单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用

摘要

本发明公开一种单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用，主要包括：使用保偏光纤光栅作为超声导波的传感元件，激光器输出窄带激光经光纤环形器到达保偏光纤光栅，再经保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号；其中，超声导波的传播方向与保偏光纤光栅的光纤轴垂直。本发明的单模式超声导波信号的获取方法中利用保偏光纤光栅对不同方向应力的不同响应特性，在实现对一种超声导波（GWs）模式正常检测的情况下，抑制对另一模式的响应，进而达到单模式超声导波响应的目的。

权利要求

1.单模式超声导波信号的获取方法，主要包括：使用保偏光纤光栅作为超声导波的传感元件，激光器输出激光经光纤环形器到达所述保偏光纤光栅，再经所述保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，所述光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号；

其中，超声导波的传播方向与所述保偏光纤光栅的光纤轴垂直。

2.根据权利要求1所述的获取方法，其中，所述激光器输出的激光的波长为所述保偏光纤光栅慢轴对应的反射谱的下降沿的中部；在超声导波传播过程中，所述激光的波长始终在所述保偏光纤光栅慢轴反射谱下降沿的线性区域内变化。

3.单模式超声导波信号的获取系统，其特征在于，包括：超声导波源、保偏光纤光栅、激光器、光纤环形器、光电探测器和信号显示装置；

所述激光器输出激光经光纤环形器到达所述保偏光纤光栅，再经所述保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号；

所述超声导波源发出的超声导波的传播方向与所述保偏光纤光栅的光纤轴垂直。

4.根据权利要求3 所述的获取系统，其特征在于，所述激光器输出的激光的波长为所述保偏光纤光栅慢轴对应的反射谱的下降沿的中部；在超声导波传播过程中，所述激光的波长始终在所述保偏光纤光栅慢轴反射谱下降沿的线性区域内变化。

5.通过接收权利要求1或2所述的获取方法所获取的单模式超声导波信号以进行无损检测的应用。

6.通过接收权利要求3或4所述的获取系统所获取的单模式超声导波信号以进行无损检测的应用。

说明书

单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及超声导波领域，特别涉及一种单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用。

背景技术

[0002] 超声波因对不透明介质的深层穿透能力已成为一种优良的无损检测工具，被广泛应用于结构健康监测和海底探潜等领域。超声导波(Ultrasonic Guided Waves，GWs，)是一种在板材中特有的超声应力波；这种波具有传播距离长，沿传播路径衰减小，检测范围广等优势，目前是国内外无损检测研究的重点。然而，GWs传播特性十分复杂，其频散特性和模态混叠导致接收信号难以分辨，给后期信号分析带来很大的难度，因此GWs虽然在结构健康无损检测领域显示出巨大的潜力，但在实际应用上仍有很大的局限。

[0003] 到目前为止，相关研究仍集中在如何激发单模式GWs上。

[0004] 传统的方法是使用楔形换能器通过调整激发信号中心频率、波形以及楔形换能器的入射角度等方法进行模式挑选，以实现单模式超声导波的激发，但这种方法的实现依赖于特定的频率，模式及宿主材料特性，因此使用起来受到一定的限制。

[0005] 目前国内外大量使用压电换能器(Piezoelectric Transducer,PZT)激发GWs。在基于单个PZT元件的方法中，可采用优化布置压电元件和频率调整技术产生单模式GWs。但是优化布置压电元件法不能从根本上避免多模式的混叠，特别在小尺寸结构时不适用；而频率调整技术不适合在宽带条件下选择换能器。当把PZT分别对称地放于板材的上下也可实现单模态的GWs激发，但这种方法需要两个PZT性能和结构的耦合位置有较高的一致性,即对测试系统的硬件要求很高。更为复杂的是建立PZT阵列，采用多通道时间延迟系统，每通道输出的能量、时延及放大倍数受软件控制,这种方法需要大量的计算作为支撑。采用表面剪切应力法也可基于多个压电元件实现模式控制，但这种方法对温度敏感、方向性强并且测试装置尺寸较大。

