（光学专业论文）光纤声发射检测与定位的理论及实验研究.pdf

哈尔滨t 稗歹：学硕十学伊论文 摘要 为了避免建筑结构的坍塌、断裂等灾难事故的发生，探求一种可靠的建 筑结构健康监测和缺陷检测的无损检测技术有着重要的意义。光纤声发射检 测技术是目前智能结构研究领域中的热点问题之一，而声发射检测的主要目 标之一就是声发射源的定位。 本文介绍了声发射产生的机理及声波在固体中传播的基本特性；对声波 作用下光纤产生的相位延迟进行了理论分析，首次利用有限元软件对微位移 作用下光纤的响应进行了仿真，对应变效应，光弹效应及泊松效应引起的相 位变化进行具体求解。推导出光纤声发射检测输出干涉信号的表达式，对其 进行b e s s e l 函数展开，分析了光纤声发射检测干涉仪的频率特性，利用s a g n a c 结构的光纤干涉仪进行了实验验证；提出了基于m a c h z e h n d e r 与s a g n a c 的 组合式结构和环形腔全光纤结构的两种全新结构的声发射检测干涉仪，对理 论计算结果进行了计算机仿真与实验验证；介绍了常用的声发射信号处理和 声发射源定位的方法，针对不同材料中声速不确定的问题，推导出与介质种 类无关的一维线性，二维平面，三维立体的声发射源定位算法；利用光纤传 感器，以钢板作为传输介质，对自制的模拟声发射源进行了一维线性和二维 平面的定位实验，对定位结果进行了分析，讨论了影响光纤声发射源定位的 因素；提出了基于单片机系统的光纤声发射源定位平台的设计方案。以上结 果表明，光纤传感器完全可用于对固体材料内由裂纹的发生和扩展产生的声 发射信号进行检测与定位，为建筑结构的健康监测和缺陷检测提供了一种新 的方法。 关键词：光纤传感；声发射；声源定位；频率特性；有限元 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 a b s t r a c t f o ra v o i d i n gt h ec o l l a p s ea n df r a c t u r eo ft h eb u i l d i n gs t r u c t u r e ，i th a st h e g r e a ts i g n i f i c a n c et os e e kar e l i a b l en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yo fh e a l t h a s s e s s m e n ta n df l a wd e t e c t i o nf o rt h eb u i l d i n gs t r u c t u r e t h eo p t i c a lf i b e ra c o u s t i c e m i s s i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei n t e l l i g e n ts t r u c t u r er e s e a r c hf o c u s e s a tp r e s e n t ，a n dt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns o u r c el o c a t i o ni so n et a r g e to ft h ea c o u s t i c e m i s s i o nd e t e c t i o n i n t r o d u c e dt h ea c o u s t i ce m i s s i o n g e n e r a t i o n m e c h a n i s ma n dt h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i co fs o u n dw a v ep r o p a g a t i n gi nt h es o l i di nt h i sp a p e r t h ep h a s e d e l a yo ft h eo p t i c a lf i b e rw a sa n a l y s e du n d e rt h es o u n dw a v e ，t h er e a c t i o no ft h e o p t i c a lf i b e rw a ss i m u l a t e du n d e rt h em i c r o d i s p l a c e m e n t ，a n dt h ep h a s ec h a n g e w a ss o l v e dr e s p e c t i v e l yi n d u c e db yt h es t r a i ne f f e c t ，t h ep h o t o e l a s t i ce f f e c ta n d t h ep o i s s o ne f f e c t t h ee x p r e s s i o no ft h eo p t i c a lf i b e ra c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i o n o u t p u ti n t e r f e r e n c es i g n a lw a sd e d v e da n de x p a