基于掺铒光纤激光器的光纤布拉格光栅超声缺陷定位系统.pdfVIP

摘要

在超声无损检测中，基于光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）的

传感器有着质量轻、易与被测物相容的独特优势。在桥梁、道路、建筑物以及

大型精密仪器的结构健康检测中，FBG超声传感器有着不可替代的优势。要准

确定位结构体内部缺陷，对超声传感器的灵敏度、复用能力以及抗环境干扰能

力提出了较高要求。本文调研了近年来超声FBG超声传感技术的发展现状，

总结出当前已有的传感系统难以在满足上述条件时实现缺陷的准确定位。

为了能让复用型的超声传感器在高温环境下进行定位，本文设计了一种基

于激光双环路的掺铒光纤激光器传感系统。通过调控环形腔增益和损耗水平来

抑制模式竞争，成功在共用同一掺铒光纤和泵浦源的两个环路里实现了超声传

感。由于不存在滤波器，它们面对温度的高灵敏度工作范围仅取决于铒粒子均

匀高增益的波长范围。这样的传感系统能在高灵敏度和信噪比下同时进行双路

探测和传感。该系统同时也能抗温度干扰，在温度升高时仍然保持较为一致的

激光光谱和传感性能。通过时延差法对铝板波速进行了测量，利用小波变换获

得信号到达时间，不仅验证了系统具有波速测量的功能，还验证了高温下波速

测量结果的一致性，进一步证明了系统的抗高温干扰能力。

为了实现平面内的缺陷定位，本文使用偏振控制器调控激光腔增益来抑制

模式竞争，将激光系统的波长复用数量扩充到4个，以实现传感器的4路复用。

在定位实验中，采用菱形定位法，用钢珠撞击铝板的信号模拟缺陷的声发射信

号。针对信号起始点确定精度不足的问题，提出了一种AIC算法搭配小波变换

的算法来求解时延差，减小了Lamb波频散效应导致的定位误差。在500mm

×500mm的范围内实现了高精度定位，最大误差小于15mm。进一步研究了

噪声环境中系统的定位效果，给传感器中加入白噪声后用模态分解算法进行噪

声的滤除并进行位置解算。结果表明系统能对处于信噪比为5dB到0dB的超

声信号进行定位，最大误差小于28mm。

关键词：掺铒光纤激光器；光纤传感器；光纤布拉格光栅；超声检测；声发

射；缺陷定位

Abstract

Inultrasonicnon-destructivetesting,fiberBragggrating(FBG)sensorsshow

uniqueadvantagessuchaslightweightandcompatibilitywiththetestedmaterial.

FBGultrasonicsensorshaveirreplaceableadvantagesinstructuralhealth

monitoringofbridges,roads,buildings,andlarge-scaleprecisioninstruments.

Accuratelocalizationofinternaldefectsinstructuresimposeshighdemandson

thesensitivity,reusability,andresistancetoenvironmentalinterferenceof

ultrasonicsensors.ThispaperinvestigatestherecentdevelopmentofFBG

ultrasonicsensingtechnologyandfindsthatthecurrentworkhardlylocatesthe

defectwhilemeetingtheaforementionedrequirements.

Inordertomakesuremultipleultrasonicsensorsworkinhightemperature

environments,thispaperdesignsasensingsystembasedonadual-ringerbium-

dopedfiberlaser.Bycontrol