（光学工程专业论文）基于光纤mz与sagnac组合干涉仪的声发射探测研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文提出了一种基于光纤m - z 与s a g n a c 干涉仪的组合式声发射检测系统，用于固 体中声发射信号的检测。应用光纤环形反射器，构造出光纤m z 与s a g n a c 干涉仪组合 声发射检测系统的结构，弥补了单一结构m i c h e l s o n 光纤干涉仪光纤端面低反射率的问 题。分析了光纤环形反射器的原理及如何利用这种环形光纤反射器优化系统结构，提高 了声发射检测系统的检测灵敏度及系统稳定性。 本论文对各种声发射源、声波的分类方法和描述声场的物理量、声波的传输特性及 声发射的解析方法做了简要的介绍。简述了基于m i c h e l s o n 、m a t h z e h n d e r 、f i z e a u 、 s a g n a e 等干涉原理而构建的用于声发射检测的光纤干涉仪，并推导出了各种光纤干涉 仪的输出光强与声发射信号特性( 如频率，幅值等) 的关系。在此基础上，构建了光纤 m z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射检测系统，对其原理进行了理论分析，并利用计算 机对系统的输出光强表达式进行了软件仿真，应用f o u r i e r 频谱变换来分析信号的频率 特征。仿真结果表明在不同的初位相和信号强度下，干涉仪检测结果的频率特性是不同 的，只有在初位相为舭，信号强度很小时，输出信号的频率特性与输入信号频率特性 相一致，达到理想的检铡状态。实验系统利用函数信号发生器驱动p z t ( 压电陶瓷) 作 为模拟声源，向板中注入不同频率的正弦波；光纤m z 与s a g n a c 组合干涉仪贴附于介 质板表面，进行声发射信号检测，实验结果表明这种组合式的光纤传感器可以用于声发 射信号的检测，通过声发射信号的频谱特征来识别声发射信号。 关键词：m z 与s a g n a c 干涉仪组合；环形光纤反射器；声发射；位相调制特性 s t u d yo n a c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i o nb a s e do nc o m b i n a t i o no f f i b e rm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra n d s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r a b s t r a c t ac o m b i n e da c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nf i b e ro p t i cm za n ds a g n a c i n t e r f e r o m e t e ri sp r o p o s e di t h i st e x t ，a i m i n gt od e t e c tt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a li ns o l i d s t r u c t u r e af i b e ro p t i cr i n gr e f l e c t o ri su s e dt oc o n s t r u c tt h ec o m b i n e da c o u s t i ce m i s s i o nt e s t s y s t e mb a s e do nf i b e ro p t i cm za n ds a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 皿i ss t r u c t u r em a k e su pt h e d r a w b a c ko ft h ei o wr e f i e c t i v i t yo ft h em i c h e l s o nf i b e ro p t i ci a t e r f e r o m e t e r n ep r i n c i p l eo f t h ef i b e ro p t i cr i n gr e f l e c t o ra n dt h em e t h o df o rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma r e a n a l y z e d n es e n s i t i v i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e s ts y s t e ma r ei m p r o v e d i n 也et h e s i sv a r i o u sa c o u s t i ce m i s s i o n s o u r c e ，c l a s s i f ym e t h o do fa c o u s t i cw a v e p h y s i c a lp a r a m e t e r so fs o u n df i