n d e dw i t ht h eb e s s e lf u n c t i o n ，t h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i cw a s a n a l y z e d a n dv e r i f i e d b yt h es a g n a c f i b e r i n t e r f e r o m e t e r ；p r o p o s e dt w ok i n do f n e ws t r u c t u r eo fa c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i o n i n t e r f e r o m e t e rt h a tw a sb a s e do nt h em a c h - z e h n d e ra n dt h es a g n a cc o m b i n e d s t r u c t u r ea n dt h e r i n g l i k ec a v i t ye n t i r eo p t i c a lf i b e rs t r u c t u r e ，s i m u l a t e dt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t ，a n dv e r i f i e di tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h ec o m m o nm e t h o d s a b o u tt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sa n dt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns o u r c el o c a t i o n w e r ei n t r o d u c e d ，f o rt h ed i f f e r e n tv e l o c i t yi nv a r i o u sm a t e r i a l ，t h el o c a t i o n a l g o r i t h mt h a tw a si n d e p e n d e n to f t h em a t e r i a li nt h el i n e a r i t ya n dt h ep l a n ea n d t h es t e r e ow e r ed e r i v e d ；t h es e l f - m a d es i m u l a t e ds o u n ds o u r c ew a sl o c a t e di nt h e l i n e a f i t ya n dt h ep l a n el o c a t i o ne x p e r i m e n tu s i n gt h eo p t i c a lf i b e rs e n s o ri nt h e s t e e lp l a t e ，t h er e s u l t sw e r eb r i e f l ya n a l y z e d ，a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h 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 o u r c el o c a t i o n ；p r o p o s e dt h ed e s i g na b o u tt h e o p t i c a l f i b e ra c o u s t i ce m i s s i o nl o c a t i o n p l a t f o r mb a s e do nt h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rc a nb eu s e dt o 哈尔滨r r 稃大学硕十学何论文 d e t e c ta n dl o c a t et h ea c o u s t i ce m i s s i o nc a u s e db yt h ec r a c k si nt h es o l i dm a t e r i a l ， a n di tp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h eh e a l t ha s s e s s m e n ta n dt h ef l a wd e t e c t i o no f t h eb u i l d i n gs t r u c t u r e k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；l o c a t i o no fs o u n ds o u r c e ； f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t ee l e m e n t 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、数据和文献的引用己在 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，均己在文中以明确方式 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) ：到锾锋 日期：沙亨年彭月阳 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( 回在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。 