i c a le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y ，w ec a ns e e ，c o h e r e n tl i g h ti nm u l t i m o d e o p t i c a lf i b e rw i l lh a v ed i f f e r e n tm o d e s ，d i f f e r e n tm o d e sw i l li n t e r f e r e 谢t l le a c h o t h e rt of o r ms p e c k l es u p e r p o s i t i o n w h e nt h eo p t i c a lf i b e rb yt h ed i s t u r b a n c e ，t h e t r a n s f e rm o d eb yad i f f e r e n te f f e c to fd i f f e r e n tm o d e sw i l li n t e r f e r ew i t ht h e r e o r g a n i z a t i o n ，w h e n t h et o t a l s p e c k l ei n t e n s i t y i s u n c h a n g e d ，t h ep h a s e d i f f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e so fo c c u r r e n c eo fr e l a t i v e c h a n g e s i n p e r f o r m a n c eb e t w e e nd i f f e r e n tm o d e sr e s u l t i n gs p e c k l ei n t e r f e r e n c e l e dt o c o r r e s p o n d i n gc h a n g e si nt h ei n t e n s i t y ，t h ec h a n g ec a u s e db yo p t i c a lf r e q u e n c y a n dt h e f r e q u e n c yo fv i b r a t i o ni st h es a n l e w i t ha s i n g l e 。m o d ef i b e ra n d m u l t i m o d ef i b e rl i n kc a i lb ef i l t e r e do u to ft h ew a ys o m e k 曲e rm o d e s ，t or e c e i v e m u l t i 。m o d ef i b e ri nt h em o d u l e g e n e r a t e ds o m ei n t e r s p e c k l ei n t e r f e r e n c e a c h i e v e ds o l i di nt h et r a n s m i s s i o no ft h ea c o u s t i c e m i s s i o ns i g n a ld e t e c t i o n m a t l a b 7 0s i m u l a t i o nw i t ht w ol o wo r d e rm o d e so f l i n e a rp o l a r i z a t i o ni 1 1 t e r f e r e n c e s p e c k l ep a t t e r na n dt h es t e a d yd e c l i n ei nt h en u m b e ro fp r e a n dp o s t - d i s t u r b a n c e c h a n g e smt h er e l a t i v ei n t e n s i t yo ft h eg r a p h i c s ，a n dd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a lp r o g r a m ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h i sp a p e r ，b yu s i n ga s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hs e n s i t i v i t yo ft h e 吼n l c t u r eo f s i n g l e l m o d e 舶e rs a g n a ca c o u s t i cs e n s o rd e t e c t i o nt h e a c o u s t i cs i 蛆a l sa n d m u l t i - m o d e f i b e r o p t i c s e n s o r sd e t e c tt h e a c o u s t i c s i g n a l sa r