e l d ，t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i cw a v ea n da n a l y t i c m e t h o d so fa c o u s t i ce m i s s i o na r ed i s c u s s e d f i b e ro p t i ci n t e r f e r o m e t e r sa p p l i e dt oa c o u s t i c e m i s s i o nt e s t 踟胥g e n e r a l l yd e s c r i b e d ，w h i c ha g eb a s e do nt h ei n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e so f m i c h e l s o n ，m a c h - z e h n d e r , f i z e a ua n ds a g n a c t h cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u to p t i c a l i n t e n s i t ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l s ( f o r e x a m p l e ，f r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n d s oo n ) o fd i f f e r e n tf i b e ro p t i ci n t e f f e r o m e t e r sa l ef u r t h e rd e r i v e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s , t h ef i b e rm - za n ds a g n a cc o m b i n e di n t e d e r o m e t e r a c o u s t i ce m i s s i o nd e t e c t i n gs y s t e mi ss t r u c t u r e d 而co u t p u tl i g h ti n t e n s i t ye x p r e s s i o ni s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h ec o m p u t e r f o u r i e rt r a n s f o r mi s 印曲e dt oa n a l y z et h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n t i n i t i a lp h a s ea n dt h es i g n a li n t e n s i t y , t h ed e t e c t e df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ci sd i f f e r e n t w h e n t h ep h a s ei s 纠2a n dt h e s i g n a li n t e n s i t yi sv e r ys m a l l ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h e o u t p u ts i g n a lh a st h es a n l ef e a t u r ea st h ei n p u ts i g n a l ，w h i c hi st h eb e s tw o r k i n gc o n d i t i o n a p z th a sb e e na p p l i e dt oac o n c l r e t es l a bt og e n e r a t ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lw i t hd i f f e r e n t f r e q u e n c y t h ec o m b i n e df i b e rm za n ds a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sa d h e r e do nt h ec o n c r e t e s l a bt od e t e c tt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l e l e m e n t a r ye x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h ec o m b i n e do p t i c a lf i b e rs e n s o ri sa b l et od e t e c tt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lf r o ms o l i