储( 签- - 7 - ) ：到谩锋导师( j 签- 7 - ) ：辫冼干 日期： 如7 年石月钼伊了年莎月邝日 拢： 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 孑232 多l 0 z 雪勿 第1 章绪论上大 占否vo 艿r p 二十一世纪是信息的时代，对信息的研究包括信息的获得、存储、传输 和处理。因此，人们把传感技术、通讯技术和计算机技术视为信息技术的三 大基础。传感器是一切信息的触角，是采集自然界各种数据的一种工具，是 现代化技术的核心之一。光纤传感是传感领域的佼佼者，声发射技术则是无 损检测家族中的一枝独秀，二者的结合目的在于实现建筑结构的智能化。 1 1 本课题研究的目的及意义 随着科技与经济的发展，各国的基础设施建设正处于飞速发展阶段。然 而由于一些施工中的不确定因素和各种外界环境因素的影响，建筑结构中难 免会产生各种各样潜在的缺陷。事实上，大量的工程结构中可能已经存在缺 陷，对于上个世纪七八十年代的建筑，由于当时技术力量及施工条件的限制， 结构本身已存在着缺陷；尤其对于桥梁、高层建筑、高速公路、大型水坝、 核电站等一些关系到国防建设、国家经济命脉的基础设施，在其漫长的服役 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，不 可避免的在结构中产生积累，甚至导致突发性灾难事故的发生。另外，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 建设中，但新科技与新成果的可靠性如何，能否经受时间的考验，还有待实 践的进一步检验。这便构成了关乎公众生命财产的潜在威胁。 据媒体报道，重庆一化工厂于2 0 0 9 年3 月2 4 日发生造料台垮塌事故， 广东省佛山市九江大桥于2 0 0 7 年6 月1 5 日发生坍塌事故；美国当地时间2 0 0 7 年8 月1 日，密西西比河发生桥梁坍塌事故；巴基斯坦南部城市卡拉奇在2 0 0 7 年9 月1 日也发生一起塌桥事故；以上事故都造成了严重的人员伤亡及财产 损失。因此，探求一种可靠的建筑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工程意义【l j 。 声发射技术是能够满足这种实时动态检测功能的新型无损检测技术，利 用该技术可对大多数结构材料损伤程度及其损伤发展趋势做出正确判断和预 测，进行安全评估【2 】。声发射技术是一种动态无损检测技术，但它与其他无 损检测方法有所不同，声发射信号是在外部作用下产生的，对缺陷的变化极 ! 兰：蒌三堡奎兰至圭耋竺氅兰 图i1 我国九江大桥坍塌事故图12 巴基斯坦南部桥梁坍塌事故 为敏感，检测灵敏度高，可以检测到微米量级的显微裂纹变化。此外，因为 绝大多数材料都具有声发射特性，声发射技术不会受到材料种类的限制，可 以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警，这是声发射技术优于其他无损 检测技术的地方。不同声发射源机制产生的声波性质不尽相同，如固体内部 裂纹的形成和扩展、晶格位错、塑性变形、复合材料的纤维断裂等都会产生 不同特性的声发射信号，而在材料损伤的不同阶段所产生的声发射特性也不 相同口】。这些就是声发射技术判断缺陷类型和损伤程度的依掘，结合声波传 播规律就可以对声发射源进行定位。有资料表明【4 ”，声发射信号易于同噪声 相区别，这就使声发射技术在结构材料损伤及完整性监测方面成为一种很有 前途的无损检测技术。声发射技术的生命力就在于它广泛的应用前景，由于 声发射技术具有动态无损检测、不受材料种类的限制、检测灵敏度高、可实 现在线检测等优点，故该技术已从最初压力容器、金属疲劳和断裂力学的应 用发展到目前的工业制造过程的检测和控制、各种材料性能研究、航空航天、 铁路运输、建筑和化工等工业领域。尤其是近年来随着计算机技术的发展， 声发射技术闩臻完善，展现了其在结构材料检测领域广阔的应用前景1 6 j 。 随着光纤的问世，光纤传感技术得到了广泛而深入的研究，采用光纤实 现声发射检测的技术得到了进一步的发展。传统的声发射传感器大多采用压 电陶瓷( p z t ) 来实现，利用p z t 的压电效应把机械量转变为电量来进行检 测，但压电陶瓷易受屯磁干扰且工作频带狭窄。相比而言，采用光纤作为传 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 哈尔滨t 秤大学硕十学伊论文 等一系列优点【7 8 j 。目日订，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。常用的无损检测方法 是将传感器置于实验试件的外部，而由于材料的高吸收，到达探测器的超声 波信号强度较小，因此其效果并不理想。