專(zhuān)利名稱(chēng)：一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法
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，特別涉及一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)受到外界作用(如應(yīng)力、溫度、腐蝕、載荷等)時(shí)，金屬材料或復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生變形或斷裂，同時(shí)釋放出彈性能，稱(chēng)為聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)就是采用高靈敏度的聲發(fā)射傳感器實(shí)時(shí)采集這些來(lái)自于材料缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，并通過(guò)對(duì)這些聲發(fā)射信號(hào)的分析處理，來(lái)了解材料缺陷的發(fā)展情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料健康狀況的監(jiān)測(cè)。由于聲發(fā)射技術(shù)的動(dòng)態(tài)性、敏感性、整體性、普適性等優(yōu)點(diǎn)，使得它在航空、航天、地震預(yù)報(bào)以及金屬加工等方面有廣泛的應(yīng)用。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向周期性變化的折射率。當(dāng)一束寬帶光進(jìn)入光纖布拉格光柵時(shí)，只有滿(mǎn)足其反射條件(布拉格波長(zhǎng))的很窄的光才能被光纖布拉格光柵反射回去，其余的光透射而出，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成ー個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。由于光纖布拉格光柵的抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、對(duì)電絕緣、成本低及易于實(shí)現(xiàn)復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖布拉格光柵ー經(jīng)問(wèn)世，便在光纖傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并在高速公路、橋梁、礦山、地質(zhì)勘探、鉄路、石油/天然氣管道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的光纖光柵傳感系統(tǒng)如中國(guó)專(zhuān)利CN200920129512. 2 “ー種光纖光柵傳感器及光纖光柵傳感系統(tǒng)”、CN200610130121. 3 “光纖光柵傳感系統(tǒng)”都可以同時(shí)測(cè)量溫度與應(yīng)變；現(xiàn)有的光纖聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)如中國(guó)專(zhuān)利CN201110207340. 8 “ー種基于光纖布拉格光柵的聲發(fā)射信號(hào)傳感系統(tǒng)”等聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)適于在恒溫環(huán)境下檢測(cè)，若環(huán)境溫度變化較大，則會(huì)影響光纖布拉格光柵檢測(cè)精度。

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，將光纖布拉格光柵引入聲發(fā)射領(lǐng)域，提供了一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w布拉格光柵聲發(fā)射傳感方法，該方法具有檢測(cè)靈敏度高、不受電磁干擾、適于動(dòng)/靜態(tài)檢測(cè)、適于恒溫/變溫環(huán)境工作等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法，將摻鉺光纖激光器4與匹配光纖布拉格光柵5相連，輸出溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)6到達(dá)傳感光纖布拉格光柵7 ;外界作用I作用于金屬或復(fù)合材料2，使之產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)3，并使用傳感光纖布拉格光柵7接收聲發(fā)射信號(hào)3，反射出調(diào)制光信號(hào)8 ;調(diào)制光信號(hào)8進(jìn)入光電探測(cè)器9轉(zhuǎn)換為電信號(hào)10，到達(dá)后期信號(hào)分析處理11 ；其中，摻鉺光纖激光器輸出的光經(jīng)匹配光纖布拉格光柵后，只有符合匹配光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的窄帶光被反射出去，由于匹配光纖布拉格光柵與傳感光纖布拉格光柵處于同一溫度場(chǎng)，故二者溫度變化相同，抵消了傳感光纖布拉格光柵由于環(huán)境溫度影響產(chǎn)生的波長(zhǎng)漂移，即匹配光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)，到達(dá)傳感光纖布拉格光柵，使其處于工作點(diǎn)(反射譜3dB帶寬處)；當(dāng)外界作用(應(yīng)力、腐蝕、載荷等)到達(dá)金屬或復(fù)合材料時(shí)，會(huì)引起后者內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)伴隨有聲發(fā)射信號(hào)，該聲發(fā)射信號(hào)被耦合于金屬或復(fù)合材料表面的傳感光纖布拉格光柵接收到，引起傳感光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，輸出調(diào)制光信號(hào)，該調(diào)制光信號(hào)被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)行后期信號(hào)分析處理。