d s t r u c t u r e k e yw o r d s ：m a c h z e l m d e ra n ds a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ；r e f l e c t o ro ft h el o o po p t i cf i b e r ； a c o u s t i ce m i s s i o n ；p h a s e - m o d u l a t e dc h a r a c t e r i s t i c 2 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圭至竖日期：吐堕盘麴12 堡 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：童至茎 导师签智卜趣一 大连理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 1 本课题的背景、目的及意义 1 1 1 声发射检测技术的发展 在无损检测的发展中超声技术起着重要作用，因为它提供了评价固体材料的微观组 织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。对于所有实际固体， 纯线弹性的假设是近似的，因为所有实际超声波在传播过程中都有衰减。如果考虑这种 更现实的情况，对最低阶的近似，可发现这种波在固体材料中的一般传播特性与线弹性 情况是等同的。波速、质点位移、能流通量矢量和衍射的传播都是如此。然而，由于各 种机理的作用结果，在波的传播过程中有能量的损失。虽然几何效应会导致能量损失， 但这种损失不能表明与微观组织有关的固有损失的机理。一旦用适当方法除去或控制这 些几何效应，就可把超声衰减的大小作为对被检材料微观组织及其变化引起的内在损耗 机理的一种非常灵敏的指示值。其灵敏度源于适当频率的超声波与各种不连续性相互作 用的能力，这些不连续性包括：裂纹、夹杂、脱溶物、晶界、中间相边界、空洞和位错。 超声检测采用高频弹性波以无损方式检测所制造的材料，大多数商业化的超声检测是以 1 2 5 m h z 的频率进行的。然而，低至2 5 k h z 高至几千兆赫的应用也有。已开发有各种 超声检测技术和仪器，直接传送超声能量穿过试件。 由于超声技术利用基本的力学现象，它们特别适用于测定工程材料结构的完整性， 其主要用途包括( 1 ) 材料不连续性的检出；( 2 ) 厚度测量：( 3 ) 弹性模数测定；( 4 ) 金相组织研究：( 5 ) 评价工艺变量对构件的影响。 希望超声检测具有的特点包括( 1 ) 高灵敏度，能够检出微小不连续性；( 2 ) 穿透 能力强，能够检验极厚部件：( 3 ) 能够准确的确定材料不连续性的位置和尺寸；( 4 ) 响 应迅速，能快速自动检测；( 5 ) 只需接近试件一个表面。 某些检测条件会限制超声技术的应用，特别在涉及以下因素之时：( 1 ) 试件的几 何形状( 尺寸、外形、表面粗糙度、复杂性及不连续性取向) 不合适；( 2 ) 不良的内部 组织( 晶粒尺寸、结构孔隙、夹杂物或细小弥散的沉淀物) 。 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。 当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，日本最近 制定的2 1 世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，把无损检测放在十分重 要的位置。目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了 新的内涵。从超声检测新技术的应用面来看，它包含了许多内容，如超声波应力与残余 应力测量技术、超声显微镜技术及超声层析成像技术等【l l 。 与采用超声探头发射超声波的主动检测不同，声发射检测技术是一种被动式检测技 基于光纤m - z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 术，其超声波( 或声波) 是材料或构件受外力或内力作用时自发的。材料中局域源快速 释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称心【2 1 ，声发射是 一种常见的物理现象，大多数材料变形、断裂时均伴随有声发射波的产生，但许多材料 的声发射信号强度很弱且频率在2 0 k h z 以上，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子 仪器才能检测出来。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利用声发射信号来推断声 发射源及其产生机理的技术称为声发射检测技术。 同超声波探伤的方法相比，用a e 法来发现缺陷时，没有必要给其施加能量，只要 设置几个a e 探测器，等待缺陷发出的波即可。需要的只是设置a e 探测器作业，即使a e 探测器与缺陷之间存在一定的距离，也可检测到a e 信号，根据a f _ 姻j 达的时间差，可 以确定a e 发生源的位置。而使用超声波探伤法，即使有缺陷存在，如果不施加外力， 也不产生a e ，也就不能检测到缺陷。