然而利用光纤所特有的性质，将光 纤作为a e 传感器植入建筑结构内部，探测声发射信号己成为一种新型的无 损检测的手段，为建筑结构装上一套“神经系统”已成为一个热点研究问题。 然而，利用光纤传感器来实现声发射信号的检测仍存在许多值得研究的问题， 如声波在各种材料中的传输特性、声发射信号的特征分析与识别、光纤传感 器的各种结构特性、相位特性等。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 声发射与光纤传感 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 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自 然现象，是材料内部由于不均匀的应力分布所导致的由不稳定的高能态向稳 定的低能态过渡时产生的松弛过程。声发射技术就是借助专门的声发射仪器， 将声发射信号检测出来，通过对检测信号或者检测参数加以分析来推断材料 内部所产生的变化j 。 声发射技术的研究范围，己从最初的压力容器、金属疲劳和断裂力学应 用，发展到航空、航天、铁路运输、工业制造过程检测、建筑、石油化工、 电力等工业领域【9 。16 l 。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，而不同于超声或射线探伤等由无 损检测仪器提供。( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在 外加结构应力下缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。( 3 ) 在每 次试验过程中，声发射检测能够整体探测和评价结构中的活性缺陷状态。( 4 ) 可提供活性缺陷随载荷、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的预报。( 5 ) 由于对被检试件的接近要 求不高，因此适用于其它方法难以或无法接近情况下的检测，如高低温、核 辐射、易燃、易爆及剧毒等。( 6 ) 用于设备的定期检验，可以缩短设备停产 时间甚至无需停产。( 7 ) 用于设备加载试验，可预防由未知不连续引起的系 哈尔滨t 平n 大学硕十学伊论文 统灾难性失效和限定系统最高工作载倚。( 8 ) 由于对构件的几何形状不敏感， 因此适用于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件【i7 1 。 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 揉和在一起。在混凝土中的应用，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 建筑工程提供一种有效的动态无损检测方法。 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统 中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，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。但是，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。因此，人们发现如果能测出光 波参数的变化就可以得到导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产 生了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高、 抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲性，便于遥测与控 制、结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。光纤传感器按调制的光波参数 不同可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、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制光纤传感器。光纤传感器的应 用范围极其广泛，在化学、生物化学和医学领域中，光纤传感器可以用于气 体分光仪、折射率和液位传感器、光纤激光多普勒测速计、二氧化碳传感器、 温度传感器、图像传感器( 内窥镜) 医用物理传感器等。在航天航空领域， 光纤传感器更具挑战性的应用是监测航空材料、尤其是碳纤维复合材料的疲 劳极限和断裂，这一应用被称为“敏感皮肤”，是未来的航空航天发展中的 一项重要技术。在航海应用方面，光纤传感器被制作成光纤水听器【l8 1 、光纤 陀螺 19 1 ，这些技术在欧美国家已经得到了深入的研究与广泛的应用，在航海 方面另外一个重要的信息收集器件是光纤地磁仪，在海洋工业方面光纤传感 器主要应用在石油勘探工业领域。另外，光纤传感器还应用在安全保险系统、 结构疲劳断裂监测、非接触测量和电力工业等诸多领域中。 4 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 1 2 2 光纤声发射检测技术的研究现状 近年来，在结构健康监控和缺陷检测方面出现了一个新的研究方向，就 是利用光纤传感器来取代传统的压电传感器埋入混凝土结构中，为混凝土结 构装入神经系统，在结构建造、使用、维护的整个过程中实现结构状态的长 期、连续监测，使结构具有类似生物感觉的智能结构。 