進(jìn)ー步的，所述匹配光纖布拉格光柵為可調(diào)諧光柵，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、溫度靈敏系數(shù)參數(shù)一致，中心波長(zhǎng)相差O. lnm。進(jìn)ー步的，所述傳感光纖布拉格光柵耦合于金屬或復(fù)合材料的表面若傳感光纖布拉格光柵未封裝，則用502膠水粘貼于金屬或復(fù)合材料的表面；若傳感光纖布拉格光柵已封裝，則將封裝后的傳感光纖布拉格光柵使用凡士林耦合于金屬或復(fù)合材料的表面。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)有的光纖布拉格光柵傳感器大多數(shù)都工作 在恒溫或溫度變化較小的環(huán)境下，一旦環(huán)境溫度變化較大，光纖布拉格光柵的檢測(cè)精度便會(huì)降低，影響最終檢測(cè)結(jié)果，而本發(fā)明采用的自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w布拉格光柵聲發(fā)射傳感方法，可以最大限度的降低溫度對(duì)光纖布拉格光柵傳感器的影響，使得光纖布拉格光柵傳感器在變溫環(huán)境下同樣具有正常工作的能力，同時(shí)降低了系統(tǒng)的成本，利于工程實(shí)際應(yīng)用。


圖I是自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法；圖中1、外界作用(應(yīng)力、腐蝕、載荷等)，2、金屬或復(fù)合材料，3、聲發(fā)射信號(hào)，4、摻鉺光纖激光器，5、匹配光纖布拉格光柵,6、溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào),7、傳感光纖布拉格光柵,8、調(diào)制光信號(hào),9、光電探測(cè)器,10、電信號(hào)，11、后期信號(hào)分析處理；圖2是光纖布拉格光柵匹配溫度補(bǔ)償原理。
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I所示，本發(fā)明所述的自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法包括傳感和解調(diào)兩個(gè)步驟其中，傳感通過(guò)與待檢測(cè)金屬或復(fù)合材料2相耦合的傳感光纖布拉格光柵7來(lái)實(shí)現(xiàn)；解調(diào)包括光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、采集及處理。具體實(shí)施如下?lián)姐s光纖激光器4輸出的光經(jīng)匹配光纖布拉格光柵5后,只有符合匹配光纖布拉格光柵5中心波長(zhǎng)的窄帶光被反射出去，由于匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7處于同一溫度場(chǎng)，故二者溫度變化相同，即匹配光纖布拉格光柵5實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)6，到達(dá)傳感光纖布拉格光柵7，使其處于工作點(diǎn)(反射譜3dB帶寬處);當(dāng)外界作用(應(yīng)力、腐蝕、載荷等)I到達(dá)金屬或復(fù)合材料2時(shí)，會(huì)引起后者內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)伴隨有聲發(fā)射信號(hào)3，該聲發(fā)射信號(hào)被耦合于金屬或復(fù)合材料2表面的傳感光纖布拉格光柵7接收到，引起傳感光纖布拉格光柵7的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，輸出調(diào)制光信號(hào)8，該調(diào)制光信號(hào)被光電探測(cè)器9轉(zhuǎn)換為電信號(hào)10，再進(jìn)行后期信號(hào)分析處理11。匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7,都是反射譜3dB帶寬小于O. 3nm的光柵，反射率在90%以上。摻鉺光纖激光器4發(fā)出的光到達(dá)匹配光纖布拉格光柵5后,只有符合匹配光纖布拉格光柵5中心波長(zhǎng)的窄帶光被反射出去。同時(shí)匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵7相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬、溫度靈敏系數(shù)等參數(shù)基本一致，中心波長(zhǎng)相差O. Inm,如圖2所不。匹配光纖布拉格光柵5的中心反射波長(zhǎng)恰好位于傳感光纖布拉格光柵7的3dB工作點(diǎn)處,經(jīng)匹配光纖布拉格光柵5反射的光使得傳感光纖布拉格光柵7具有最高的工作靈敏度。又由于匹配光纖布拉格光柵5與傳感光纖布拉格光柵 7處于同一溫度場(chǎng)中，二者的反射譜隨溫度變化相同，這就極大的消弱了溫度對(duì)傳感光纖布拉格光柵7的影響，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，即匹配光纖布拉格光柵5輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)6。此時(shí)，接收到窄帶光信號(hào)6的傳感光纖布拉格光柵7只受到外界應(yīng)カ的影響。當(dāng)外界作用(應(yīng)力、腐蝕、載荷等)I到達(dá)金屬或復(fù)合材料2時(shí)，會(huì)引起后者內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)伴隨有聲發(fā)射信號(hào)3。