此外超声波探伤法、放射线、炭粉探伤、浸透法 等非破坏检查法共有个缺点就是在检测时往往都必须停止作业中的设备，而a e 法不 需停止作业就能发现缺陷，也就是说，a e 法具有能够在线监测的优点p 击j 。 现代声发射探测技术开始于2 0 世纪5 0 年代初，k a i s e r 观察到铜、锌、铝、铅、锡、 黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中均有声发射现象，最为有意义的发现是材料 形变过程中声发射的不可逆效应，即材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大 应力之前不产生声发射信号，材料的这种不可逆现象即称为k a i s e r 效应【7 1 ，他同时还提 出连续型和突发型声发射信号的概念。这是现代声发射探测技术开始的标志。 由于声发射探测技术具有动态检测和分析的特点，从6 0 年代以来，得到许多发达国 家的重视，在理论研究、实验研究和工业实用三个方面做了大量的工作，并取得了很大 的进展【8 。15 | 。声发射理论和技术研究从不同声发射源模式或物理机制的理论与实验研究， 到声发射波在固体材料中的传播理论研究，以及将声发射含义的广义化- 壬广展新的研究 和应用领域：并将声发射技术用于结构完整性评价的经济和可靠性分析等【1 删。 2 0 世纪7 睥代和8 0 q z 代初，随着现代声发射仪器的出现，人们从声发射源机制、波 的传播和声发射信号分析方面开展了广泛和深入的系统研究。在生产现场也得到了广泛 的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。现代声发射仪器 的研制成功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。 1 1 2 声发射检测技术的应用领域 声发射检测技术与常规无损检测技术相比有两个基本特点，其一是对动态缺陷敏 感，在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现；其二是声发射波来自缺陷本身而非外部，可 以得到有关缺陷的丰富信息，检测灵敏度与分辨力高。与其它无损检测技术相比，其优 点是可获得关于缺陷的动态信息，并据此评价缺陷的实际危害程度以及结构的完整性 和预期使用寿命。对大型构件，无需移动传感器作繁杂的扫查操作，只要布置好足够 2 大连理工大学硕士学位论文 数量的传感器，经一次加载或试验即可大面积检测缺陷的位置和监视缺陷的活动情况， 操作简便、省时省工。可提供随载荷、时间和温度等外部变量而变化的实时瞬态或连 续信号，适用于过程监控以及早期或临近破坏的预报。对被检工件的接近要求不高， 因而适用于其它无损检测方法难以或无法接近( 如高低温、核辐射、易燃、易爆和极毒 等) 环境下的检测。对构件的几何形状不敏感，适用于其它方法不能检测的复杂形状 构件。适用范围广，因为几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射。 目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法己被广泛应用，主要应用领域有： ( 1 ) 石油化工行业 各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压储罐底部、 各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。 ( 2 ) 电力行业 高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，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。 ( 3 ) 材料试验 材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声 发射测试等。 ( 4 ) 民用工程 楼房、桥梁、起重机、隧道和大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。 ( 5 ) 航空航天工业 航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验和 运行过程中的在线连续监测等。 ( 6 ) 金属加工 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。 ( 7 ) 交通运输业 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。 ( 8 ) 其它应用 硬盘的干扰探测，常压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，摩擦磨损监 狈4 ，岩石探测，地质和地震应用，发动机状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊 的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监钡4 ，铸造过程监测，l i m n 0 2 电池的充放电监测， 人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验以及骨关节状况的监测。 