王正方、王 靜、隋青美*

1. 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院、山東 濟(jì)南 250061 2. Nanyang Technological University,Energy Research Institute@NTU,Singapore 639798

動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光柵光譜特性及實(shí)驗(yàn)研究

王正方1,2、王 靜1、隋青美1*

1. 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院、山東 濟(jì)南 250061 2. Nanyang Technological University,Energy Research Institute@NTU,Singapore 639798

光纖傳感技術(shù)以其抗電磁干擾、高精度、易組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)在航空航天及地下工程領(lǐng)域的聲發(fā)射傳感中得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)光纖光柵聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、目前研究側(cè)重于均勻光纖光柵的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)傳感特性、基于相移光纖光柵(phase-shifted fiber Bragg grating,PS-FBG)這一新型光纖光柵器件、重點(diǎn)研究聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光纖光柵的光譜特性變化規(guī)律。首先利用傳輸矩陣?yán)碚?、建立PS-FBG的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感模型、利用指數(shù)衰減的余弦函數(shù)模擬聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)。通過(guò)數(shù)值仿真、詳細(xì)研究PS-FBG光譜對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)幅度、采樣時(shí)刻、衰減系數(shù)、聲發(fā)射頻率及波長(zhǎng)的響應(yīng)特性。結(jié)果表明、PS-FBG反射譜形狀隨聲發(fā)射頻率與采樣時(shí)刻呈現(xiàn)周期性變化、具體表現(xiàn)為透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)產(chǎn)生周期性漂移、而帶寬變化不明顯； 隨著動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)幅值越大、PS-FBG反射譜的諧振峰向兩側(cè)逐漸增多、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)漂移很小； 一定范圍內(nèi)衰減系數(shù)對(duì)PS-FBG光譜影響較大； 而當(dāng)聲發(fā)射波長(zhǎng)為0.1～2L時(shí)、對(duì)PS-FBG光譜產(chǎn)生較大影響、此時(shí)光譜畸變較嚴(yán)重、在此范圍外、光譜形狀不發(fā)生明顯變化。最后、搭建連續(xù)信號(hào)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、分析不同幅度a與頻率f變化下PS-FBG的光譜特性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較好吻合。表明PS-FBG光譜對(duì)不同聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)響應(yīng)不同、呈現(xiàn)一定規(guī)律性、該研究為基于相移光纖光柵傳感技術(shù)的聲發(fā)射傳感提供理論指導(dǎo)。

相移光纖光柵; 動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng); 聲發(fā)射傳感

引 言

聲發(fā)射是金屬或巖體等材料在局部區(qū)域應(yīng)力集中作用下產(chǎn)生微破壞、同時(shí)快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的一種自然現(xiàn)象。目前、基于聲發(fā)射/微震的監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天工程與地下工程等領(lǐng)域、通過(guò)拾取聲發(fā)射特征信息、有效評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷程度與煤巖體失穩(wěn)狀態(tài)、定位外部擾動(dòng)及內(nèi)部微破壞源位置、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估及工程災(zāi)害事故預(yù)測(cè)[1-2]?；诠饫w傳感技術(shù)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是近年來(lái)興起的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)、與傳統(tǒng)的電子式監(jiān)測(cè)技術(shù)相比、具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、防水抗腐蝕、易于組網(wǎng)、材質(zhì)輕柔易植入的優(yōu)勢(shì)、特別適合于航空航天及地下工程等極端環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3-4]。