ec o m d a r e d e x p e r i m e n t a lp r o o fo fm u l t i r n o d eo p t i c a lf i b e rs e n s o r sf o r a c o u s t i ce m i s s i o n s i g u a a ld e t e c t i o na c c u r a c y ，a sw e l la sad e s c r i p t i o no ft h i s s e n s o rf o ra c o u s t i c e m i s s l o t e s t i n g c a l lb e p r a c t i c a l t of u r t h e rs t u d yt h ec o n s t r u c t i o no f i n f r a s t r u c t u r ea n ds p e c i a le q u i p m e n ti np e o p l e sl i v e sa n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni n t h eh e a l t ho ft h ew i d e ru s eo fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dd e f e c td e t e c t i o n o f n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e st oe x p l o r ea n e wa p p r o a c h k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) ；f i b e ro p t i cs e n s o r ；m u l i m o d eo p t i c a lf i b e r ； m o d e m o d ei n t e r f e r e n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：吴耍 日期： 2 0 0 c 1 年6 月ig 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 硇佐授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者。签字，：是霜聊。签字，露埠 日期：2 测( 年6 月j q 日砂唧年多月，男目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 11 本课题的研究目的及意义 近年来，伴随着科学技术的不断发展和应用，各国的基础设施建设与特 种设备在工业生产与人们生活中广泛的使用，正处于飞速发展的阶段，然而 由于一些在施工中不确定因素和各种外界环境因素的影响，这些建筑结构和 特种设备中就难免会产生各种各样潜在的危险。如对于大型水坝、核电站、 桥梁、高层建筑、高速公路等一些关系到国家经济、国防建设命脉的基础设 施系统；以及锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大 型游乐设施设备等【l 】。在其漫长的使用过程中，受到环境荷载作用、疲劳、 腐蚀和材料老化等不利因素的影响，晟终将导致突发性灾难事故的发生。据 新华社斯德哥尔摩2 0 0 8 年7 月1 5 日电，瑞典紧急救援局1 5 日晚宣布，位于 瑞典西部的里斯贝里游乐场发生游乐设施坍塌事故，至少造成3 6 人受伤。发 生坍塌的是一座名为“彩虹”的高空摇摆游乐设施。事故发生时，摇摆“彩 虹”上满载游客3 6 人，2 0 名游客伤势严重，多名游客受到惊吓。据美国媒 体报道，当地时间2 0 0 7 年8 月1 日晚6 时1 0 分，美国密西西比河发生桥梁 坍塌事故，此桥位于明尼苏达州明尼阿波利斯市，事故己造成至少7 人死亡。 据报道，事发时正是交通高峰期，一些小汽车、货车从桥上掉入密西西比河， 事故非常严重。如图11 所示，巴基斯坦南部城市卡拉奇在2 0 0 7 年9 月1 日 发生一起塌桥事故，造成6 人死亡，多人受伤，还有多辆汽车被压在桥底下。 像这样的事故在这里不一一列举。 图巴基斯坦南部城市桥梁坍塌事故图片 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 从上述的事实上得知，大量的工程建筑结构和特种设备中可能已经存在 缺陷，及其损伤程度不得而知，一旦发生事故，将造成生命与财产的巨大损 失。因此，为保障人们生命与财产的安全，工程建筑结构的健康监控显得非 常重要。首先，由于早期的建筑技术力量以及施工条件的限制，结构本身就 存在着缺陷。随着社会的发展，交通流量的增加，运输车辆载重量的增大， 都对其服役性能提出了更高的要求。此外，科技的发展和进步促使一些新的 工程材料、新的施工技术不断应用于现代化工程建筑结构和特种设备中，但 是这些新的工程材料、新的施工技术可靠性如何，是否能经受时间的考验， 还有待于实践的进一步检验。可见，探求一种可靠的混凝土结构健康性能评 价和缺陷检测的无损检测技术有着非常重要的实际工程意义【2 】。 