光纤最初是因通信的需要而产生的，但在低损耗光纤问世不久的7 0 年代 中期，出现了光纤传感器。1 9 7 7 年，美国海军研究所( n r l ) 开始执行由查 尔斯m 戴维斯( c h a r l e smd 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。 光纤声发射检测是通过被测的a e 物理量对传输光参数进行调制，然后 解调被调制的光信号，得出被测量从而了解试件当前的状态。因此，基于a e 信号对传输光的强度、相位、波长和偏振态等参数调制的原理，就构成了各 类光纤a e 传感器拉。 材料损伤产生的a e 波作用于传感器的微弯装置引起光纤微弯损耗，把 这种损耗和测量物理量a e 联系起来就构成强度调制光纤a e 传感器。强度 调制传感器具有信号解调简单的优点，在不要求a e 源定位的低精度场合有 一定的应用。r i p p e r t 等人开展了强度调制光纤传感器用于复合材料损伤的检 测，采用自适应滤波等信号处理技术验证了所设计的传感器可用于a e 信号 的检测【2 1 1 。但该传感器构成点传感器困难，光源波动、连接器损耗和光电探 测器响应度变化都会引起光强波动，造成错误输出，且灵敏度低，无法检测 微弱a e 信号。这些因素限制了其在a e 信号检测场合的进一步应用。 在光纤声发射检测技术应用中多采用相位调制型。光纤传感器中的相位 调制原理是利用外界因素改变光纤中的相位，通过检测相位的变化来测量外 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，才能实现对外界物理量的检测，这种转换 技术就是干涉技术。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很宽的动态检测范围，且探头形式灵活多样，适 用于不同的测试环境【z 2 | 。目前已研制成的m a c h z e h n d e r 干涉仪，s a g n a c 干 涉仪，f a b r y p e r o t 干涉仪以及m i c h e l s o n 干涉仪等都已应用于声发射检测领 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 域。m a c h z e h n d e r 、s a g n a c 、m i c h e l s o n 和低精细度f a b r y p e r o t 干涉仪都是 双光束干涉仪。干涉仪中传输光的相位是光程的函数，当a e 波作用于干涉 仪敏感段时，会引起敏感光束光程改变，从而导致其相位变化而与参考光束 产生干涉。因此可以通过检测输出光强的变化来了解产生a e 波试件的状态。 m a c h z e h n d e r 和m i c h l s o n 干涉仪在光纤a e 检测早期研究阶段应用较爹2 3 】， 其缺点是对环境干扰和温度敏感且构成点传感器困难。为此一些学者对基于 f a b r y - p e r o t 干涉仪的a e 传感器进行了研究【2 4 1 ，但此类传感器也存在易受光 源噪声影响和探头加工困难等缺点。s a g n a c 结构的a e 传感器在大型构件完 整性评估方面有较大优势，应用报道较多【2 5 1 。该传感器抗干扰能力强且易构 成分布式检测系统。但低频灵敏度低、偏振衰减和对温度敏感是其主要缺点。 在实际应用中，由于低频静态应力和温度的影响，传感器工作点很容易从线 性区进入饱和区，为此需采取相应的工作点稳定措施。目前，基于f a b r y p e r o t 干涉仪的a e 传感器的工作点稳定多采用可调谐光源和双波长稳定方法 2 6 , 2 7 】。 基于m a c h z e h n d e r 和m i e h l s o n 干涉仪的a e 传感器工作点稳定多采用压电调 制器相位补偿方法【2 引。 波长调制a e 传感器的敏感元件为f b g ( f i b e rb r a g gg a t i n g ) 。其工作 原理是通过a e 波调制光栅的b r a g g 波长，然后由反射光波长的改变来检测 a e 信号。f b g 传感器灵敏度较高，容易构成分布式测量，但其对温度敏感， 因此解调方案复杂。f b g 传感器多用于低频静态应力的测量，较少应用于高 频动态应力( a e 波) 检测。波长调制a e 传感系统由f b g 传感器和与其匹配 的截止滤波器构成，通过合理设计截止滤波器参数，使得截止滤波器输出光 强近似为波长变化的线性函数。工作时，当a e 波作用于敏感f b g 时，引起 f b g 反射波长改变，然后通过截止滤波器滤波，输出与波长变化成正比的光 强信号，从而解调出a e 信号。b a l d w i n 等人用该传感器对铅笔折断和复合材 料损伤等模拟a e 源进行检测【2 9 1 。m i n a r d o 等人对超声波和f b g 作用机理作 了研究【3 们，为设计f b g 型a e 传感器提供了有力的理论依据。以上研究结果 表明，解决f b g 型a e 传感器温度和应力交叉敏感问题是其实用化的关键。 此外，光纤a e 传感器还包括偏振光纤传感器【3 1 】以及基于光纤耦合器 3 2 】 和多普勒效应传感原理pr j j 的光纤传感器。 复合材料损伤破坏形式中的纤维断裂、基体开裂、分层与脱粘会产生丰 6 哈尔浮t 稃大学硕十学伊论文 富的a e 信号，凶此光纤a e 检测已成为研究复合材料损伤的一种重要手段。 