3 基于光纤m z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 声发射可以看作是扩展的材料缺陷( 裂纹) 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 永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样，声发射检测技术是检测材料 损伤，特别是早期损伤的有力工具，也是对材料或结构状态进行动态监狈4 的重要方法。 鉴于声发射探测技术具有动态检测和分析的特点，因此声发射监测技术在工业水平上开 始作为一种非破坏性检查方法已经有3 0 年以上的历史了。与此相对应，声发射信号处理 的主要任务则应当包括声发射源识别、声发射源定位和损伤评价等。 1 1 3 光纤声发射检测技术的发展与应用前景 传感器是声发射检测的重要组成部分，其中光纤传感器( f i b e ro p t i cs e n s o r ，f o s ) 是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，它是光纤和光通信 技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传统传感器有本质区别，传统传感器具有如下 缺点： ( 1 ) 传感器必须与被测物体接触，破坏了声发射场的边界条件，影响其测量精度： ( 2 ) p z t 的工作频带较窄，且带内幅频特性的波动比较大，可至3 0 d b ； ( 3 ) 易受电磁干扰。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。由于其同 时具有光纤及光学测量的特点，并且体积小、重量轻、灵敏度高、不受电磁及湿度的影 响，自产生以来倍受瞩目，尤其是在材料的无损检测方面有着日益显示出突出的地位。 2 0 世纪6 0 年代以来，声发射技术在理论、实验和应用研究等方面取得了很大进展， 在检测系统的研制方面，许多新型a e 检测系统不断问世并被成功应用。采用光纤干涉 仪的原理能设计出性能很好的光纤a e 传感器，与传统的压电陶瓷p z t 相比，光纤a e 传 感器能完全克服压电式声发射传感器的缺点，具有灵敏度高、体积小、频带宽、易构成 分布式检测且能在强电磁干扰、高温高压、核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下使用。 近期人们将注意力集中于用声发射无损评价材料与构件的完整性，或预测构件的强 度与爆破压力。当产品的形状与结构复杂时，工业生产流水线上较普遍欢迎采用声发射 技术对构件作快速无损评价，这里仅需将构件( 或零件) 设置在较低的应力与温度运行 环境下( 相对构件正常使用时) ，用声发射信号动态识别构件是否有危害性缺陷( 即使 是十分微小的缺陷) 和整体上的不匹配。其依据是构件中不易用其它方法探测到的小缺 陷在低的应力条件下也会产生一定的声发射信号口】。 至今，人们评价压力容器整体性能的常规做法是，在实验室条件下给其加压至接近 或高于实际使用压力，考验其是否出现异常情况，这时对压力容器来说可能己产生了某 种损害，工业设计部门及用户对此试验方法一直持保留态度。根据这一情况，美国科学 家首先提出了以观测压力容器在远低于实际使用压力条件下的声发射信号来预测该容 4 大连理工大学硕士学位论文 器的爆破压力与强度。由于压力容器，尤其是纤维增强复合材料压力容器爆破压力和强 度与低压力状态下声发射信号关系复杂，目前还只能通过大量实验积累众多的数据，以 达到准确预测的目的i 冽。 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，可以构成 各类光纤a 宦传感器1 2 7 1 。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。 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【圳。其中基于f - p 干涉仪的光纤a e 传感器是最有希望实 用的一类传感器，f b g 式a e 传感器灵敏度高且易构成分布式检测，但温度、应力交叉 敏感问题，是其实用化的最大障碍。光强调制a e 传感器信号解调简单，但灵敏度低限 制了它的使用。s a g n a c 式a e 传感器具有抗干扰能力超强，探头设计灵活等优点，适合 于大型构件a e 检测。m z 和m i c h e l s o n 式光纤a e 传感器的长敏感长度容易带来信号漂 移，而相应的稳定措施很复杂。一些基于新传感机理的光纤a e 传感器基本属于一种探 索和尝试，其实用化有待提高。 1 2 国内外研究现状 目前，国内对于光纤a e 传感器应用于声发射检测的研究主要在武汉理工大学、哈 尔滨工程大学、燕山大学、香港理工大学等高校，燕山大学在光纤a e 传感器方面的研 究多是利用基于f a b r y p e r o t 原理的干涉式光纤a e 传感器，哈尔滨工程大学在这方面 的研究较多，有基于m i c h e l s o n 光纤干涉仪原理的a e 传感器、基于s a g n a c 光纤干涉仪 的a e 传感器、基于f i z e a u 光纤干涉仪原理的a e 传感器以及基于m a c h z e h n d e r 光纤干 涉仪原理的a e 传感器，但也是停留在研究阶段，还未实用化、产品化。