无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的 重要手段。如今世界各发达国家更加重视无损检测在国民经济各部门的应 用，日本定制的2 1 世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，无 损检测技术放在重要位置。无损检测，即在不损伤材料和成品的条件下研究 其内部和表面有无缺陷的手段，利用材料内部结构的异常或缺陷的存在所引 起的对热、声、电、光、磁等反应的变化，评价结构异常和缺陷存在及其危 害程度【3 】。混凝土结构无损检测方法可分为强度检测和缺陷检测【4 】。强度检 测主要包括：回弹法、超声法和超声回弹综合法；缺陷检测主要包括超声法、 声发射法和红外热像法。 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 是一种常见的物理现象，大多数 材料塑性变形和断裂时都会伴有a e 的发生。它是材料或结构在外力或内力 作用下，在产生变形或损伤的同时，以弹性波的形式释放出部分应变能的一 种物理现象。声发射技术从研究的范围来看，已从最初的压力容器、金属疲 劳和断裂力学应用，发展到目前的航空、航天、铁路运输、工业制造过程检 测、建筑、石油化工、电力等几乎所有工业领域【孓1 5 】。与其它常规无损检测 技术相比有两个基本特点，其一，对动态缺陷敏感，在缺陷萌芽和扩展过程 中能实时发现；其二，声发射来自缺陷本身( 非外部) ，获取有关缺陷的相 关信息的灵敏度和分辨力高。它具有以下优点：( 1 ) 声发射是一种动态检测 方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤 那样由无损检测仪器提供。( 2 ) 可获得关于缺陷的动态信息，并据此评价缺 哈尔滨工程大学硕十学位论文 陷的实际危害程度，以及结构的完整性和预期使用寿命。( 3 ) 声发射检测方 法对线状缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况， 稳定的缺陷不产生声发射信号。( 4 ) 可提供随载荷、时间和温度等变化的实 时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。 ( 5 ) 因对被检件的条件要求不高，因而适用于其它方法难以或无法接近( 如高低 温、核辐射、易燃、易爆及剧毒等) 的情况下检测。( 6 ) 用于设备加载试验， 可预防由未知不连续引起的系统灾难性失效和限定系统最高工作载荷。 ( 7 ) 用于在设备的定期检验，可以缩短设备停产时间或者无需停产。( 8 ) 对构件 的几何形状不敏感，适用范围广，几乎所有材料在变形和断裂时均伴随着声 发射的产生【1 6 1 。 综上所述，无损检测技术对于基础设施建设与特种设备的安全健康监控 非常重要，而a e 检测技术是一项很有发展的无损检测技术。除极少数材料 外，金属和非金属材料在一定条件下都有声发射出现，所以，a e 检测几乎 不受材料的限制。因此，声发射检测技术对于建筑结构的健康监测起着至关 重要的作用。而声发射检测技术以它特有的优点备受关注，探寻一种可靠的 声发射技术显得格外的重要。近些年随着光纤的技术的深入，使a e 检测技 术得到了发展。传统的声发射传感器大多数利用压电陶瓷( p z t ) 的压电效 应把机械量转变为电量来进行检测。相比之下，光纤作为传感器，它具有频 带宽、体积小、重量轻、响应快、分辨率高、抗干扰能力强等一系列优点i 1 戤。 目前，在无损检测领域，利用光纤实现材料完整性评价和结构健康监控的应 用已越来越受到各国研究者的关注。本课题尝试采用多模光纤作为声发射传 感器来实现对材料结构中声发射信号的检测，充分利用光纤传感器所独具的 结构简单、灵敏度高、功耗低、抗电磁干扰、可靠性强等优点，为无损检测 的研究提供一种新的检测技术。 1 2 声发射技术的研究及应用进展 声发射( a e ) 是指材料内部局部区域在外界( 应力或温度) 的影响下， 伴随能量快速释放而产生瞬态弹性波现象。比如说泄漏声音、轴承的滑动声 音、木材干燥时产生的声音、甜瓜茎中流体的声音等也被称为a e 。利用仪 器分析声发射信号和通过声发射信号来推断a e 源的技术称之为声发射技术 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( a c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n i q u e ，简称a e t ) 1 1 9 】。 声发射技术从诞生到现在经历了近半个世纪的发展，人们很早以前就认 识到了声发射这一现象，如“锡鸣 现象。但没有得到重视、研究及应用。 在2 0 世纪5 0 年代初k a i s e r 对多种金属的声发射现象进行了详细的研究并且 发现凯塞尔效应，为以后的应用打下了基础；2 0 世纪6 0 年代中期，美国人 d u n e g a n 等把声发射的测试频率范围转移到超声频段，为其应用打下了基础； 1 9 6 4 年美国对北极星导弹舱成功地进行了声发射检测，这是a e 在工程结构 上成功应用的第一个实例。2 0 世纪7 0 年代是声发射技术的蓬勃发展阶段。 