r e a d 等人设计了一种基于f a b r y p e r o t 干涉仪的a e 传感器，用于检测碳纤维 复合材料的损伤，采用双波长稳定技术克服了传感器工作点的偏移，通过检 测复合材料板在循环载荷下产生的a e 信号，成功采集到频率为1 5 0 k h z 的 a e 信号【27 | 。压力管道中的流体通过管壁外泄时会在管壁中激发应力波，因 此可以通过光纤a e 检测技术来确定管道裂纹发生的程度与位置。k u r m e r 等 人用s a g n a c 光纤传感器进行电厂高压电缆冷却管道裂纹检测与定位的研究 【3 4 】，结果表明在电磁干扰与腐蚀等环境下采用光纤传感器进行压力管道泄漏 检测是较好的选择。光纤a e 检测技术可用于民用工程楼房、桥梁和大坝等 大型结构健康监控，将光纤传感器嵌入混凝土构件中，可以进行裂纹开裂和 扩展的连续监测。断路器在开启与关闭时，动静电极间产生电弧放电或气体 压力的降低引发电极对屏蔽罩放电都伴有声发射现象，c o s g r a v e 等人报道了 用光纤传感器进行s f 6 气体断路器放电产生a e 信号的检测，实验在1 4 5 k v 气体断路器实验台上进行，通过对断路器放电产生的a e 信号进行监测，能 实时了解当前断路器的工作状态【”j 。 我国在光纤声发射研究方面也取得了突破性的进展，能够实现工程上的 应用。哈尔滨工业大学、清华大学较早研制了光纤油罐( 群) 检测系统，能 对油罐( 群) 实行多点多参量实时在线检测。武汉科技大学提出了一种新颖 而有效的光纤传感测缝仪，适合水利电力和工业民用建筑的一些关键接触缝 的长期在线监测。重庆大学光电子工程学院在光纤智能结构损伤评估中做了 许多研究工作【36 | 。哈尔滨工程大学的苑立波等人将基于f i z e a u 干涉仪的光纤 传感器用于大型建筑构件裂纹开裂的监测，其结果表明这种传感器可用于大 型构件裂纹开裂与扩展的连续监控，随后还开展了一系列的光纤声发射传感 器应用的研裂 j 。 由于我国在此方面的研究起步较晚，技术力量不够雄厚，所以我国对于 光纤固体尤其是混凝土内部的声发射检测还停留在初级阶段，现阶段的工作 多限于实验室条件下，要将光纤声发射检测技术大范围的应用到实际的生产 生活中，仍需要更加深入的研究。 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 1 2 3 光纤声发射源定位技术的研究现状 声发射检测的主要目标之一是确定声发射源的位置，声发射源定位是声 发射检测与评定中一个至关重要的指标，其准确程度反映了声源的检测位置 与实际出现的活动缺陷源位置的符合程度。由于声波在不同试件中并不总是 以同一模式、同一速度传播，它还存在衰减、反射等现象，易在传播中产生 畸变，这将导致传感器接收不到信号或接到错误信号，造成裂纹定位不准确。 对于突发型声发射信号的定位方法主要包括时差定位法，区域定位法；对连 续型声发射信号的定位方法包括幅度测量式区域定位法，衰减测量式定位法， 互相关式时差定位法及干涉式时差定位法。这些方法适用于普通的压电式声 发射检测系统，同时也适用于光纤声发射源定位，因为光纤传感器在声发射 检测领域完全可以取代传统的压电式传感器。 焦敬品等人采用小波分析的方法，利用一个传感器实现了薄板中的声发 射源定位【38 1 。c j o m d e c h a 等人利用基于f p g a 的声发射分析仪，对多种裂 纹进行了声发射检测和识别【3 9 】。t a d e jk o s e l 等人利用神经网络技术，实现了 两个声发射源同时定位【4 0 1 。n i v e s r a n g s a n 采用三角形定位方式，利用传统的 基于波速的定位技术和基于a e 能量的技术对柴油发动机上的裂纹源进行定 位【4 1 1 。、龚斌等提出一种利用声发射衰减特性对声发射源进行平面定位的能量 定位新方法【4 2 | 。 针对声源扰动光纤定位技术，人们试图通过采用o t d r ( 光时域反射) 技 术，其实质是光雷达技术，它是通过向光纤中发射窄光脉冲，检测光纤中产 生的瑞利散射和菲涅尔反射信号来判断光纤受声波的扰动并进行定位，但不 足之处在于信号噪声太大，信号处理时间较长，无法进行实时监测，只有在 传感光纤发生大的弯曲或断裂时，使用o t d r 技术才能有较好的效果，因而 在声源定位技术上实用意义并不大。 随着光纤传感技术的深入研究，出现了两种新的光纤声发射源定位方法， 即阵列式和分布式光纤传感技术。阵列式光纤声发射源定位技术是以光纤传 感器直接取代传统的压电式传感器，利用光纤传感器体积小的特点，将其近 似成点传感器，埋入或帖附于结构体表面，构成传感阵列，再根据相应的算 法，得到声源的信息。分布式光纤传感技术是近年来发展起来的新技术，具 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 有灵敏度高、动念范围大，可长距离连续监测的特点，逐步被人们应用到管 线监控等领域 4 3 ，删。这类传感器只需一个激光光源和一条传感线路，集传感 和传输于一体，可对沿光纤传输长达数十公里的信息进行测量，是一种有效 的声源位置探测器。