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)是光纖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中普遍采用的傳感元件、在聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下光纖光柵的光譜特性是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。龐丹丹分析了聲發(fā)射激勵(lì)下、不同長(zhǎng)度FBG光譜對(duì)聲發(fā)射信號(hào)函數(shù)的響應(yīng)規(guī)律[5]； Xia Ming-jun等分析了不同聲發(fā)射波長(zhǎng)及采樣時(shí)間下均勻光纖光柵的光譜變化[6]； 上述研究均針對(duì)均勻周期FBG光譜對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究。在非均勻周期FBG的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)響應(yīng)研究方面、王靜等分析了動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)下線性啁啾光纖光柵的光譜響應(yīng)特性、并獲取了LCFBG光譜與動(dòng)態(tài)應(yīng)變函數(shù)的變化規(guī)律[7]。相移光纖光柵(phase-shifted FBG,PS-FBG)是一種典型的非均勻周期光纖光柵、它是在均勻光纖光柵柵區(qū)特定點(diǎn)引入相移量、從而在其反射譜阻帶中打開帶寬極窄的透射窗口。這種獨(dú)特的光譜特性、使其在聲發(fā)射等動(dòng)態(tài)信號(hào)的傳感中具有很好的應(yīng)用前景[8-9]。在相移光柵光譜特性研究領(lǐng)域、光譜研究集中在對(duì)溫度與均勻應(yīng)變影響下相移光柵傳感特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究[10-12]； 魯韶華等對(duì)相移量、相移點(diǎn)位置對(duì)啁啾相移光柵反射譜的影響進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析[13]； 余華清等分析了均勻應(yīng)變和溫度變化下啁啾相移光柵的傳感特性[14]； 王正方等分析了非均勻應(yīng)變場(chǎng)相移光柵的光譜特性。Qi Wu等研究了不同方向及距離聲發(fā)射源下、相移光纖光柵的波長(zhǎng)響應(yīng)靈敏度[15]。而對(duì)于動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)特別是聲發(fā)射信號(hào)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光柵的光譜特性研究較少。

本文利用傳輸矩陣法、建立了聲發(fā)射信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)中相移光纖光柵的傳感模型、對(duì)聲發(fā)射信號(hào)調(diào)制函數(shù)各個(gè)不同參數(shù)下的相移光柵光譜特性進(jìn)行仿真、分析反射率、透射窗口對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)、光譜形狀等的變化規(guī)律、并開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的研究對(duì)相移光纖光柵特別在聲發(fā)射等動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 相移光纖光柵動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感模型

相移光柵的折射率分布如圖1所示、柵區(qū)軸向某點(diǎn)的折射率突變引起相位變化、相當(dāng)于兩段均勻光纖光柵的無(wú)縫級(jí)聯(lián)。假設(shè)光柵柵區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)、被相移點(diǎn)分成的兩段均勻光柵的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2。

圖1 相移光纖光柵傳輸矩陣模型

將相移光柵柵區(qū)在長(zhǎng)度方向N等分、每段等效為一均勻周期光纖光柵、根據(jù)傳輸矩陣?yán)碚?、每段傳輸特性可表示為?×2傳輸矩陣、第i段均勻光柵的傳輸矩陣為Fi為

Fi=

(1)

(2)

則整個(gè)相移光纖光柵的傳輸矩陣為F=FNFN-1…FiFφFi-1…F1F0。

在聲發(fā)射信號(hào)激勵(lì)下、相移光纖光柵受動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)作用、沿光柵軸向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)模型可表示為與時(shí)間相關(guān)的余弦函數(shù)ε(z,t)

(5)

式中、00、a為聲發(fā)射激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的幅值、b為指數(shù)衰減系數(shù)、λE與f分別表示聲發(fā)射波的波長(zhǎng)和頻率、f=1/T、T為周期。

根據(jù)幾何效應(yīng)與彈光效應(yīng)原理、在動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)ε(z,t)作用下、相移光纖光柵周期分布Λ(z,t)與有效折射率分布neff(z,t)分別為

Λ(z,t)=Λ0[1+ε(z,t)]

(6)

(7)

其中P11和P12表示光纖彈光系數(shù)、μ為光纖泊松比、Λ0為相移光纖光柵的初始柵格周期。

2 動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光纖光柵光譜仿真

根據(jù)傳輸矩陣法、對(duì)不同動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布函數(shù)下相移光柵的光譜進(jìn)行仿真。仿真選用相移光纖光柵相移量φ為π、相移點(diǎn)位于柵區(qū)中心、纖芯有效折射率neff為1.459、折射率調(diào)制深度δneff為2.6×10-4、柵區(qū)長(zhǎng)度L為10 mm、柵格周期Λ0為530.858 nm。