在理论研究方面，声发射传播理论、波形分析、声发射传感器的校正理论都 取得了较大进展，研究范围也不断扩大；在工程应用方面，做了许多工程实 验检测，促进了声发射技术的应用。2 0 世纪8 0 年代初，声发射技术发展缓 慢。因当时在声发射信号处理方面的能力受限制，对声发射源性质、信号的 传播特性等的认识深度不够，检测结果的可靠性存在一定的问题。2 0 世纪8 0 年代末和2 0 世纪9 0 年代初，随着声发射基础理论研究的深入开展以及实验 数据和经验的大量积累，计算机技术、集成电路、人工神经网络等信号处理 ( 尤其是数字信号处理技术) 及模式识别技术在声发射中得到了广泛的应用， 加之日益扩大的应用领域对声发射技术的发展提出了新的要求等，促进了声 发射技术稳步发展【2 睨2 1 。从2 0 世纪9 0 年代至今，声发射技术在我国的研究 和应用呈快速发展的趋势。在声发射信号处理和分析方面，除普遍采用的声 发射信号参数和定位分析外，我国目前还开展了处于世界前沿的基于波形分 析基础之上的模态分析、经典谱分析、现代谱分析、黄氏变换、小波分析和 人工神经网络模式识别瞄。2 6 1 ，另外也对声发射信号参数采用了模式识别、灰 色关联分析和模糊分析等先进技术，我国还自主开发了进行各种信号分析和 模式识别的软件包。 声发射信号处理技术的发展与声发射技术及声发射采集系统的和现代信 号处理技术的发展息息相关。按处理信号数据类型的不同可把声发射信号处 理技术分为：一是直接以声发射信号波形为分析对象，根据所记录信号的时 域波形及与此相关联的频谱、相关函数获得信号所含信息的方法；二是声发 射信号特征参量分析法，利用信号分析处理技术，处理由声发射仪采集的声 发射信号特征参量。目前主要采用的声发射特征参量，列如，声发射信号的 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 能量、幅度、计数、事件、上升时间、持续时间和门槛等，为工程实际应用 带来极大的方便【2 7 2 引。 1 9 8 9 年，s a e h s e 开始研究人工神经网络声发射信号处理，这是最早把神 经网络分析技术应用在声发射技术上。目前，人工神经网络声发射信号处理 已成为国际上声发射技术研究的一个热点，人们期望能用人工神经网络方法 对声发射信号进行有效性识别，以得到对声发射源的特征的详细描述，克服 目前声发射信号处理中存在的声发射源的模式不可分、不可识别，以及在信 号处理过程中的人为干预、效率低等问题。我国声发射工作者在神经网络技 术的应用方面也取得了很大成绩，并曾在刀具磨损监测、声发射谱信号模式 识别等方面取得成功【2 9 - 3 2 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，d u n e g a n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们 把试验频率提高到1 0 0k h z - 1m i z ，这是声发射试验技术的重大进展。现代 声发射仪器的研制，为声发射技术从试验室的材料研究阶段走向在生产现场 监视大型构件的结构完整性应用创造了条件【3 3 1 。伴随着现代声发射仪器的出 现，2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代初，人们从声发射源机制、波的传播和声发射 信号分析三方面开展了广泛和深入的研究。 声发射仪器的发展与声发射技术本身的发展同步进行的。2 0 世纪6 0 年 代末，产生了第一台单通的道声发射仪器，此声发射仪器功能单一，采用模 拟电路，多为测量计数或能量简单参数，只适用于实验室的粗略检测。在2 0 世纪7 0 年代，产生了第一代多通道的声发射仪器出现，它把形成各种a e 特 征量输出的多通道硬件模块插在一个容纳箱内，通过内部总线与当时流行的 一台标准小型计算机相连。在2 0 世纪8 0 年代初，出现第二代多通道的声发 射检测系统把数据采集功能和显示、存储及计算功能相分离，由前端处理器 独立完成，并利用标准总线和直接存储器存取，加快数据的存储和处理速度， 在实时显示方面也有一些改进。第三代多通道的声发射系统起始于8 0 年代 末，采用了分布式并行处理技术，在各单元间配置有效的通讯途径以实现快 速信息传递和缓冲，避免因通道接口的瓶颈效应而造成数据的死锁和丢失， a e 数据处理能力可达每秒几千b i t 以上。在2 0 世纪9 0 年代，声发射检测系 统进入了全数字式的第四代。全数字化a e 检测系统在系统结构和软件配置 上保留了第三代产品的优点，放大后的a e 信号不必再经过一系列的模拟、 哈尔浜工程大学硕士学位论文 数字电路才形成数字特征量，而是直接进行高速a d 转换，提取相应特征量。 我国的清华大学已开展全数字声发射仪的研究工作，已研究出样机，并用于 现场检测。 在压力容器中声发射检测与评价，美国m a n s a n t o 化学工业公司利用 声发射技术成功地检测了数千台大型金属和复合材料压力容器，该项技术在 日本、意大利、澳大利亚和中国等国家也得到广泛研究和应用【3 4 3 5 1 。在机械 零件所用材料的评价方面，主要用于滚动轴承和滑动轴承所用材料的评价。 用复合材料的声发射特性研究声发射成为研究复合材料断裂的一种重要手段 3 6 , 3 7 。