孫 飛, 韓仁學(xué)

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心,哈爾濱 150027)

光纖傳感器對煤巖體聲發(fā)射的檢測

孫 飛, 韓仁學(xué)

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心,哈爾濱 150027)

為實時掌握煤巖體安全狀況,將光纖 Sagnac傳感器應(yīng)用于煤巖體的聲發(fā)射檢測。當(dāng)煤巖體因外力或內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號被光纖傳感器檢測到,光纖傳感器輸出端的輸出光強便發(fā)生變化;通過對輸出光強進行監(jiān)測,并經(jīng)傅立葉變換后得到聲發(fā)射信號的頻率特征。對整個系統(tǒng)進行計算機仿真,結(jié)果表明,該系統(tǒng)適用于煤巖體聲發(fā)射信號的特征識別。

聲發(fā)射;煤巖體;光纖傳感器

Abstract:This paper is an effort to realize the real t ime control of coal and rock security using the optical fiber sensor to test acoustic emission of coal and rock.The optical fiber sensor’s detection of acoustic emission signal arising from externalor internal defects tends to give rise to changes in output light intensity of output terminal.The frequency characteristics ofAE signal is obtained by detecting the output optical intensity and using Fourier transfo rm technique.The computer simulation of the system shows that the system is capable of identifying the AE frequency characteristics in the coal rock tran smission.

Key words:acoustic emission;coal rock;optical fiber sensor

0 引 言

經(jīng)統(tǒng)計,從 2009年 1月到 2010年 11月全國煤礦共發(fā)生傷亡 4人以上的安全事故 88起,這些事故不僅嚴(yán)重影響了煤礦的經(jīng)濟效益,更直接威脅到井下礦工的生命安全。這些安全事故多是由于煤礦井下發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化,最終導(dǎo)致煤礦的動力性破壞造成的。因此,國家正加大對煤礦井下安全檢測的科研扶持力度。而井下安全檢測一個重要方向就是檢測煤巖體聲發(fā)射現(xiàn)象。

聲發(fā)射 (Acoustic Emission,簡稱 AE)又稱應(yīng)力波發(fā)射,是材料或零部件受力作用產(chǎn)生變形、斷裂,或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段,以瞬態(tài)彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射現(xiàn)象表征了固體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點和潛在缺陷,可以通過對聲發(fā)射信號的檢測和分析來評估被測固體的健康狀況。聲發(fā)射絕大部分是人耳聽不到的,因此儀器是其檢測的主要方面。利用儀器進行探測、記錄、分析聲發(fā)射信號,并且根據(jù)聲發(fā)射信號來推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱之為聲發(fā)射技術(shù)。

近 20年來,我國在結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)控和無損檢測領(lǐng)域,利用光纖傳感器實現(xiàn)聲發(fā)射檢測的研究取得了許多成果[2-5]。光纖傳感器不僅具有體積小、重量輕、易于與結(jié)構(gòu)相藕合的結(jié)構(gòu)優(yōu)點;而且在功能上可以對應(yīng)變、溫度、振動、超聲以及裂紋等許多參數(shù)和狀態(tài)進行檢測,具有高靈敏度、響應(yīng)快的優(yōu)點。在實際應(yīng)用中光纖由于不受電磁干擾,材質(zhì)安全穩(wěn)定,絕緣性好等優(yōu)點非常適合在惡劣環(huán)境中工作,并且光纖既可以作為傳感器又可以作為信號傳輸通道。因此,筆者將光纖 Sagnac傳感器應(yīng)用于煤巖體的聲發(fā)射檢測中,以期更好地判斷裂紋的種類和危害程度。

1 工作原理

1.1 光纖傳感器

提出一種基于 Sagnac干涉儀原理構(gòu)成的光纖傳感器,用來檢測聲發(fā)射。該傳感器既可埋入固體內(nèi)部,又可貼附在固體的表面上來探測固體結(jié)構(gòu)中伴隨著微裂紋發(fā)生及各種原因產(chǎn)生的聲發(fā)射。