2.1 PS-FBG光譜對(duì)時(shí)間t的響應(yīng)特性

令頻率f=100 Hz、幅值a=100 με、衰減系數(shù)b=1、λE=0.5L(L為柵區(qū)長(zhǎng)度)、當(dāng)采樣時(shí)刻t分別為0、2.5、5、7.5和10 ms、即0T、T/4、T/2、3T/4、T時(shí)刻(T為周期)、相移光柵的反射譜如圖2所示。

圖2 不同時(shí)間t下相移光纖光柵的反射譜

由圖2可以看出、在不同采樣時(shí)刻t下、相移光柵光譜形狀呈周期性變化、光譜帶寬展寬但隨著t變化不明顯、反射譜中透射窗口的通透率不變。前半周期內(nèi)、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向漂移、同時(shí)短波長(zhǎng)方向諧振峰逐漸增多； 后半個(gè)周期變化規(guī)律與前半周期相同、且0T時(shí)刻與T時(shí)刻光譜形狀完全一致。不同時(shí)刻t下的峰值反射率和透射窗口對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖3、在一個(gè)周期內(nèi)當(dāng)光譜形狀對(duì)稱時(shí)、峰值反射率最低、但整個(gè)周期內(nèi)反射率變化很小。可以看出、通過(guò)跟蹤相移光柵透射窗口的波長(zhǎng)漂移、可獲取不同時(shí)刻動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的變化、從而監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)變特性。

圖3 透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)與峰值反射率隨t的變化

2.2 PS-FBG光譜對(duì)頻率f的響應(yīng)特性

考慮不同聲發(fā)射頻率對(duì)相移光柵光譜的影響、令幅值a=100 με、衰減系數(shù)b=1、λE=0.5L(L為柵區(qū)長(zhǎng)度)、時(shí)間t為2.5 ms、當(dāng)f分別為10、1 310、2 610、3 910與5 210 Hz時(shí)、PS-FBG反射光譜如圖4所示。不同頻率f下峰值反射率和透射窗口對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖5。

圖4 不同頻率f下相移光纖光柵反射譜

圖5 透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)與峰值反射率隨f的變化

可以看出、相移光柵光譜在動(dòng)態(tài)應(yīng)變作用下產(chǎn)生多個(gè)諧振峰、光譜帶寬展寬、反射譜中透射窗口的通透率不變。不同頻率f下、相移光柵透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)發(fā)生周期性漂移、且諧振峰位置隨著透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)的漂移出現(xiàn)周期性移動(dòng)。峰值反射率變化隨頻率呈現(xiàn)周期性變化?？梢哉J(rèn)為、當(dāng)時(shí)間t、幅值a、衰減系數(shù)、及波長(zhǎng)λE固定不變時(shí)、不同頻率f的變化等效于對(duì)相移光柵相移量φ的調(diào)制。

2.3 PS-FBG光譜對(duì)幅值a的響應(yīng)特性

令t=2.5 ms、f=100 Hz、衰減系數(shù)b=1、λE=0.5L、當(dāng)幅值a分別為±400、±200與0 με時(shí)、仿真所得PS-FBG的光譜變化如圖6。

圖6 不同幅值a下相移光纖光柵反射譜

如圖6所示、隨著幅值a的增大、相移光柵反射譜的諧振峰數(shù)量逐漸增多、并向分別向兩側(cè)延伸、透射窗口帶寬展寬、說(shuō)明空間周期性分布的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)對(duì)相移光柵的作用效果逐漸增強(qiáng)。

在該仿真條件下、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)及峰值反射率隨a的變化關(guān)系如圖7。可以看出、當(dāng)a>0 με時(shí)、隨著a的增大、相移光柵受拉應(yīng)變作用增大、通透窗口所對(duì)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移、然后逐漸減緩并最終到一恒定值、當(dāng)a>300 με時(shí)、諧振峰數(shù)量增多、且光譜畸變嚴(yán)重； 當(dāng)a<0 με時(shí)、柵區(qū)受壓應(yīng)變作用、隨著a絕對(duì)值的增大、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向漂移、且漂移量逐漸減緩并最終到一恒定值。整個(gè)過(guò)程中相移光柵光譜保持對(duì)稱、且波長(zhǎng)變化量很小、約為7 pm。當(dāng)a=0 με時(shí)、峰值反射率最大、隨著a絕對(duì)值的增加、反射率逐漸遞減。因此、幅值a的變化主要影響諧振峰的數(shù)量、對(duì)透射窗口波長(zhǎng)漂移影響不大。