[0006] 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器以其响应频带宽，体积小，不受电磁干扰，耐高温，信号可在光纤内稳定传输，良好的复用性以及波长调制等优势，已成为新型超声波无损检测的研究热点。国内外课题组已在前期基于FBG超声感知可行性研究的基础上，朝着提高灵敏度、降低噪声、响应方向性及全光纤系统等研究方向做深入的探索。然而基于光纤光栅对于GWs的检测工作中，不可避免地存在因模式混叠使信号难以分辨的问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种单模式超声导波信号的获取方法和获取系统，可以解决上述现有技术问题中的一种或几种。

[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种单模式超声导波信号的获取方法，主要包括：使用保偏光纤光栅作为超声导波的传感元件，激光器输出窄带激光经光纤环形器到达保偏光纤光栅，再经保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号。

[0009] 本发明的单模式超声导波信号的获取方法中利用保偏光纤光栅(Polarization Maintaining Fiber Bragg Grating,PM-FBG)对不同方向应力的不同响应特性，在实现对一种超声导波(GWs)模式正常检测的情况下，抑制对另一模式的响应，进而达到单模式超声导波响应的目的。

[0010] 在一些实施方式中，本发明的超声导波的传播方向与保偏光纤光栅的光纤轴垂直。以使PM-FBG响应信号中只包含对称模式信号，而不包含反对称模式信号。

[0011] 在一些实施方式中，本发明的激光器输出的激光的波长为保偏光纤光栅慢轴对应的反射谱的下降沿的中部；在超声导波传播过程中，激光的波长始终在保偏光纤光栅慢轴反射谱下降沿的线性区域内变化。以使PM-FBG响应信号随超声导波信号线性变化。

[0012] 本发明还提供一种单模式超声导波信号的获取系统，包括保偏光纤光栅、激光器、光纤环形器、光电探测器和信号显示装置；激光器输出窄带激光经光纤环形器到达保偏光纤光栅，再经保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号。

[0013] 在一些实施方式中，本发明的激光器输出的激光的波长为保偏光纤光栅慢轴对应的反射谱的下降沿的中部；在超声导波传播过程中，激光的波长始终在保偏光纤光栅慢轴反射谱下降沿的线性区域内变化。

[0014] 本发明还提供一种通过接收上述获取方法和获取系统接收的单模式超声导波信号以进行无损检测的应用。

[0015] 本发明与已有的从GWs激励环节获取单模式技术相比，无需对超声波源频率、位置及超声波换能器个数进行专门限制。又由于接收信号即为单模式，因此降低了信号处理环节的工作难度和工作量。

