王媛媛，馬宏偉，張廣明，董 明

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

0 引 言

薄板材料在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，然而，由于薄板材料內(nèi)部往往存在缺陷會降低材料的強(qiáng)度和剛度，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、性能和使用壽命。因此，薄板材料的缺陷檢測在生產(chǎn)過程中是必不可少的重要環(huán)節(jié)。

超聲檢測具有穿透力強(qiáng)、檢測速度快、能夠?qū)θ毕菥_定位、靈敏度高、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料的無損檢測。光纖光柵作為近年來發(fā)展最為迅速的光學(xué)器件之一，因其體積小、抗電磁干擾、具有分布式檢測、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電傳感器在一些復(fù)雜惡劣環(huán)境中檢測超聲信號。

常用的光柵解調(diào)方法有光譜儀檢測法、干涉法、濾波法等，但這些方法存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)檢測中。常用的匹配光柵法采用反射式法解調(diào)光纖信號，系統(tǒng)的耦合器數(shù)量多，存在解調(diào)系統(tǒng)信噪比低的問題。

為解決上述問題，本文研發(fā)一種超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)，通過光纖光柵傳感器代替壓電傳感器探測超聲信號，采用一種結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、復(fù)用性好、檢測效率高的透射式匹配光柵解調(diào)法解調(diào)光纖信號，搭建超聲光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)檢測鋁板中不同尺寸的狹縫缺陷，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 基于光纖布拉格光柵的無損檢測系統(tǒng)基本原理

1.1 光纖布拉格光柵傳感原理

光纖布拉格光柵是利用外界入射光子與纖芯內(nèi)鍺離子相互作用在纖芯內(nèi)部形成的空間相位光柵。當(dāng)寬頻帶光通過光纖布拉格光柵時，光柵會反射特定波長的光，其他波長的光則會被光柵透射，被反射的光波長稱為光纖布拉格光柵的中心波長，光纖布拉格光柵傳感原理如圖1 所示。

圖1 FBG 傳感原理圖

由耦合模理論，光纖光柵的反射率和透射率可表示為：

式中：為耦合系數(shù)；為光柵長度；Δ=-π/，=2π，為光柵周期，為光柵有效折射率，為工作波長，為正整數(shù)。

當(dāng)波長匹配時，Δ=0，反射率最大，對于一階場（=1），有：

式中：λ為光纖布拉格光柵的中心波長，可表示為：

布拉格光柵的中心波長的大小取決于光柵周期和材料的有效折射率，這兩個參數(shù)對光柵內(nèi)部的應(yīng)變十分敏感，任何微小的應(yīng)變都會改變光柵周期和有效折射率的值，進(jìn)而使布拉格光柵中心波長發(fā)生改變。

1.2 超聲激勵下的光纖布拉格光柵傳感特性

任何復(fù)雜超聲場都可看成是多個不同波長的正弦波的疊加，因此設(shè)超聲波為瞬態(tài)正弦波，布拉格光柵沿聲軸向方向布置，則布拉格光柵受到的應(yīng)變()與時間之間的關(guān)系為：

式中：ε為應(yīng)變幅值；λ為超聲波波長；ω為超聲波角頻率。

光纖布拉格光柵的光柵周期和有效折射率在超聲應(yīng)力波的作用下都會發(fā)生改變，進(jìn)而使傳感光柵的中心波長發(fā)生改變。

單模光纖上的光纖布拉格光柵的有效折射率可以表示為：

式中：為光纖的本征折射率；Δ為最大調(diào)制系數(shù)；為光柵周期；為光柵長度。

在超聲作用下，光纖光柵的折射率發(fā)生變化，可表示為：

式中為彈光系數(shù)。當(dāng)光柵長度遠(yuǎn)小于超聲波波長時，光柵各部分受到的超聲應(yīng)變是相同的，則光柵折射率變化相同，可將式（8）簡化為：

光纖布拉格光柵在超聲波作用下的中心波長可表示為：

2 超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文提出的超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，系統(tǒng)主要包括超聲激發(fā)單元、光纖解調(diào)單元和數(shù)據(jù)存儲與處理單元。超聲激發(fā)單元包括信號發(fā)生器、功率放大器和壓電晶片。信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)功率放大器放大后激勵壓電晶片產(chǎn)生脈沖超聲波。光纖解調(diào)單元主要包括ASE 帶寬光源、光環(huán)形器、參考光柵、傳感光柵、帶放大光電探測器和高速數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對超聲信號的檢測。數(shù)據(jù)存儲與處理單元主要完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲與分析處理。