聲發(fā)射信號(hào)3屬于應(yīng)力波，被耦合于金屬或復(fù)合材料2表面的傳感光纖布拉格光柵7接收到,改變了傳感光纖布拉格光柵7的柵區(qū)周期長(zhǎng)度，同時(shí)由于彈光效應(yīng)引起柵區(qū)折射率變化，導(dǎo)致傳感光纖布拉格光柵7的中心發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生變化，輸出調(diào)制光信號(hào)8。光電探測(cè)器9，將接收到的調(diào)制光信號(hào)8轉(zhuǎn)換為電信號(hào)10。調(diào)制光信號(hào)8經(jīng)過(guò)數(shù)次反射、光纖接ロ、光路損耗等，信號(hào)極其微弱，且具有較寬頻帶，故此處需用頻帶寬、信噪比高、轉(zhuǎn)換速度快的光電探測(cè)器。后期信號(hào)分析處理11包括對(duì)電信號(hào)10的放大、A/D轉(zhuǎn)換、采集、處理等。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(jiàn)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
1.一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法，將摻鉺光纖激光器(4)與匹配光纖布拉格光柵(5)相連,輸出溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)(6)到達(dá)傳感光纖布拉格光柵(7);外界作用(I)作用于金屬或復(fù)合材料(2)，使之產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)(3)，并使用傳感光纖布拉格光柵(7)接收聲發(fā)射信號(hào)(3)，反射出調(diào)制光信號(hào)(8);調(diào)制光信號(hào)(8)進(jìn)入光電探測(cè)器(9)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(10)，到達(dá)后期信號(hào)分析處理(11); 其特征是包括以下步驟 其中摻鉺光纖激光器(4)輸出的光經(jīng)匹配光纖布拉格光柵(5)后，只有符合匹配光纖布拉格光柵(5)中心波長(zhǎng)的窄帶光被反射出去，匹配光纖布拉格光柵(5)與傳感光纖布拉格光柵(7 )處于同一溫度場(chǎng)，二者溫度變化相同，即匹配光纖布拉格光柵(5 )實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ) 償，輸出經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的窄帶光信號(hào)(6)，到達(dá)傳感光纖布拉格光柵(7)，使其處于工作點(diǎn)，即反射譜3dB帶寬處；當(dāng)外界作用(I)到達(dá)金屬或復(fù)合材料(2)時(shí)，會(huì)引起后者內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)伴隨有聲發(fā)射信號(hào)(3)，該聲發(fā)射信號(hào)被耦合于金屬或復(fù)合材料(2)表面的傳感光纖布拉格光柵(7)接收到，引起傳感光纖布拉格光柵(7)的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化,輸出調(diào)制光信號(hào)(8)，該調(diào)制光信號(hào)(8)被光電探測(cè)器(9)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(10)，再進(jìn)行后期信號(hào)分析處理(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法，其特征是所述匹配光纖布拉格光柵(5)為可調(diào)諧光柵,要與傳感光纖布拉格光柵(7)相匹配，反射率、邊模抑制比、3dB帶寬、溫度靈敏系數(shù)參數(shù)一致，中心波長(zhǎng)相差O. lnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法，其特征是所述傳感光纖布拉格光柵(7)耦合于金屬或復(fù)合材料(2)的表面若傳感光纖布拉格光柵(7)未封裝，則用502膠水粘貼于金屬或復(fù)合材料(2)的表面；若傳感光纖布拉格光柵(7)已封裝，則將封裝后的傳感光纖布拉格光柵(7)使用凡士林耦合于金屬或復(fù)合材料(2)的表面。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自帶溫度補(bǔ)償?shù)钠ヅ湫凸饫w光柵聲發(fā)射傳感方法，其目的在于提高光纖光柵在變溫環(huán)境下的檢測(cè)精度，擴(kuò)大光纖光柵傳感器在聲發(fā)射檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，所述傳感方法包括傳感和解調(diào)兩部分；其中，傳感部分主要通過(guò)與待檢測(cè)材料相耦合的傳感光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)；解調(diào)部分包括光電轉(zhuǎn)換、放大、采集、處理等。本發(fā)明主要用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及結(jié)構(gòu)重要部件的損傷檢測(cè)，相比于采用窄帶光源的功率型光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)，本發(fā)明自帶溫度補(bǔ)償，可有效減小溫度變化對(duì)光纖光柵傳感器的影響，提高光纖光柵傳感器的檢測(cè)精度，同時(shí)降低了設(shè)備成本，利于實(shí)際工程應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N29/14GK102680581SQ20121018745
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者李寧, 李成貴, 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)