圖7 透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)與峰值反射率隨a的變化

2.4 PS-FBG光譜對(duì)衰減系數(shù)b的響應(yīng)特性

令t=2.5 ms、f=100 Hz、幅值a=100 με、λE=0.5L、分析不同衰減系數(shù)b變化下、PS-FBG的光譜變化規(guī)律。當(dāng)b分別為0.001、0.003、0.005、0.007與0.009時(shí)、反射譜如圖8(a)所示、可以看出、當(dāng)b較小時(shí)、相移光柵光譜不對(duì)稱、長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)光譜形狀基本不變、短波長(zhǎng)側(cè)產(chǎn)生大量旁瓣、隨著b的增大、長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)逐漸形成諧振峰、短波長(zhǎng)側(cè)的旁瓣逐漸增多并逐漸形成諧振峰。這是由于b較小時(shí)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)在柵區(qū)范圍內(nèi)迅速衰減、此時(shí)周期性的應(yīng)變場(chǎng)作用不明顯、柵區(qū)受不均勻靜態(tài)應(yīng)變場(chǎng)作用、光譜局部發(fā)生展寬并產(chǎn)生旁瓣； 隨著b的增大、周期性應(yīng)變場(chǎng)作用加劇、表現(xiàn)為光譜諧振峰逐漸增多。

當(dāng)b分別為0.01、0.05、0.1、0.15與0.2時(shí)、相移光柵反射譜如圖8(b)所示、此時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)在柵區(qū)范圍內(nèi)衰減梯度小、光譜在周期性應(yīng)變場(chǎng)作用下光譜產(chǎn)生諧振峰并趨于對(duì)稱、對(duì)著b進(jìn)一步增大、光譜形狀不再變化、此時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)在柵區(qū)范圍內(nèi)衰減梯度很小、對(duì)光譜影響可以忽略不計(jì)。

圖8 不同衰減系數(shù)b下相移光纖光柵反射譜

在該仿真條件下、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)及峰值反射率隨b的變化關(guān)系如圖9?？梢钥闯?、當(dāng)b小于0.005時(shí)、透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)隨著b的增加先向短波長(zhǎng)方向漂移、b大于0.005時(shí)、波長(zhǎng)迅速向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)、b繼續(xù)增大、波長(zhǎng)逐漸趨于恒定值、說(shuō)明此時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)在柵區(qū)范圍衰減梯度非常小。當(dāng)b較小時(shí)、反射率有降低的趨勢(shì)、但變化很小、隨著b的增大、反射率迅速降低、當(dāng)b為0.04時(shí)、反射率變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖9 透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)與峰值反射率隨b的變化

2.5 PS-FBG光譜對(duì)波長(zhǎng)λE的響應(yīng)特性

引入系數(shù)Ratio、且Ratio=λE/L、L為柵區(qū)長(zhǎng)度。令t=2.5 ms、f=100 Hz、幅值a=100 με、衰減系數(shù)b=1、Ratio分別為0.05、0.1、0.3、0.5、0.8、1、2、3、5、10、分析這10種情況下PS-FBG的光譜響應(yīng)特性、如圖10?？梢钥闯霎?dāng)Ratio<0.1時(shí)、即波長(zhǎng)λE小于0.1L時(shí)、光譜形狀基本不變、說(shuō)明此時(shí)波長(zhǎng)對(duì)光譜影響很小。當(dāng)0.1

