基于非本征型光纤传输声发射局部损伤监测系统

    大型设备如球罐、起重机械等是国民经济中重要的工业设施，确保其安全运行具有十分重要的意义。由于承受疲劳载荷作用，加上工况恶劣，极大地增加设备产生疲劳裂纹损伤的可能性，严重影响结构安全运行。为避免事故发生，对这些设备开展局部损伤监测就显得十分重要。声发射技术是检测大型设备活性缺陷（如裂纹扩展等）的主要手段，但传统的声发射技术受传输电缆固有的物理特性影响，具有传输距离有限、易受干扰等缺点，这就给大型设备的声发射监测带来了困难。因此，笔者提出了光纤传输声发射技术的局部损伤监测方法。

    １　声发射检测原理

    声发射又称为应力波发射，是材料或零部件受外力作用产生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象［１］。声发射检测原理如图１所示。从声发射源发射的弹性波最终传播到材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转化为电信号，然后再被放大、处理和记录，人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，以了解材料损伤情况［２］。

    与其他无损检测方法相比，声发射技术具有以下优点：

   （１）声发射是一种被动检验方法，探测到的能量来自被测试物体本身，而不像超声检测需要提供激励信号。

   （２）可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报，对于受力情况复杂的金属结构，相比超声、磁粉检测效果更好、更真实，同时可以减少检验中不必要的停机［３］。

    尽管声发射技术有很多优势，但也有其应用局限性，受传输电缆固有的物理特性影响，声发射信号传输距离短，抗干扰能力弱，使得传统的声发射检测系统无法满足远距离监测的要求。基于非本征型光纤传输声发射的局部损伤监测技术将声发射传感器采集到的信号采用光纤进行传输，既有声发射技术对活性缺陷比较敏感，对被测结构的形状、尺寸要求不高和能够进行在线监测的优点，又具有光纤技术传输距离远、抗干扰能力强等优点，为开展大型设备局部损伤远程健康监测提供了有力的技术手段。

    ２　基于非本征型光纤传输声发射的局部损伤监测系统设计

    该监测系统包括声发射传感器、数据采集模块、光纤传输模块和软件系统四部分，系统组成如图２所示。声发射传感器用于监测被测物体的声信号以及将声信号转换为电信号，传感器输出的电信号由数据采集模块进行放大、滤波、模数转换、特征参数提取等处理，由光发射模块进行协议转换、电光转换后调制成光信号，通过光纤长距离传输至接收端。接收端的光接收模块将光信号还原为电信号并送至计算机进行数据处理。软件系统对现场采集的声发射信号进行数据分析，拾取损伤信息，显示、存储等操作。