目前，采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及 丝束断裂载荷的分布，从而评价碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。在航空航天 领域，学者们对声发射技术进行了广泛和深入的研究，并取得了一些重要成 果。其它材料、结构的声发射检测与结构完整性评价的声发射技术可用于岩 石、混凝土的声发射特性研究，主要内容包括：单轴压缩应力、弯曲应力、 拉伸应力及受温度压力作用时的岩石和混凝土的声发射特性；探讨和研究应 力水平与声发射发生频率的关系，破坏过程中的振幅与频率分布变化情况， 声发射发生的位置；声发射的分形特征，劣化混凝土的声发射特性等以及用 于建筑结构、桥梁和铁塔等结构的动态检测和完整性评价。除此之外，还用 于地应力测试、大坝建造期间岩石的状态监测、滑坡的监测和钻井过程的监 测等，并已经取得明显的效果。 此外，声发射技术作为一种成熟的无损检测方法还应用于常压储罐底部、 各种阀门和地下管道的泄漏检测。石油化工行业中压力管道和海洋石油平台 的检测和结构完整性评价，电力行业中汽轮机叶片检测、汽轮机轴承运行状 况监测、变压器局部放电检测，民用工程如楼房、桥梁、起重机、隧道和大 坝的检测，金属加工中工具磨损和断裂的探测、打磨轮或整形装置与工件接 触的探测、修理整形的验证、金属加工过程的质量控制、焊接过程监测、振 动探测、锻压测试以及加工过程的碰撞探测和预防，交通运输业中长管拖车、 公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位、铁路材料和结构的裂纹探测、桥 梁和隧道的结构完整性检测、卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测以 及火车车轮和轴承的断裂探测等等【3 8 矧。 声发射技术的发展始终是以应用为目的，并自诞生之日起便同其他学科 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 联系在一起。在混凝土中的应用方面，对声发射研究的目的则更为具体，即 希望借助声发射技术实现对混凝土这种特殊材料破坏过程的监测和评价。从 而为建筑工程和特种设备提供一种有效动态的无损检测方法。 1 3 光纤传感技术的概况 传感技术是当代世界发展最为迅速的高新技术之一。新型传感器不仅仅 追求高精度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，并向着集成化、多功能、 智能化和网络化发展，以满足农业、工业、国防和科研等各个领域的需求。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代随着光通信技术的发展而逐步形成的并不断 发展起来的。它代表了新一代传感技术的发展趋势。光纤传感器产业己被国 内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效 益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 在光通信系统中，光纤最早被用作远距离传输光波信号的媒质，在2 0 世纪7 0 年代初生产出低损耗光纤后，光纤用于长距离传递信息。显然，在这 类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但在实际的光传输过程 中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化 将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。利用并分 析这些变化就可以得到外界作用的某些性质，从而可将光纤用作传感器元件 来探测各种物理量、化学量和生物量，这就是光纤传感器的基本原理。于是 便产生了光纤传感技术。 光纤传感器按其工作原理可以分为两类：一类是非功能型( 或称传光型 光纤传感器，另一类是功能型( 或称传感型) 光纤传感器。非功能型光纤传 感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传播光的介质，传 输来自远处或者难以接近场所的光信号。功能型传感型光纤传感器则是利用 对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤( 或特殊光纤) 作为传感元件， 自身实现传感功能的传感器。这类传感器中，光纤不仅起传递光的作用，而 且还利用光纤在外界因素的作用下，其光学特性的变化来实现传感的功能。 根据被调制的光波参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传 感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器 和波长调制光纤传感器一o l 。 哈尔滨工程大学硕士学何论文 i i 强度调制型光纤传感器是利用待测物理量引起光纤中的传输光强变化， 通过检测光强的变化实现对待测量的测量。此类传感器的优点是结构简单、 成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、 压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。