圖10 不同聲發(fā)射波長(zhǎng)下相移光纖光柵反射譜

透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)隨不同情況下Ratio的變化關(guān)系如圖11。當(dāng)Ratio小于0.1、波長(zhǎng)基本不變； 隨著Ratio增大、波長(zhǎng)變化呈現(xiàn)振蕩特性、且振蕩幅度逐漸增大。當(dāng)Ratio大于2時(shí)、波長(zhǎng)變化逐漸減緩、此時(shí)波長(zhǎng)隨著Ratio增大逐漸減小、這是由于此時(shí)作用在柵區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)近似為靜態(tài)不均勻應(yīng)變場(chǎng)、且Ratio越大、分布在柵區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)梯度變化越小。

圖11 透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)隨Ratio的變化

3 相移光纖光柵光譜動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)

開展動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)激勵(lì)試驗(yàn)、研究PS-FBG在動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下的光譜特性、并驗(yàn)證仿真分析結(jié)果。搭建的試驗(yàn)臺(tái)如圖12所示、采用雙邊夾持的鋁薄板作為動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的傳輸介質(zhì)、信號(hào)源選用MISTRAS手持式AE信號(hào)發(fā)生器FieldCAL、信號(hào)源幅值與頻率可調(diào)。信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)PZT作用于薄板產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)、將實(shí)驗(yàn)選用的相移光纖光柵靠近PZT、均勻粘貼在薄板表面、信號(hào)源產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)通過(guò)薄板傳遞至PS-FBG。實(shí)驗(yàn)采用的PS-FBG設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為1 528.535 nm、柵區(qū)長(zhǎng)度15 mm、相移量為π、相移點(diǎn)位于柵區(qū)中心。選用基于BaySpec FBGA-IRS高頻采集模塊開發(fā)的高速光纖光柵解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光譜采集、該模塊具有高速并行處理和連續(xù)光譜測(cè)量能力、響應(yīng)頻率為5 kHz、波長(zhǎng)精度為±1 pm。由于實(shí)驗(yàn)只需采集某一時(shí)刻的光譜、不要求捕捉時(shí)變的動(dòng)態(tài)信號(hào)、因此在連續(xù)動(dòng)態(tài)信號(hào)激勵(lì)下、可采用該模塊采集快速變化的動(dòng)態(tài)激勵(lì)下固定時(shí)刻的光譜、并通過(guò)軟件Sense2020將采集的光譜數(shù)據(jù)保存至計(jì)算機(jī)。信號(hào)源與數(shù)據(jù)采集模塊采用同步時(shí)鐘控制。

圖12 試驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)定信號(hào)發(fā)射器輸出頻率為150 kHz、幅值分別為0、60和90 dB。t為1 s時(shí)、采集不同幅值下PS-FBG的反射譜、如圖13?？梢钥闯鲭S著動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅度a的增大、反射譜出現(xiàn)展寬、且諧振峰的數(shù)量增多、并向兩側(cè)逐漸延伸、峰值反射率降低、但通透窗口所對(duì)波長(zhǎng)位置變化不明顯、說(shuō)明幅值的增大影響反射譜諧振峰的數(shù)量、但對(duì)波長(zhǎng)漂移影響不大、與仿真結(jié)果吻合。

圖13 不同幅值a下實(shí)驗(yàn)所得相移光纖光柵反射譜

圖14 不同頻率f下實(shí)驗(yàn)所得相移光纖光柵反射譜

設(shè)定信號(hào)發(fā)射器幅值為30 dB、輸出頻率f分別為30、60和150 kHz。t為1 s時(shí)、采集不同頻率下PS-FBG的反射譜、如圖14?？梢钥闯觥?dāng)f為60和150 kHz時(shí)、二者反射譜形狀接近、但透射窗口所對(duì)的波長(zhǎng)位置不同、說(shuō)明不同頻率f影響了透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)位置、與仿真所得結(jié)論吻合。當(dāng)f為30 kHz時(shí)、反射光譜展寬、且光譜兩側(cè)的旁瓣增多。這是由于在波速不變的情況下、頻率越大、波長(zhǎng)越短、波長(zhǎng)與柵區(qū)長(zhǎng)度比Ratio越大。當(dāng)f為30 kHz時(shí)、此時(shí)Ratio較大、作用在柵區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)近似為沿軸向分布的不均勻應(yīng)變場(chǎng)、光譜出現(xiàn)展寬、且旁瓣增多、符合仿真分析。