国外在二十世 纪七十年代末就开始了光纤a e 传感器的研究。主要是基于m i c h e l s o n 、f a b r y p e r o t 、 s a g n a c 、f i z e a u 光纤干涉仪原理的声发射传感器，对于光纤a e 传感器在混凝土监测方 面已经进入了实用化阶段。现在，国外采用双光源通过两个光纤耦合器组合式检测已用 于爆破等的测量1 2 9 】，这种结构能增强检测系统的灵敏度和稳定性，而我国这方面的技术 还不是很成熟。 现在，光纤a e 传感器在超低频( 2 0 h z 以下) 或超高频( i m i z 以上) 的阵列式光纤a e 传感、无损检测( n d t ) 、应力测量、混凝土监测等方面的应用成为全球的热门，它有望 全面代替传统的p z t 式a e 传感器。但是，光纤a e 检测技术也存在一些问题，如检测的 稳定性问题、声源的定位问题、光纤传感系统与智能结构的兼容问题、实际应用中光纤 5 基于光纤m z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 a e 传感器的工艺研究问题等，只有解决了这些问题，才能将光纤声发射检测全面推向 实用化。 1 3 本课题的研究内容、目标 这种m z 与s a g n a c 干涉仪组合式结构鲜见报道，本文尝试利用这种组合式结构进 行a e 信号检测，希望能提高a e 检测系统的灵敏度和稳定性。 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 声发射机理与声传输特性原理：着重介绍声发射产生的机理，声发射源的种类， 以及描述声波与声场的各种物理参量。 ( 2 ) 声源与声波在固体中的传播；简要分析声波垂直入射与倾斜入射介质面时，声波 所发生的反射与折射等传播特性。 ( 3 ) 光纤声发射传感器结构及原理；重点介绍基于m i c h e l s o n 、m a c h z e h n d e r 、f i z e a u 、 s a g n a c 等干涉原理而构建的用于声发射检测的光纤干涉仪，并推导出各种光纤干涉仪 的输出光强与声发射信号特性( 如频率，幅值等) 的关系。 ( 4 ) 基于m z 与s a g n a c 组合干涉仪的光纤a e 传感器检测系统的组成及原理；构建光 纤m z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射检测系统，对其原理进行了理论分析。 ( 5 ) 计算机仿真与实验结果。利用计算机对系统的输出光强表达式进行了软件仿真， 分析在不同的初位相和信号强度下，干涉仪检测结果的频率特性。 本课题希望通过对各种声发射检测系统结构和原理的分析和对a e 信号的检测结果 的分析与讨论，探索构造一种较为稳定的光纤a e 信号的光纤检测系统。 大连理工大学硕士学位论文 第2 章声源与声波在固体中的传播 在外部条件下，固体( 材料或零部件) 的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹 性波及释放所积蓄的应变能而发出声波的传播现象称为声发射，又称应力波发射。一般 情况下a e 波的幅度小至埃的数量级( 1 0 1 ) ，频率高达兆赫级( 1 0 6 h z ) 。但近年来声发射 研究范围已扩大，比如说泄漏声音、轴承的滑动声音、木材干燥时产生的声音、瓜果中 流体的声音等也都被称为a e 。 2 。1声发射源 不同的声源机制对应不同的发射声波，因而也对应不同的a e 信号。尽管导致声发 射的机理是多种多样的并且声发射的外部原因是多种多样的，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种频率的声波。a e 可以看作是扩展的材料缺陷( 裂纹) 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。 2 1 1 声发射源 所有无损检测方法的共同日的都是为了发现缺陷，而a e 探测技术的核心问题是由 接受的信号反推到声发射源的问题，即所谓的“反向源”或“逆源”问题。声发射信号 处理的最终目的是得到对声发射源的描述，其主要内容是源的性质、源的位置和源的破 坏性程度。源的破坏性程度是对声发射源进行的定量评价，目前基本上以各种声发射信 号参数来加以衡量，如以信号的幅度、能量和计数等来衡量源的强度，以产生声发射信 号的反射频率和能量释放速率来衡量源的活度。或者综合评定声发射信号的幅度、能量 等参数随载荷或时间的变化等。声发射源的定性问题，即确定所测得的声发射信号是由 什么性质的源产生的，最直接的方法是在声发射检测后，对发现的声发射源部位经磁粉、 渗透、超声和射线探伤等常规无损检测方法进行复检。通过直接分析识别声发射信号来 确定声发射源的性质，是目前声发射检测中最难解决的问题，也是研究热点。迄今为止， 人们广泛采用波形分析技术、频谱分析技术和人工神经网络模式识别技术等，均取得了 初步成功。声发射技术在应用的过程中，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、有哪些机构和过程产生声发射。这是一 个根复杂的问题。