圖2 超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)框圖

2.2 光纖光柵解調(diào)方法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)用性好、分辨率高的透射式匹配光柵法解調(diào)光柵信號，匹配光柵法采用兩個傳感特性相同的布拉格光柵，一個作為參考光柵，一個作為傳感光柵，匹配后得出傳感光柵中心波長的偏移量實(shí)現(xiàn)超聲波的探測。解調(diào)系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 基于透射式匹配光柵的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

帶寬光源作為系統(tǒng)光源，參考光柵的反射光通過光環(huán)形器進(jìn)入傳感光柵，傳感光柵反射在反射譜之內(nèi)的光，而透過其他波段的光。當(dāng)傳感光柵探測到超聲信號時，其中心波長發(fā)生偏移，反射譜發(fā)生變化，而參考光柵的中心波長保持不變，通過光電探測器將傳感光柵透射光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺捎脭?shù)據(jù)采集卡對信號進(jìn)行采集，再通過上位機(jī)軟件對采集到的信號進(jìn)行分析處理。

如圖4 所示，在超聲波的作用下，傳感光柵的中心波長發(fā)生變化。因此峰值會沿著參考光柵光譜移動，導(dǎo)致光強(qiáng)變化較大而波長變化較小，實(shí)現(xiàn)對超聲信號檢測。

圖4 基于匹配光柵的光纖光柵解調(diào)原理

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)能有效探測薄板中的缺陷，搭建了如圖5 所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖5 超聲光纖光柵無損檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

信號發(fā)生器（Tektronix AFG 2021?SC）發(fā)送超聲激勵信號并通過功率放大器（NF HSA4101）產(chǎn)生高壓脈沖信號激勵壓電晶片產(chǎn)生超聲波。本系統(tǒng)選用波長為1 527~1 566 nm 的寬頻帶光源，光源輸出功率為14.33 dBm。超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)的性能高度依賴于布拉格光柵的選擇。對于給定頻率的超聲波信號，為使光柵能夠有效感知超聲信號，理論上超聲波長與光柵長度的比值越大越好，但實(shí)際中，柵區(qū)長度過小，加工難度會大大增加。因此，本系統(tǒng)使用柵區(qū)長度為3 mm的布拉格光柵，既能有效探測超聲信號，加工也易于實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)所用光柵具體參數(shù)如表1 所示。光電探測器選用Thorlabs FPD610，滿足使用要求。

表1 布拉格光柵具體參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用長×寬×厚為500 mm×400 mm×2 mm 的鋁板，并在鋁板中心線處分別加工長×寬為100 mm×2 mm、100 mm×3 mm、100 mm×4 mm 的狹縫型缺陷，測量其超聲波信號。選用中心頻率=100 kHz 的壓電晶片，通過耦合劑固定于試樣表面，傳感光柵采用表面粘貼法固定于聲軸線方向上，壓電晶片與傳感光柵對稱于鋁板中心軸線布置，兩者相距200 mm，如圖6 所示。

圖6 缺陷檢測實(shí)驗(yàn)中鋁板布置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖7 所示，將FBG 測得的鋁板中無缺陷時的超聲信號作為參考信號（圖7中黑色曲線），分別與缺陷尺寸為100 mm×2 mm（圖7a））、100 mm×3 mm（圖7b））和100 mm×4 mm（圖7c））時探測到的超聲波時域信號進(jìn)行比較。從圖中可以看出，當(dāng)鋁板中有狹縫缺陷存在時，F(xiàn)BG 探測到的超聲信號的幅值會發(fā)生衰減，且缺陷尺寸越大，超聲信號的幅值衰減越明顯。因此，可以根據(jù)FBG 探測到的超聲時域信號中幅值的大小判斷鋁板中是否存在缺陷，進(jìn)一步根據(jù)幅值衰減的程度初步判斷鋁板中缺陷尺寸的大小。

圖7 不同尺寸的狹縫缺陷下，F(xiàn)BG 探測的超聲波時域信號

如圖8所示，當(dāng)鋁板中存在缺陷時，超聲波能量損耗較大，鋁板中探測到的超聲波頻域圖中頻率成分比較分散，頻譜強(qiáng)度有明顯下降，且缺陷尺寸越大，該現(xiàn)象越明顯。

圖8 不同尺寸的狹縫缺陷下FBG 探測的超聲波頻域信號

4 結(jié) 語

本文研究分析了超聲激勵下的光纖光柵無損檢測系統(tǒng)基本原理和超聲激勵下的光纖布拉格光柵傳感特性，研發(fā)了一種超聲光纖光柵無損檢測系統(tǒng)。通過對鋁薄板中不同尺寸狹縫缺陷試樣的檢測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提系統(tǒng)的性能和可靠性。

注：本文通訊作者為王媛媛。