附图说明

[0016] 图1(a)为单模式超声导波的获取系统的结构示意图。

[0017] 图1(b)为图1(a)所示的获取系统中可调激光器的输出激光波长与PM-FBG两个反射峰的关系。

[0018] 图2(a)为GWs对称模式下板中粒子的振动示意图。

[0019] 图2(b)为GWs反对称模式下板中粒子的振动示意图。

[0020] 图3(a)为刻写于领结型光纤上的光纤光栅受到任意方向横向应力的作用的示意图。

[0021] 图3(b)为领结型光纤在横向应力的作用下主轴发生旋转的示意图

[0022] 图3(c)为保偏光纤光栅的反射谱。

[0023] 图4(a)为本发明一种实施方式中超声导波的传播方向与保偏光纤光栅的位置关系示意图。

[0024] 图4(b)为图4(a)所示的实施方式中超声导波波源与保偏光纤光栅的位置关系示意图。

[0025] 图5为本发明一种实施方式中激光波长与保偏光纤光栅慢轴反射谱的关系示意图。

[0026] 图6为本发明一种实施方式中激励频率为30kHz时PM-FBG响应的波形图。

[0027] 图7为本发明一种实施方式中激励频率为60kHz时PM-FBG响应的波形图。

[0028] 图8为本发明一种实施方式中激励频率为90kHz时PM-FBG响应的波形图。

[0029] 图9为本发明一种实施方式中激励频率为120kHz时PM-FBG响应的波形图。

[0030] 图10为本发明一种实施方式中激励频率为150kHz时PM-FBG响应的波形图。

[0031] 图11为本发明一种实施方式中激励频率为180kHz时PM-FBG响应的波形图。

具体实施方式

[0032] 以下通过实施例对本发明作进一步说明，但保护范围不受这些实施例的限制。

[0033] 图4(a)示意性地显示了本发明一种实施方式中超声导波(GWs)传播方向和保偏光纤光栅(PM-FBG)的位置关系。两个GWs的传播方向分别垂直和平行于PM-FBG的轴线。

[0034] 如图4(b)所示，两个压电换能器作为超声导波波源，它们和PM-FBG传感器粘贴于矩形复合板材上。复合板材可由十八层IM7(一种美国生产的碳纤维的型号)材料正交铺设而成，两个压电换能器所产生的GWs传播方向相对于铺层方向分别成0度和90度。

[0035] 在本实施例中，GWs激励信号为带汉宁窗的五个周期的正弦波信号。在其它实施例中，GWs激励信号还可以为其它类型的信号，例如三个周期的加汉明窗正弦波信号。

[0036] 本实施例中所使用的PZT所产生的GWs存在独立传播的两种模式：对称模式和反对称模式。通过控制频厚积，可使板中只存在最低阶的对称模式(S0)和反对称模(A0)两种模式。而S0和A0两种模式的区别在于其传播过程中宿主板材中粒子的位移和应力的不同。如图2所示，对于S0模式，与中性面对称的粒子在波的传播方向上位移一致，在垂直于波的传播方向上位移方向相反；粒子主要表现为平板内的运动，如图2(a)所示。与之相反，对于A0模式，与中性面对称的粒子在波的传播方向上位移相反，在垂直于波的传播方向上位移方向一致；粒子主要表现为垂直于平板的运动，如图2(b)所示。在以往在单模光纤中写入的光纤光栅的超声波传感研究中，它对来自不同传播方向的超声导波的响应幅度存在差异。因此，使用光纤光栅器件去接收特定方向的GWs时将存在接收某一模式时，抑制另一种模式的波的响应的可能性，进而达到获取单模式超声导波响应信号的目的。

[0037] 保偏光纤是在光纤中人为施加非圆对称应力的光纤，如图3所示，典型的领结型光纤在纤芯两边对称应用两个领结形应力区，使得原本简并的两个基模模式以不同的速度在光纤中传输，其电矢量互相正交。在保偏光纤中写入光栅后，形成保偏光纤光栅(Polarization-maintaining Fiber Bragg Gratings,PM-FBG)，对应于这两个正交的分量，将形成两个共振峰(如图3(c)所示)。其中心波长满足以下关系：

[0038]

[0039] 其中，λB,S,λB,f和ns,nf分别为慢轴和快轴的布拉格中心波长和有效折射率，Λ为光栅周期。当PM-FBG被施予轴向应力时，λB,S和λB,f将随负载线性变化，反射谱波形不变。但是当它受到横向应力时，如果应力方向与原偏振主轴(x(慢轴)和y方向(快轴))不一致，则偏振主轴将发生旋转，如图3(b)所示。，形成新的偏振主轴x′方向和y′方向，新的两个偏轴主轴上的应变ε1,ε2可以用下式求出：

[0040]

[0041] 其中εx,εy和γxy分别为在原xy平面施加的正应变和剪应变。两偏振主轴的旋转角度φ(图3(b))可以下式求出：

[0042]

[0043] 此时PM-FBG在应力作用下中心波长的漂移ΔλB,1和ΔλB,2可由下式给出：

[0044]