因为至今从原始的a e 源检测到原始的a e 信号还比较困难，这就给声 发射的研究带来一定的困难。但是，在a e 技术的应用中，其目的就是找出a e 源的位置、 了解它的性质、判断它的危险性。正是由于a e 源的研究在a e 技术应用中的重要性，促 使许多研究者不得不去研究a e 源的问题。 7 基于光纤m - z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 a e 源可以分为模拟a e 源和自然a e 源。因为a e 技术上依赖于对a e 过程中所产生 的瞬态弹性波信号的检测，所以研究模拟a e 源是非常有用的也是必要的。通过对探测 到的声发射信号进行处理和分析，可以得到被探钡4 材料和结构内声发射源的大量信息。 然而，受声发射源的自身特性、声发射源到换能器的传播路径、换能器的特性和声发射 仪器测量系统等多种因素的影响，声发射换能器输出的声发射电信号波形十分复杂，它 与真实的舡源信号相差很大，有时甚至面目全非。因此，如何根据声发射换能器输出 的电信号来获取有关a e 源的信息一直是人们面临并努力加以解决的问题。最简单的就 是，连续的a e 能够通过摩擦材料的表面来模拟，瞬态的模拟a e 源可以通过瞬间断裂来 模拟。现在，我们通过使用脉冲变换器作为再生的模拟a e 源，把其信号用光纤a e 传感 器检测以后，然后通过电路放大，再进行分析、信号与数据处理得到我们想要的信息。 在自然a e 源中，有很多是和条件监控相关的，如金属塑性变形、断裂、相变、磁效应、 表面效应、摩擦、碰撞、气穴现象、涡流等过程。这些a e 源，都产生瞬间a e 信号，即 在非常短的时间空间某一点内产生一个瞬态波。a e 源的信号就像周期非常短的脉冲信 号，但其频谱却很宽。 实际上，连续型声发射信号也是由大量的突发型信号组成的，只不过太密集而不能 分辨而已。目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一类是以多个简化的波形 特征参数来表示声发射信号的特征，然后对其进行分析和处理；另一类为存储和记录声 发射信号的波形，对波形进行频谱分析。简化波形特征参数分析法是2 0 世纪5 0 年代以 来广泛使用的经典声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎 所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。很好地了解a e 源及 其信号的特征，对a e 技术的应用是非常有必要的。 2 1 2a e 源产生的机理 不同的声发射源产生的机理不一样，并且a e 源涉及的范围非常广泛。 1 、位错运动产生的a e 源的机理 滑移变形是金属和合金形状不可逆变化的基本结构之一。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产生a e 的条件【3 0 j 。 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，在运动到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 的应交能增加，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。 8 大连理工大学硕士学位论文 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仅限于表面波的速度，这种弹性波的上限频率为 t o m r 娅- t z 。如此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。 2 、断裂产生的a e 源的机理 断裂的过程中会形成裂纹，而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。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。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三个阶段，( 1 ) 裂纹成核；( 2 ) 裂纹扩展；( 3 ) 最终断裂。 这三个阶段都可以成为强烈的a e 源。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，产生入耳可以听见的声音。 3 、其它a e 源的机理 其它几种a e 源的机理可用表2 1 来表示。 袭2 1 其他的a e 源及其产生的机理 其他的a e 源产生的机理 碰撞在碰撞点产生局部的表面位移 在两个接触点( 面) 产生相对滑动时立即释放出该处所 摩擦 储藏的弹性应变能 气穴现象在泡沫形成的过程中泡沫产生的崩溃 涡流漩涡的崩溃 由表2 1 可知，其它不同的a e 源，其产生的机理是不一样的，摩擦产生的a e 源的 机理与位错运动产生的a e 源的机理存在一点相似之处。 9 基于光纤m - z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 声发射检测特别是在超声检测中，就是给被检查对象旌加压力或其它外部条件( 如 温度等) ，使检测对象中的缺陷或潜在缺陷发声，根据接收到来自缺陷的应力波推测缺 陷的位置和太小。