但是 由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传 感器只能用于干扰源较小的场合。 相位调制型光纤传感器基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的 光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化， 从而检测到待测的物理量。相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏 度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时 对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。目前主要的应用领 域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、 磁场传感器；利用电致伸缩的电场：电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转 角速度传感器等。 频率调制型光纤传感器是主要利用运动物体反射或散射光的多普勒频移 效应来检测其运动速度。其主要应用是测量流体流动，其它还有利用物质受 强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。 偏振态调制型光纤传感器是利用光的偏振态的变化来传递被测对象信 息。偏振态调制光纤传感器检测灵敏度高，可避免光源强度变化的影响，而 且相对相位调制光纤传感器结构简单、且调整方便。其主要应用领域为：利 用法拉第效应的电流、磁场传感器；利用光弹效应的压力、振动或声传感器； 利用双折射性的温度、压力、振动传感器。目前最主要的还是用于监测强电 流。 波长调制型光纤传感技术主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理 量的变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。光纤波长调制 技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对人体血气的分析、p h 值检测、 指示剂溶液能度的化学分析、磷光和荧光现象分析等。 光纤的声发射检测技术的应用中多采用相位调制型。光纤传感器中的位 相调制，其原理就是利用外界因素改变光纤中的位相，通过检测相位的变化 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i_i 来测量外界被测参量。目前的各类光探测器都不能敏感光的相位变化，必需 采用某种技术使相位变化转化为强度变化来实现对外界物理量的检测，这种 转换技术就是干涉技术。光纤传感器中光的干涉技术是在光纤干涉仪中实现 的。与其它调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检 测灵敏度和宽的动态检测范围，且探头形式灵活多样，适用于不同的测试环 境。传统光学的f a b r y p e r o t 干涉仪、m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h z e h n d e r 干涉 仪、s a g n a c 干涉仪及f i z e a u 干涉仪都能构成全光纤型的干涉仪，这些传统的 典型光纤传感器用于声信号的检测早期是作为光纤水听器用于水中声信号的 探测 4 1 舢】。而近年来光纤传感器也广泛的应用于固体中声信号的检测【4 5 4 7 1 ， 为建筑结构、管道泄漏点的无损检测提供了一种新方法 4 8 , 4 9 】。 光纤转感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点： ( 1 ) 抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传 输的光信号不受电磁干扰的影响。 ( 2 ) 电绝缘性能好，安全可靠，使用寿命长：光纤本身是由电介质构成 的，而且无需电源驱动，适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。 ( 3 ) 耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化 学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。 ( 4 ) 体积小、重量轻，几何形状可塑。 ( 5 ) 传输损耗小，传输容量大：可实现远距离遥控监测和多点分布式测 量。 ( 6 ) 测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。 ( 7 ) 便于和计算机连接，实现多功能、智能化的要求。 光纤传感器具有如此诸多的优点，伴随着光纤传感器的不断应用，许多 以前认为难以解决的、甚至是不能解决的测试技术难题得到了满意的结果。 