4 結(jié) 論

基于傳輸矩陣法建立相移光纖光柵在聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)傳感模型、對(duì)不同動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光纖光柵的光譜特性進(jìn)行仿真、結(jié)果表明不同聲發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的頻率f與周期內(nèi)不同采樣時(shí)刻t會(huì)導(dǎo)致PS-FBG反射譜中透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)周期性漂移、其影響等效為對(duì)相移量φ的調(diào)制； 動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)的幅值a越大、PS-FBG反射譜的諧振峰數(shù)量越多、但對(duì)透射窗口所對(duì)波長(zhǎng)位置影響不大； 當(dāng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)在柵區(qū)范圍內(nèi)衰減梯度較大時(shí)、PS-FBG反射譜出現(xiàn)單邊光譜展寬現(xiàn)象并出現(xiàn)旁瓣、隨著衰減梯度的減小、展寬一側(cè)逐漸形成諧振峰； 聲發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)λE在0.1～2L范圍內(nèi)對(duì)PS-FBG光譜有較大影響、且透射窗口所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)漂移產(chǎn)生振蕩特性、超出該范圍、PS-FBG光譜變化不明顯。搭建連續(xù)信號(hào)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、研究不同幅度a與頻率f變化下PS-FBG的光譜特性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較好吻合。表明不同聲發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng)下相移光纖光柵光譜不同、呈現(xiàn)一定規(guī)律性、本文為基于光纖光柵傳感技術(shù)的聲發(fā)射傳感提供理論指導(dǎo)。

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*Corresponding author

Research on the Phase-Shifted Fiber Bragg Grating Spectra under Dynamic Strain Fields

WANG Zheng-fang1,2,WANG Jing1,SUI Qing-mei1*

1. College of Control Science and Engineering,Shandong University,Ji’nan 250061,China 2. Nanyang Technological University Energy Research Institute@NTU,Singapore 639798

Fiber optic sensing technology has been widely used for acoustic emission (AE) measurement in aerospace and geotechnical engineering due to the advantages of immunity to electro-magnetic interference,high accuracy,and multiplexing capacity. As for the fiber Bragg grating based on AE measurement system,traditional efforts have been made to study the spectra of Fiber Bragg Grating under AE signal. While this paper focused on phase-shifted fiber Bragg grating (PS-FBG) which is a new type fiber Bragg grating,and investigated the spectra of under dynamic strain field generating with an AE signal. A dynamic strain sensing model of PS-FBG was built based on the transfer matrix theory,and a cosine exponential attenuation function was utilized to simulate the dynamic strain field. Then the effects of amplitude,sampling time,exponential attenuation coefficient,frequency and wavelength of AE signal on the spectra of PS-FBG were studied in detail using numerical simulation. The result demonstrate that the spectra of PS-FBG changes periodically with frequency and different sampling time,especially the peak wavelength of the transmission window in the PS-FBG spectrum shifts periodically; and the increase of amplitude mainly contribute to more harmonic peaks in the reflected spectrum. The attenuation coefficient affects the spectrum of PS-FBG within certain range. And the AE wavelength affect the spectrum of PS-FBG when it is between 0.1 to 2 L,beyond the range,the spectrum of PS-FBG has minor variation with the AE wavelength. Finally,dynamic strain experiments were conducted,and the spectrum of PS-FBG under continuously vibration signal with different amplitude and frequency were logged for analysis. The experimental results agree well with simulation,which indicate that under different dynamic strain fields generated by AE signal,the spectra of PS-FBG are different,while the variation of spectra follows certain laws. This paper provides theoretical support for the AE measurement system on the basis of PS-FBG.

Phase-shifted fiber Bragg grating; Dynamic strain fields; Acoustic emission (AE) measurement

Dec. 22,2015; accepted Apr. 20,2016)

2015-12-22、

2016-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41472260)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2014AA110401)資助

王正方、1988年生、山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院博士后 e-mail: wangzhengfangsdu@foxmail.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: qmsui@sdu.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4113-07