单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.精品文档.单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究1.txt6宽容润滑了彼此的关系,消除了彼此的隔阂,扫清了彼此的顾忌,增进了彼此的了解。第22卷第3期. 传感技术学报. V0122 No3 2009年3月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS Mar2009 SingleModeFiber-OpticCouplingAcoustic EmissionVibrationSensorandApplication JIANGQi。MABin。LJShucai。LJShuchen
2、SchooolofControlScienceandEngineeeringShandongUniversity,Jinan250061,. SchooolofcivilEngineeeringShandongUniversityJinan250061,China Abstract:AcousticemissioncanresultinvibrationphysicalphenomenonA newkindofcouplingfiber-op. ticvibrationsensorisputforwardandusedtodetectacousticsigna1Accordingtothere
3、lationthattheCOU. plrScuplngrtoieiiethelnghhaeadirtorqey,aoutcvbainsnsoreoiaissnstvotetcngnvbainfeunccsiirtoebaeptclfbrtpeouesalzdasgndiealeeeintssefcniersdonoiaieadcplrinayenddeiendtiTh xprmeytmoatlvevirtonedltosstpeolcrcsnonoplniepiirtoesraeprbainaddmouainieuPizeetiesradcuigfbrotcvbainsnora. allle
4、llaidonthecantileverandtestedcomparablyImpulsiveSignalsandPeriodicSignalsareinitiatedand repnefetvleolcrcsnonculnieptcvbainsnoTh xeinasoddefcieybyPizeetiesradopigfbroiirtoesreeprmetl reulsswtahenveoplncuticvbatitcfbrsnooudmetterqurmeisthohttolcuigaosironopiieesrcleheientofv. brationmeasurementandhas
5、highsensitivityThroughthetestofrockfailureacoustic,singlemodeoptic fieopigvbainsnosfrhridiaefetvnrciatoeetncutcvbrculnirtoesriutenctdaefcieadpatclmehdofdtcigaosiibrtoTh eutppoetahesriodqaiy,hgniitreealtaytarct,ainerslsarvhttesnosgoultihatnefrbiiy,esofbiaeconvenienttouseandhaslargeapplicationmarkets.
6、 Keywodsaotcesiigldefbrirtonsnorcpigrto;r kr:cusimison;snemoie;vbaies;oulnaiocEEACC:7230E;7820眦单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究* 蒋奇,马宾,李术才,李树忱. (1山东大学控制科学与工程学院济南. 2500061;2山东大学岩土与结构工程研究中心,济南. 2500061)摘要:根据声发射引起的扰动振动现象,提出采用单模光纤耦合器检测振动的声发射探测技术。单模光纤耦合传感器耦合输出与传感器耦合区长度和振动频率有确定的函数关系分析和设计了熔锥耦合型单模光纤声发射振动传感器,搭建了相应的等强度悬臂梁振
7、动监测及解调系统,通过与当前使用的压电振动传感器的室内实验,对比测试冲击信号和周期信号,验证了该传感器能有效实现振动扰动的检测。结合岩石试件破裂实验,进步验证光纤耦合声发射振动传感器是能实现岩石声发射检测的一种新的检测技术方法。光纤耦合振动传感器以其灵敏度高,制作简单,抗干扰能力强,性价比高,使用简单等优点在其他光纤传感器和传统的电类传感器中,具有不可比拟的应用前景。关键词:声发射;单模光纤;振动传感器;耦合;岩石中图分类号:TP253;TP21213文献标识码:A文章编号:l00041699(2OO9)O3一O34O-O5声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的一种现象,有时也称为应
8、力波发射。材料在应力作用下直接产生变形与裂纹扩展,以致引起结构失效,这是一种直接声发射源;另一种是与变形和断裂机制无直接关系的弹性波源,如流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等,常被称为间接或二次声发射源。声发射是一种常见现象,其信号的频率范围很宽,从几Hz的次声频,2OHz20kHz的声频到数MHz的超声频;幅度变基金项目:国家自然基金仪器专项资助(50727904);教育部博士点基金资助(2000704222105);山东省自然科学基金资助(Q20007F06)收稿日期:200080930修改13期:2008一l1一O4第3期蒋奇,马宾等:单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究. 341化也很大,从.
9、 10。的微观位错运动到. 1 rn量级的地震波等。近些年来,根据特殊场合声发射引起扰动、振动检测的需要,结合光纤传感技术的特点,国内外研究人员设计了多种多样的用于声发射检测的光纤传感器,如基于各种光纤干涉仪的振动传感器,偏振态调制型的光纤声传感器,基于光偏转法原理的传感器,基于光纤耦合器的声振动传感器等,其中,在光纤通信中的成熟的光纤耦合技术基础上,研制成一种全光纤器件的高性能耦合型光纤声振动传感器,以其测量频带宽,灵敏度高,解调、制作成本低,制作简单等优点,越来越受到重视。本文以单模光纤耦合器为基本结构,进行器件特殊设计与封装,在分析光纤耦合振动传感机理的基础上,改变单模光纤耦合器的熔融拉
10、锥过程中的结构参数(如耦合长度和耦合区折射率变化),使之对外界声发射振动有较高灵敏的响应,从而实现对振动参数的监测,并利用该传感器进行了岩石材料的声发射扰动监测验证。1光纤耦合声发射传感原理与分析单模光纤耦合声发射振动传感器的制作过程跟单模耦合器的制作过程相类似,将两根相同的单模光纤中部的涂覆层剥去,酒精清洗干净,平行置于熔融拉锥机中,放在高温下进行加热熔融,同时通过夹具向光纤的两端拉伸,当拉伸达到一定长度,两光纤之间就会发生能量的交换,最终在光纤的加热区形成双锥形式的特殊波导结构. _】。由于熔融拉伸使加热区的直径逐渐减小,耦合器的性能参数也会随之不断发生变化,形成以包层为纤芯,芯外介质作为
11、新包层的新的复合光波导结构。如图. 1所示。图l熔锥形光纤耦合器结构示意当入射光进入输入端,随着两个光波导逐渐靠近,两个传导模开始发生重叠现象,光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配,一部分光功率从. “直通臂”继续传输,另一部分则由“耦合臂. ”传到另一光路。可以假设,光波最初从一个光纤输人,传输一定距离后,这部分光就会逐渐交换到另一光纤内传输,然后又会逐渐返回到最初的光纤中传输,整个传输过程随耦合距离呈周期性的变化与能量交换。关于该种耦合传感器的耦合模理论,在很多文献中都有分析 2,这里不再给出。当声发射产生的扰动或振动在传感器的耦合区传播时,会引起耦合区长度和折射率的周期性变化。这种变
12、化对耦合区光功率的传播产生影响,导致耦合传感器的输出随振动信号的变化而改变。在外界扰动、振动的作用下,耦合传感器输出端的差动输出功率与入射光功率的关系可以表示为E。一. zT?厂-sin( )cOs2 ( (1)式中,M是扰动造成的耦合常数变化的幅值,为归一化频率,厂为扰动或振动信号的频率,. z为耦合区长度。可知,耦合输出是耦合器长度和振动频率的函数。对应的耦合区长度愈长,传感器的灵敏度越高,但传感器的截止频率就会越低。所以为了使传感器具有较高的灵敏度和较大的频响区间,试验中要选取合适的传感器耦合区长度。言o 0图2光纤祸舍输出端随耦舍长度的功率变化2光纤耦合声发射实验分析及应用. 21耦合
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- 单模 光纤 耦合 声发 传感器 及其 应用 研究
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