[0045] 其中ε3是沿光纤轴线方向的应变,n1为无应力时光纤纤芯的有效折射率，p11和p12为光纤的弹光系数。根据等式(2)和(3)，新的偏振主轴很可能与原始偏振主轴不重合，这样导致横向应变εx和εy将与布拉格波长的漂移不成正比；且由于外应力的存在，两正交模式波之间可能存在耦合，使反射谱形发生变化。这样，原来PM-FBG应力传感是基于外应力与光纤光栅反射谱漂移成正比的条件将不再满足，即破坏了PM-FBG原有的传感机制。本发明即利用PM-FBG对不同方向应力的响应特性，在实现对一种GWs模式正常检测的情况下，抑制对另一模式的响应，进而达到单模式响应的目的。

[0046] 图1(a)示意性地显示了本发明的单模式超声导波信号的获取系统的结构。

[0047] 如图1(a)所示，将PM-FBG接入该获取系统中，其中由光电探测器到信号显示装置之间由同轴电缆连接，其它各装置均由Sm28e标准光纤跳线连接。可调激光器输出窄带激光光源经光纤环形器到达PM-FBG，再经PM-FBG反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号。

[0048] 由可调激光器输出的窄带激光光源经PM-FBG反射后光的强度Pr(λ)可由下式决定：

[0049] Pr(λ)＝Pin·R(λ)   (5)，

[0050] 其中Pin是PM-FBG的输入光强，R(λ)是PM-FBG在可调激光器设置波长处对应的反射率。

[0051] 图1(b)示意性地显示了本发明一种实施方式中可调激光器的输出激光波长与PM-FBG两个反射峰的关系。

[0052] 如图1(b)所示，分别测试PM-FBG快轴和慢轴所对应的反射谱对GWs的响应，检测初始时将可调激光器的输出波长分别设置在PM-FBG两个反射峰的3dB处。当GWs传播到PM-FBG处时，它所引起的应变变化将使PM-FBG反射谱变化，这种变化本质上使光源所在波长被PM-FBG反射的反射率的变化。检测过程中，只要满足反射率在线性范围内变化，从信号显示装置输出的信号将能很好地再现GWs变化规律，从而实现对GWs的有效检测。

[0053] 在本实施例中，信号显示装置为数字示波器。在其它实施例中，也可以用数据采集器采集信号，并在电脑上显示。

[0054] 显然，在可调激光器输出波长和功率不变的条件下，能成功利用此测试装置进行GWs的检测依赖于GWs所引起应变作用下PM-FBG频谱不变形，且仅在特定有限区域内漂移。谱的形状改变或漂移导致光源波长超出反射谱变化线性区都将使PM-FBG不能检出超声导波信号。根据前述有关PM-FBG的理论，当它受到横向应力的作用时，PM-FBG的主轴可能发生偏转，且各模式之间可能发生耦合，对应的反射谱也将发生变化。

[0055] 本发明即利用GWs的A0模式主要引起垂直于板平面的运动，在垂直于光纤轴向传播的A0模式超声导波将使粘贴于表面的PM-FBG受到横向正应力及剪应力的作用，从而破坏原始的PM-FBG反射谱，进而达到使PM-FBG不能检测出A0模式超声导波信号的目的。

[0056] 使用带滤波功能的光电探测器以减少直流及低频噪声，本实施例中，GWs每隔固定时间重复激发300次，相应的我们使用计算机将PM-FBG检测到的300次信号做平均以进一步减少噪声。实验所用GWs激发信号频率由20kHz变化到200kHz。实验中分别使用两个PZT黏贴于如图4(b)所示位置，它们均能产生对称模式和反对称模式的超声导波。

[0057] 如图6～图11示意性地显示了本发明一种实施方式中激励频率分别30kHz，60kHz，90kHz，120kHz，150kHz和180kHz时PM-FBG的快轴和慢轴对应的响应结果。

[0058] 根据GWs波的传播特性，S0和A0模式是最早接收到的两个波包，且S0波的传播速度比A0波的传播速度快，且S0波的色散比A0波的色散小，其余波为更高阶次的波或是从界面返回的波包。我们依据以上特征来分辨以上各图中的接收信号。