圖 1為光纖 Sagnac干涉儀的示意結(jié)構(gòu)。LD是激光二極管,PD是光電二極管。傳導(dǎo)光纖 l1和 l2是干涉儀的兩個臂,起傳輸光的作用,光纖敏感區(qū)域l是一段被纏繞成圓環(huán)狀的光纖,用來檢測聲發(fā)射信號,2×2光纖 3 dB耦合器被用來分解和合成干涉光束。從耦合器的一個端注入的光經(jīng)過耦合器后被分成兩束,一束光經(jīng) l1→l→l2傳輸回到耦合器,另一束經(jīng) l2→l→l1傳輸回到耦合器。兩束光相遇產(chǎn)生干涉。

圖 1 光纖 Sagnac干涉儀原理Fig.1 Fiber optic Sagnac interferometer

當(dāng)超聲波 (聲發(fā)射信號)作用于 l時,在 l中傳輸?shù)膬墒獾奈幌啾徽{(diào)制。超聲波對 l1和 l2的作用可以忽略不計,到達光探測器的兩束光的光波場EL和 ER可被表示為[6-8]:

式中:P——與注入光的振幅和耦合器的插入損耗成正比的常數(shù);

ω——光波的頻率;

φe——超聲波導(dǎo)致的傳感區(qū)域兩束光位相的變化;

τ1、τ2——這兩束光通過 l1和 l2從 l傳播到光探測器所經(jīng)歷的時間;

φ1、φ2——兩束光在 l的初位相,與超聲波作用在 l上的位置有關(guān)。

文中認為作用在煤巖體中的聲波是線性傳播。作用在光纖 l上的聲波,對 l中傳輸?shù)墓獠ǖ南辔坏恼{(diào)制可表示為

式中:ωu——聲波的頻率;

φe0——相位變化的幅值,與聲波的強度成正比。Δφe可表示為

其中 ,τ=τ1+τ2,τ′=τ1-τ2。

在實際檢測中,通常只考慮信號的交流部分

式中:u、U——介質(zhì)固體和氣體部分的位移向量;

θ、ε——固體和氣體部分的體應(yīng)變;

A、N——與彈性波理論中的拉梅系數(shù)相對應(yīng)(N=μ);

R——氣體體應(yīng)變與氣體壓力間的系數(shù);

Q——固體與氣體體積變化間的耦合性質(zhì);

ρ11——單元體中固體相對氣體運動時,固體部分的總的等效質(zhì)量;

改革開放以來，隨著中外文化藝術(shù)交流的進一步步提速，抽象美術(shù)被更多的介紹到中國。國內(nèi)美術(shù)家有的也開始創(chuàng)作抽家美術(shù)作品。這些作品讓人眼目一新，感到很美，但真能欣賞的不多，因此，尚未形成大氣侯。

ρ12——氣體相對于固體部分時,氣體部分總的等效質(zhì)量;

ρ22——氣體和固體之間的質(zhì)量耦合系數(shù)。

橫波方程為

式 (2)與彈性理論中的橫波方程具有相同的形式,Vs為橫波的傳播速度。

縱波方程為

其中,P=A+2N。

由含瓦斯煤體橫波方程和縱波方程可以看出,雙相介質(zhì)中的橫波方程仍然保持單相介質(zhì)中的傳播形式;縱波方程發(fā)生明顯改變,并且方程比較復(fù)雜。

在檢測煤巖體的聲發(fā)射信號的過程中,要將光纖傳感器探頭附著在煤巖體的表面,檢測到的聲發(fā)射信號以橫波為主,因此,以橫波信號的特點來分析煤巖體內(nèi)部情況。

文中提出光纖聲發(fā)射檢測系統(tǒng),光纖探頭對各種信號都能敏感探測。圖 2是光纖探頭的制作示意圖,光纖探頭有效接收部分為排除最外側(cè)一圈的內(nèi)側(cè)部分,其螺旋圈數(shù)越多靈敏度越大,由此可以計算光纖探頭靈敏度:

式中:n——折射率;

λ0——真空中光的波長;

ξ——光應(yīng)變補償系數(shù);

UDCmax——干涉儀最大直流輸出電壓;

q——光纖單面環(huán)的數(shù)目;

p——環(huán)面的個數(shù);

J1——一階貝賽爾函數(shù);