1 4 光纤声发射探测的研究状况 近年来，在结构健康监控出现了一个新的研究方向，即利用光纤传感器 来取代传统的压电传感器，光纤传感器可埋入混凝土结构中，也适用于检测 特种设备。在结构建造、使用、维护的整个过程中实现结构状态的长期、连 9 哈尔滨工程大学硕七学何论文 续监测，使结构具有类似生物感觉的智能结构。 1 9 7 7 年，美国海军研究所( n i 也) 开始执行由查尔斯m 戴维斯( c h a r l e s md a v i s ) 博士主持的f o s s ( 光纤传感器系统) 计划，这被认为是光纤传感器 问世的日子。从这以后，光纤传感器在世界的许多实验室里出现。由于其传 感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、 强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合， 形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。也因其抗电磁干扰、保密性好、抗核辐 射等能力，以及重量轻、尺寸小等优点，使它也得到了各发达国家政府和军 方的重视与青睐。在8 0 年代中期，美国军方最先提出了智能结构的概念，其 核心内容就是利用复合材料结构的组成特点，在材料制备时埋入具有传感和 动作功能的传感器和驱动器，赋予材料和结构感受、适应自身与环境变化的 功能。1 9 8 9 年美国的b r o w n 大学的m e n d z 等人首次提出了将光纤传感器用 于混凝土结构内部应变的检测，随后欧美一些国家的研究人员和工程师开始 将光纤各种传感器件埋人或设置在一些工程构件模型或实际结构( 如公路、 桥梁、大坝、隧道以及建筑等) 中，以求得到应变、变形、振动、腐蚀等状 态的在线检测。光纤传感器在结构上具有体积小、重量轻、易于与结构相耦 合( 如埋入混凝土结构的内部) 的优点：在功能上，它可以检测应变、温度、 振动、超声以及裂纹、腐蚀等许多参数和状态，具有灵敏度高、响应速度快 的优点：特别是在实际应用中光纤既可以作为传感器件，又可以作为信号传 输通道，可实现信号远距离传输，不受电磁干扰，适合在恶劣环境中工作【5 0 。5 引。 1 9 8 7 年初美国海军在u s sm o b l i eb a y 号舰上的光纤损伤控制系统，该 系统使用光纤液位、固定温度、温升速率、烟雾和火焰报警传感器。该系统 使用光纤液位、固定温度、温升速率、烟雾和火焰报警传感器。l y m e r ， g l o s s o p 5 3 j ，及t o r o n t o 航天研究所的合作者们，提出了对损伤非常灵敏的刻 蚀光纤，它允许损伤增强反向光并用之描绘损伤，这是获得内部脱层损伤的 一种快捷方法。w a i t e t 5 4 】将硅烷溶液处理的光纤( 外直径1 4 0 “m ，多模) 埋 入织网状g r p 叠层中，预测这种处理过程光纤的疲劳寿命比g r p 复合材料 的要低，是其破损可被用于指示疲劳损伤。美国佛蒙大学1 9 9 2 年将分布式光 纤应力应变传感器安装在成努期河水电站坝内，以实时监测大坝混凝土结构 的健康状况。e x c o b e r 等人在混凝土柱中用复合光纤应变计，m a h e r 和n a w y l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 报道了在实验室混凝土柱实验中光纤b r a g g 光栅干涉计的应用成功，从此也 开创了光纤光栅在混凝土建筑结构中的广泛应用。h o i s t 和l e s s i n g 把光纤位 移计安装在水坝中，用于检测层间移动。f u h r 等人报道了把光纤传感器安装 在v e r m o n t 大学的s t a f f o r d 建筑中。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国 际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作。但与发达国家相 比，在商品化和产业化方面还有相当的差距。同时，应用方面的局面尚未彻 底打开。目前的能查到的应用还只是局限在桥梁、大坝、隧道、混凝土结构 的健康状况的监测、大型储油罐健康状况的监测以及液位探测等少数几个领 域。我们现阶段的工作还是只限于将光纤贴附于混凝土固体结构表面进行多 方面的研究，而要深入到混凝土内部则需要对于光纤传感器用于声发射信号 的检测有更加具体深入的研究。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题对全光纤多模光纤传感测量系统在声发射领域的应用进行理论与 实验研究，这里多模光纤被用作本质的声发射传感元件，依据a e 波在各向 同性介质中的传播特性，将常用的虚波简化为平面波模型，对于不同结构 的声发射传感器的声发射信号进行实验研究。通过不断改变多模光纤传感器 的结构来得到最优化、最实用的的结构。为光纤传感器用于声发射信号检测 与识别技术的更深入的研究提供理论与实验基础。 全文共分五章，第一章的主要内容是对课题背景的介绍及声发射检测技 术的研究与发展状况，并给出课题的研究目标。第二章主要介绍声发射产生 机理及其在固体中传播特性，并阐述几种常用的单模光纤声发射传感器。第 三章的主要内容是对多模光纤模式间干涉原