目前国内外针对分步式光纤传感定位技术提出了很多不 同原理、结构的光纤定位技术，如基于s a g n a c 干涉原理的定位技术【4 5 , 4 6 ，基 于双m a c h z e h n d e r 干涉原理的定位技术1 47 1 ，基于光纤混合干涉仪的定位技 术，包括s a g n a c 与m a c h z e h n d e r 的混合结构 4 8 , 4 9 】，s a g n a c 与m i c h e l s o n 混 合结构【5 0 5 1 1 及s a g n a c 与s a g n a c 混合结构5 2 , 5 3 1 等。 阵列式光纤声发射源定位适用于小范围内的局部定位，具有较强的灵活 性，但对各传感器的一致性要求较高；而分布式光纤声发射源定位由于定位 精度较低，适用于长距离、大范围的声发射源定位与监测。 1 3 本课题的研究内容 本课题主要针对光纤声发射检测与声发射源定位中遇到的一些常见的问 题，如声波与光纤的相互作用、光纤声发射传感器的检测特性、声发射源定 位方法等，在前人的基础上做进一步的研究。本课题主要研究内容包括： 1 声发射波在固体中的传输特性。给出声发射源产生的条件以及声发射 波在固体中的传输特性。 2 声波与光纤的相互作用。利用a n s y s 有限元仿真软件，对声波作用下 的光纤所产生的应变效应，光弹效应及泊松效应进行数值仿真，得到定量的 结果。 3 光纤传感器的声发射检测频率特性。对光纤声发射检测的输出表达式 进行b e s s e l 函数展开，分析光纤声发射检测的频率特性，利用s a g n a c 光纤干 涉仪进行光纤声发射检测的频率特性实验验证；提出m a c h z e h n d e r 与s a g n a c 组合式光纤声发射干涉仪及环形腔全光纤f a b r y p e r o t 声发射干涉仪，并对其 进行理论分析和实验验证。 4 声发射源定位方法与信号处理技术。给出几种常用的声发射源定位算 法，并推导与介质无关的一维线性、二维平面、三维立体的声发射源定位算 法；列举一些声发射检测中所用的先进的信号处理方法，如频谱分析、小波 分析、神经网络等。 9 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 5 光纤卢发射源定位实验。构建实验系统，进行光纤声发射源一维和二 维定位实验，分析实验结果及影响因素，提出光纤声发射源定位平台的设计 方案。 通过本课题，希望能够在前人的基础上，对光纤声发射检测技术及光纤 声发射源定位技术做进一步的研究，为光纤传感器早日应用于工程实践打下 理论和实验基础。 1 0 哈尔滨t 稃大学i 页十学伊论文 第2 章声发射信号在固体中的传输特性 2 1 声发射的产生 不同声源机制对应不同的声发射波，因而也对应不同的a e 信号。尽管 导致声发射产生的机理是多种多样的，并且，声发射的外部原因也是多种多 样的，但其共同点都是由于外部条件的变化( 应力、温度和电磁场等) 引起物 体或结构内某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量，且释放出某 一频率的声发射波。a e 可以看作是材料缺陷( 裂纹) 扩展的指示器，没有扩 展，裂纹或材料的缺陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声 发射。换句话说，只有当物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声 发射。 声发射检测是一种动态无损检测方法，而且，声发射信号采自缺陷本身， 因此，用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷， 当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，所以 它的声发射特征也有差别。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续 地监视缺陷的安全性，这是其它无损检测方法难以实现的。 把声发射技术用于无损检测，自然会涉及材料中声发射的来源问题，也 就是材料在外部应力作用下，为什么会产生声发射、有哪些机构产生声发射。 业已查明，工程材料中有许多机构都可形成声发射源，如金属塑性变形中的 滑移变形、孪生变形，断裂过程中的形成和扩展、夹杂物断裂、纤维增强复 合材料的基体及纤维断裂，马氏体和贝氏体的相变，磁效应磁畴运动，表面 效应等【5 4 1 。这里着重讨论与无损检测有关的两种声发射源。 2 1 1 位错运动和塑性变形 滑移变形是金属和合金形状不可逆变化的基本机构之一。滑移的原过程 是位错运动。位错以足够高的速度运动时，位错周围存在的局部应力场成为 a e 的条件。因为位错运动，在密集结构的位错中心，原子的正常排列受到 了破坏，导致位错中心密度变小。当位错向前移动时，通过滑移面内的原子 被挤到前面；当位错滑移过去时，这些原子又重新退后，这种前拥后挤的过 程使原子发生碰撞，从而发生弹性波。另一方面，一个稳定的位错是处于低 哈尔滨t 稃火学硕十学伊论文 能位状态，在外部应力作用下，位错在滑移面内沿滑移方向运动，在运动剑 下一个稳定状态前要克服高能的位垒。当位错移动到高能位时，晶体点阵的 应变能增加，当位错从高能位向低能位运动时，释放出多余的弹性应变能， 其中一部分成为弹性振动波。 如果位错以速度v 向前移动，位错周围的体积扩展区以频率厂变化，则 有： 厂= 詈( 2 - 1 )， 这里，b 是位错运动方向的晶格常数，在这个区域周围的晶格传递着频率为厂 的弹性波。位错理论分析指出，位错运动的速度不能超过固体中传播的声速。 