[0059] 图6～图11的(a)组波形图(以下我们称为A组信号)是在GWs传播方向与光纤轴方向一致条件下，PM-FBG快轴对应的反射峰对GWs的响应。它们均能同时响应S0和A0两种模式的波，在60kHz,90kHz,120kHz和150kHz的信号中我们能观察到模式混叠现象。

[0060] 图6～图11的(b)组波形图(以下我们称为B组信号)是在GWs传播方向与光纤轴方向垂直条件下，PM-FBG快轴对应的反射峰对GWs的响应。我们可以检测到S0模式信号；但只在信号频率为150kHz时有幅度很小的A0模式信号响应，并且它与S0模式信号发生了混叠。

[0061] 图6～图11的(c)组波形图(以下我们称为C组信号)是在GWs传播方向与光纤轴方向一致条件下，PM-FBG慢轴对应的反射峰对GWs的响应。同样我们可以检测到S0模式信号；有四个频率(60kHz,120kHz,150kHz,和180kHz)的A0模式信号响应出现并与S0模式信号发生了混叠。但此时所响应的A0模式信号幅度要比A组信号响应的A0模式信号幅度小很多。

[0062] 图6～图11的(d)组波形图(以下我们称为D组信号)是在GWs传播方向与光纤轴方向垂直条件下，PM-FBG慢轴对应的反射峰对GWs的响应。此时我们只检测到S0模式信号，没有出现A0模式信号，且高阶模式信号和回波信号幅度均非常小。因此我们认为D组信号是理想的单模式信号，而D组模式所对应的测试方案可作为优选的获取单模式GW信号的方法。

[0063] 为此，如图5所示，为达到获得单模式GWs的目的，本发明检测初始时，激光器输出的激光的波长可以设置为保偏光纤光栅慢轴对应的反射谱的下降沿的中部。在超声导波传播过程中，激光的波长始终在保偏光纤光栅慢轴反射谱下降沿的线性区域内变化，且使GWs传播方向与PM-FBG的轴向垂直。

[0064] 产生此现象的原因分析如下：对于S0信号，由于板内粒子是面内运动，主要产生沿传播方向的正应力，根据以上分析，它不破坏PM-FBG的频谱特性，因此PM-FBG均能对其有效响应，即图6-图11均能呈现S0信号。

[0065] 对于A0信号，板内粒子主要是离面运动，产生沿传播方向的正应力的同时，存在较大的剪应力。当超声导波传播方向与光纤轴向一致时，剪应力在xz方向，而不在横截面(xy面)内，此剪应力对快轴的反射谱不产生影响，因而可以很好地响应A0信号(对应于A组信号)；但对于慢轴，由于剪应力将对光纤本身应力区产生影响，因此反射谱将发生变化，因此对A0信号响应不够灵敏(对应于C组信号)。当超声导波传播方向与光纤轴向垂直时，剪应力即在横截面(xy面)内，根据公式(2)和(3)，PM-FBG光轴将发生旋转，并且各传输模式间可能存在耦合，进而影响其反射谱，因此对A0信号响应均不灵敏(对应于B和D组信号)，而对于慢轴反射谱，除去剪应力的影响外，超声导波产生的应力直接影响其应力区的应力分布，因此其对A0模式信号完全没有响应(对应于D组信号)。

[0066] 因此，D组信号能在对各频率GWs进行S0模式响应的同时，很好地抑制对A0信号的响应；并且从实验结果上看也可以很好地抑制高阶模或边界回波信号的响应。因此是本发明最优选的结构。

[0067] 本项目拟在信号接收环节获取单模式超声导波信号，发明原理基于保偏光纤光栅对应力响应的方向特性来实现对GWs的选择性响应，因此可以预见它与激发GWs的换能器的频率、位置等没有直接关系。

[0068] 通过上述方法和系统接收的单模式超声导波信号可以应用在无损检测中，可以降低信号处理环节的工作难度和工作量。

[0069] 以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。