声发射技术的发展十分重视声发射源的研究，发展声发射源定位的技 术和评价被测物体缺陷的有害度。 2 2 声波的分类 2 2 1 描述声波的基本物理量 声速：单位时间内，声波在介质中传播的距离，用符号c 表示。 频率：单位时间内，声波在介质上任一给定点所通过完整波的个数，用符号“， 表示。 波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个相位相同的质点之间的距离，用符号“且” 表示。 角频率：角频率以符号“脚”表示，定义为。= 2 丌五 周期：声波向前传播一个波长距离时所需的时间，用符号“r 表示。 上述各量之间的关系为： t t ( 1 ，) 。( 2 石，m ) 。a i c ( 2 1 ) 2 2 2 声波的分类 。 声波根据介质质点的振动方向与波的传播方向之间的关系，可将声波分为纵波、横 波、板波和表面波 3 1 。3 1 。 l 、纵波 介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的声波叫纵波，用l ( 1 0 n g i t u d i n a l w a v e ) 表示。纵波是由于介质质点在交变拉压力的作用下，质点之间产生相应的伸缩变 形而形成的。纵波传播时，介质的质点疏密相闻，所以有时叉称为压缩波或疏密波。 固体介质可以承受拉压应力的作用，可以传播纵波；液体和气体虽不能承受拉应力， 但在压应力作用下会产生体积变化，故也可传播纵波。 2 、横波 介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的声波叫横波。用s 表示。 横波是由于介质质点受到交变切应力作用，产生切向形变而形成的，因此横波也称 为切变波。 固体介质能够承受切应力，而液体和气体不能承受切应力，因此横波只能在固体介 质中传播，不能在液体和气体中传播。 3 、 表面波 l o 大连理工大学硕士学位论文 表面波是一种沿介质表面传播的声波，又称为瑞利波，用r ( r a y l e i g hw 0 v e ) 表示。 表面波的能量随着在介质中传播深度的增加而迅速降低，有效透入深度大约为一个 波长。表面波同横波一样只能在固体介质中传播，不能在液体和气体介质中传播。 4 、板波 板波( 也称为兰姆波，l a i n bw a v e ) 是在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的声波。 2 3 声场及介质的声参量 2 3 ，1 描述声场的物理量 声压p ：声场中某点在某一瞬间具有的压强p 1 与没有声场存在时同一点的静态压强 p o 之差，定义为该点声压，常用p 表示，单位为帕斯卡，1 p a = l n m 2 。 声强，：在声波传播方向上，单位时间内单位截面上的声能称为声强，用，表示， 单位是w c m 2 。 分贝：引起听觉的最弱声强为声强标准，声学上称为“闻闽”，用，0 表示，l o = 1 0 d 6 w c m 2 。某一声强与标准声强之比取常用对数的值，称为声强级，用皿表示，声强级 的单位是贝尔( b ) ，即： r l ( b ) 一l g ( i i 。)( 2 2 ) 常用分贝( d b ) 作为声强级的单位。 l d b - 1 0 1 9 o ) = 2 0 i g ( p p o )( 2 3 ) 式中，j 表示声场中某点的声强，p 表示声场中某点的声压，p o 同一点的静态 压强。 2 3 2 介质的声参量 声阻抗：声波在介质中传播时，任一点声压p 与该点速度的振幅y 的比值称为声阻 抗，用z 表示。单位是g ( c m l s ) 或k g ( e m 2 s ) 。 声速：声波在介质中传播的速度称为声速。常用c 表示。 声衰减系数：在传声介质中，单位距离内某一频率下声波能量的衰减值称为该频率 下该介质的衰减系数，用茁表示，单位为d b m 。 2 4 声波在介质中的传播 由于实验系统中声源为贴在平板上的p z t ，所以我们只考虑声波入射到平界面上时 的情形。 、 声波如果是在无限大的介质中传播，将一直向前传播，并不改变方向。但如果遇到 基于光纤m - z 与s a g n a c 组合干涉仪的声发射探测研究 异质界面( 声阻抗差异较大的界面) 时，就会产生反射和透射，一部分声波在界面上被反 射回第一介质，另一部分透过介质界面进入第二种介质中。 2 4 1 声波垂直入射到单一界面上的反射和透射 当声波垂直入射到一个足够大的光滑平界面时，会在第一介质中产生一个与入射波 方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射方向相同的透射波。反射波与透射波 的声压( 声强) 按一定比例分配，由声压反射率( 或声强反射率) 和声压透射率( 或声强透 射率) 来表示。 声压反射率；声压反射率是界面上的反射波的声压口与入射波的声压皿的比值， 用符号，表示： ，=告=丽z2-z1p ( 2 4 ) oz 2 + 五 式中，z 为介质1 的声阻抗；易为介质2 的声阻抗。 声压透射率：声压透射率是界面上的透射波的声压皿与入射波的声压励的比值， 用符号亡表示； f ：旦上l ( 2 5 ) p dz 2 + z 1 、7 声强反射率：声强反射率是界面上的反射波的声强，r 与入射波的声强，0 的比值，用 符号尺表示： n 纠精) ，o iz 2 + z l 、 声强透射率：声强透射率是界面上的