当考虑到介质的原子结构时，刃型位错的运动速度限于表面波的速度。根据 ( 2 1 ) 式计算，这种弹性波的上限频率为1 0 1 0 m h z 。这样低的能量和如此高 的频率的弹性波在实际材料中衰减非常严重。因此，要检测单个位错运动的 a e 十分困难。 在实际材料中，确实能够检测到与位错运动有关的声发射，因此，提出 了几个产生声发射的位错模型。f r e d e r i c k 等人认为位错产生声发射与塞积位 错在反向应力作用下使位错源开动和关闭有关。自由位错线的长度和位错滑 动的距离有一个下限，低于这个下限值时将不能检测到声发射，这个下限值 取决于检测系统对应变的灵敏度，即取决于试样表面的最小位移。对于由压 电换能器组成的声发射检测系统，可检测到的表面最小位移蠡i 。可表示为： “= 导 ( 2 - 2 ) 9 3 3 5 x 式中，i n 为由检测系统决定的能检测到的最小电压；9 3 3 为压电换能器材料 的压电常数；晟为压电换能器材料的弹性常数。 c a r p e n t e r 等人认为声发射与晶格内可动位错的密度变化有关，他们得到 了声发射计数率与可动位错密度的关系为： d n ：1 0 d a m( 2 3 ) dtd t 式中，d n d t 为单位时间的声发射计数，简称声发射计数率；a m 为可动位错 密度。 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 孪生变形也是晶体塑性变形的一种基本方式，它与滑移变形不同。所谓 孪生是两个位向不同的晶体以一定的位向关系通过某一晶面结合在一起的总 体。一股来说，孪生变形比滑移变形所需要的切应力大，孪生时原子层间的 切变以极高的速度进行，一旦形成孪晶，应力得到松弛，在应力应变曲线上 出现锯齿形，孪生过程成为强烈的声发射源。 2 1 2 裂纹的形成和扩展产生的a e 裂纹的形成和扩展也是一种主要的声发射源，尤其对无损检测更为重要。 裂纹的形成和扩展与材料的塑性变形有关，一旦裂纹形成，材料局部区域的 应力集中得到卸载，产生声发射。 材料的断裂过程大体上可以分为裂纹成核，裂纹扩展，最终断裂三个阶 段，这三个阶段都可以成为强烈的声发射源。 关于裂纹的形成已经提出不少模型，如位错塞积理论、位错反应理论、 位错销毁理论等。这些模型都得到一部分实验事实的支持。s t r o h 所提出的模 型比较适用于脆性断裂的位错塞积理论。他认为，在滑移带的一端，由于位 错向前运动碰到了障碍，如晶界、杂质和硬质点等，使位错塞积而造成应力 集中。在塞积头处的正交应力为： 厅， 叹= 以、f 厂( p ) ( c 三) ( 2 - 4 ) yc 式中，为裂缝的长度；c 为所有位错的力场叠加处距塞积头的距离。 根据g r i f f i t h 理论，从能量的观点考虑当： 嚷= 厝4 y ；e ( 2 5 ) 时，裂纹开始产生。式中，e 为杨氏弹性模量；u 为泊松比；y 为表面能。 这样，对于各向同性固体，取0 = 7 0 0 ，并考虑到e = 2 g ( 1 + 秒) ，则形成 裂纹滑移面上所需要的切应力以为： o ：71 型( 2 6 ) s2 、上8 ( 1 - v ) l 忆曲 当切应力达到( 2 6 ) 式值时就产生裂纹，式中g 为切变模量。滑移 面上的位错数目行与切应力毋的关系为： 哈尔滨t 秤大学硕十学伊论文 ： g 塑 ( 2 7 ) 万( 1 一l ，) 吼 式中，b 为伯格斯矢量，不同的材料b 大小不一样，对于金属铝，b = 2 x 1 0 一c m 。 从能量的观点计算出裂纹的平均长度，与位错数目n 的关系为： ，= 0 5 b n 2 ( 2 8 ) 可见，1 0 0 个位错产生的裂纹长度约为0 1 岬，这就是说产生0 1 t a m 长 度的裂纹引起的声发射要比单个位错滑移产生的声发射约大1 0 0 倍。在微观 裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要经历裂纹的慢扩展阶段。理论计算表明， 裂纹扩展所需要的能量比裂纹形成需要的能量约大1 0 0 倍到1 0 0 0 倍。裂纹扩 展是间断进行的，大多数金属都具有一定的塑性，裂纹向前扩展一步，将积 蓄的能量释放出来，裂纹的尖端区域卸载。这样，裂纹扩展产生的声发射很 可能比裂纹形成的声发射还大得多。当裂纹扩展到接近临界状态时，就开始 失稳扩展，成为快速断裂。这时候产生的声发射强度更大，如断裂韧性试验 时，产生人耳可以听见的声音。 2 2 声发射波在固体中的传播形式 声波在固体中传输相对理想流体复杂很多。这是因为在理想流体中媒质 只能产生体积形变，即纯粹的压缩膨胀形变，媒质的弹性可用单一的体弹性 系数来表征，在这样的媒质中只能产生稀疏和稠密的交替过程，即只能传播 纵波。这种传播过程的特性只用声压就可以描述其运动方程，并求得质点速 度，从而获得声波的一些能量关系。而在固体中除体积形变外，还会产生切 形变，因此在固体中一般除了能传播压缩与膨胀的纵波外，同时还能传播切 变波。在各向同性固体中，这种切变的质点振动方向与波的传播方向垂直的 波称为横波。由于横波与纵波可以在三维空间中向任何方向传播，所以统称 为体波。除此以外，在固体的自由表面会产生振幅随距离表面深度而衰减的 表面波，而在半无限大的理想固体介质的自由表面，则形成瑞利波的传播【5 5 1 。 不改变波型的纵波、横波只在无限、各向同性、均质的理想弹性介质中 存在。在实际构件中，声发射波的传播要比理想介质中的传播复杂得多。若 在半无限大固体中的某一点产生声发射波，当传播到表面上