Ri——第 i個環(huán)的半徑。

圖 2 光纖探頭Fig.2 FOD sensor

1.2 波導(dǎo)器

在煤巖體傳統(tǒng)檢測中多使用波導(dǎo)器進行檢測。圖 3為波導(dǎo)器的簡易示意圖,波導(dǎo)器由前端波導(dǎo)桿和后端連接的壓電陶瓷傳感器組成,輸出信號為電信號。

圖 3 波導(dǎo)器Fig.3 Waveguide

波導(dǎo)器與煤巖體接觸良好時,波導(dǎo)器長度從0.1 m到 1 m變化時信號數(shù)變化不大,從 1 m到5 m變化時信號數(shù)略有增加。從波導(dǎo)器固定端到自由端,相應(yīng)的加速度幅值絕對值的最大值快速減小,且波導(dǎo)器長度大于 1 m后,相應(yīng)的加速度幅值絕對值的最大值變化較平緩,但由于隨著波導(dǎo)器長度的增加造成聲發(fā)射波形被拉長,從而統(tǒng)計出的聲發(fā)射信號數(shù)從 0.1 m到 1 m變化時信號數(shù)變化不大,且從 1 m之后呈現(xiàn)略微增加的規(guī)律。聲發(fā)射事件數(shù)隨波導(dǎo)器直徑的增加,除微事件外,其余都變化不大。由此可以看出波導(dǎo)器的特點:

(1)波導(dǎo)器的直徑越小,波導(dǎo)器上固定端加速度幅值絕對值的最大值越大,且從固定端點到自由端點的加速度幅值絕對值的最大值的變化幅度越大;在波導(dǎo)器的不同直徑下從固定端到煤巖體邊界面,相應(yīng)的加速度幅值絕對值的最大值快速減小,幅值變化速率很大;應(yīng)力波從煤巖體邊界面開始,隨著波導(dǎo)器的直徑變化,加速度幅值絕對值的最大值變化幅度很小,相對趨于平穩(wěn)。

(2)波導(dǎo)器長度越小,固定端的加速度幅值絕對值的最大值越大;無論波導(dǎo)器的長度多大,從固定端到自由端,相應(yīng)的加速度幅值絕對值的最大值快速減小;波導(dǎo)器長度大于 1 m后,相應(yīng)的加速度幅值絕對值的最大值變化較平緩;長度大于 1 m的波導(dǎo)器加速度幅值絕對值的最大值整體上呈指數(shù)衰減。

2 仿真分析

利用MATLAB進行系統(tǒng)仿真。選取一個頻率為 25 kHz,幅值為 1,初始相位為 0的正弦波為輸入信號。取調(diào)制正弦信號的頻率ωu/2π=25 kHz,當(dāng)Δφ=0時,調(diào)制信號的波形見圖 4。

圖 4 調(diào)制信號波形Fig.4 M odulated signal waveform

圖 5為公式 (1)中γ分別為 5、4、3、2、1和 0.3時,傳感器輸出光強度 Iout所對應(yīng)的電壓信號波形。圖 6為信號對應(yīng)的傅立葉變換頻譜。

從圖 5和圖 6可以看出,隨著γ的數(shù)值減小,輸出信號的波形越來越接近正弦波,信號趨于單一頻率,但是這個頻率是調(diào)制信號頻率的 2倍。

3 結(jié)束語

基于 Sagnac干涉儀原理構(gòu)成的光纖傳感器,充分利用了光纖傳感器的優(yōu)點,用來檢測煤巖體聲發(fā)射信號,不僅解決了當(dāng)前壓電類聲發(fā)射傳感器對于不同信號的適用性差和對微信號檢測困難的問題,更能對煤巖體的健康狀況進行長時期的實時無損監(jiān)測,這是以往采用的聲發(fā)射檢測技術(shù)無法做到的,從而為煤礦井下安全檢測開啟了一個新的局面。

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(編輯 王 冬)

Fiber-optic sensor test of acoustic em ission for coal rock

SUN Fei, HAN Renxue
(Center for Engineering Training&Basic Experimentation,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TN253;TP277

A

1671-0118(2010)05-0363-04

2010-08-26

孫 飛 (1979-),男,山東省嘉祥人,講師,碩士,研究方向:光學(xué)工程,E-mail:sf505@hotmail.com。