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利用光纤传感器的超声波检测
Brian Culshaw , Graham Thursby , Daniel Betz , and Borja Sorazu
摘要：超声是检测结构损伤和材料性质的重要工具。它的检测通常由压电换能器，然而，光纤传感器可以工作在更大范围的频率，也产生信息的方向上的波传播。光纤传感器和超声两者之间的相互作用，演示了内在的光纤传感器的集成功能，并提出了新的机会，在超声波检测，极性和频率响应提供了巨大的多样性。本文综述了超声波和光纤传感器之间的相互作用机制，并确认其功能的灵活性。我们使用这些结果表明，这些传感器的实际使用来检测和定位损坏的样品。
关键词：布拉格光栅，损伤检测，旋光仪，超声。
1.简介
利用原有光纤传感器检测超声虽然断断续续但已经被研究了多年来，尽管有大量的论文发表布拉格光纤光栅（FBG）的应用，直到最近仍然很少被写在题目。Fisher等人[ 1 ]证明的可行性，采用短纤维布拉格光栅测量兆赫声场和温度同时。formitchov [ 2 ]表明光纤光栅测量超声压力波的应用，提出了应用在液体和固体中超声测量，而使用光纤光栅水声传感器是由高桥[ 3 ]采用可调谐激光器对激光的描述。对超声检测FBG的使用理论分析是由柯波拉[ 4 ]，它集中于超声应变场对光栅特性的影响。最近，兰姆波在复合材料损伤检测波测量已被tsudu [ 5 ]和[ 6 ]描述了武田。与超声波和光纤之间的相互作用是非常简单的光纤集成的超声沿着预定的相互作用长度的影响。然而，这种简单的观察掩盖了丰富多样的感应选项中的频率和极性响应的依赖主要是与超声波的波长和机械应力（应变，压力或位移），该传感器配置为响应的相互作用长度的比例。这种与压电陶瓷探测器强烈的对比，这是传统的超声波系统的主体。特别是，压电陶瓷探测器的响应往往占主导地位的机械共振的超声波的频率范围内被检测到。相反，光纤传感器通常表明至少在几十兆赫时没有这样的共振行为。所有的工作，我们在这里描述的活动，在超声测试和评估是在频率远低于这些初始共振现象。然而，其他频率相关的影响可能是重要的，将被描述为以后。光纤传感器和压电陶瓷片传感器的响应之间的另一个重要的区别是，前者是依赖于纤维轴的波传播方向之间的夹角。本文的其余部分，首先考虑的功能，这一角度的功能，在超声波领域的光纤传感器的集成性能。然后，我们继续讨论这些相互作用的影响，在传感器系统中的长和短（相比，超声波的波长）的相互作用长度。的传感器的方向特性的实际开发，以确定不仅是振幅，但也对入射波的方向，最后一个说明，这种相互作用在损伤和检测位置系统的潜在用途。
2.将超声波与光纤传感器结合
A:与声波传感器的交互
定义一个声波的移动压力或粒子速度场的压力和速度相关的声阻抗如(1)所示
光纤的机械反应本质上是压力领域(以径向为主)或应变场(以纵向为主),可以很容易地来源于应变场速度场,得出了(2)
Cp是超声波传播的相速度。注意,对于一个给定的功率密度应变场与频率无关,而位移是声学频率成反比。同样频率的压力场也是独立对于一个给定的声功率密度。这些关系给有价值的洞察光纤传感器的频率响应。
在本文中，主要的重点将是传播超声和干涉/偏振或布拉格光栅传感器之间的相互作用。干涉仪/旋光仪的反应是将应变或是负责改变光学延迟/双折射光纤压力场分量。布拉格光栅的对比度响应直接应变提供的应变是大致均匀的沿光栅长度。当应变不能再被认为是统一的响应是光谱位移和光谱展宽的组合，这是事实上相当难解释。因此我们将集中精力研究在干涉仪、旋光仪声场的整体集成和限制我们关注的准均匀应变的情况下布拉格光栅传感器。
重要的是要注意，在（1）和（2）之间的关系严格适用于压缩波。剪切波与剪切应力场的情况略有不同。相关杂波如兰姆波和瑞利波再次显示了同样的趋势但尊重必须进行模态和位移和压力扰动模式场的影响。在这些最后更复杂的情况下，该模式的行为可以被用来优化性能的光纤传感器，虽然这将超出范围的当前文件。
这些传感器的超声波反应，现在可以预测的广泛的条款。首先，整合如干涉仪、旋光仪的格式，紧张或压力场给集成位移或相位延迟可以定性评价，从简单的空间参数的影响。首先采取的极端情况下的传感器集成的长度是远比声/超声波波长。这是事实的情况，适用于大多数实际为基础的集成传感器。如果沿长度方向的整合进行了分析，它是直接证明，到第一个近似值，这是一个sin函数等的情况下的总长度超过几个波长的净反应是有效的零。净响应也被定义为零，当积分长度是一个积分的波长，没有发生显着的衰减发生。这适用于任何平行波前的情况下，沿光纤轴线的传播方向。弯曲波的情况，当我们看到后，由于曲率减小，能量发散传播的波的振幅下降得更复杂。因此，它是一个安全的假设，当集成的长度是远远长于传播的超声波波长的传感器的超声波传播沿其轴线的灵敏度是非常小的。
相反，对于垂直于光纤轴线的波（即波前平行于光纤长度），该传感器将沿光纤长度的相互作用域进行整合。如果光纤被放置在一个均匀的压缩领域的压力将在fl全光纤延迟参数的影响。如果光纤被放置在非均匀压力场（不均匀的波场），这将影响到光纤的双折射率，因为我们将在一个波前集成传感系统中得到非常有效的利用。
图1.平面波沿光纤传感器的集成。
对比的案例是，光纤布拉格光栅传感器在使用时，光栅长度（通常为1mm的倍数）比传播的声波长度小得多。这里是调节光栅反射波长的局部应变场。有趣的是，然后对于一个给定的声传播模式的形状的频率响应的光纤布拉格光栅是独立的声频率在很宽的范围内。为了扩大这些频率响应，固体中的一种典型的波的传播速度为5mm/s的地区，一个1毫米光栅明显低于频率高达500千赫的波长。这包括了很多的频率范围，这是感兴趣的结构无损检测区段。
也有许多情况下，超声检测可以使用到表面位移，特别是在平面方向。在迈克尔逊干涉仪的主题变奏执行这个功能非常好，但这不同于其他的方法中，他们不使用一个传感元件结合的样本，而是取决于从它的表面光反射。确实有几个商业计，可在此模式下操作。这一特殊的选择将不被进一步探讨，但应该指出，这些都是非常有用和非常灵活的工具。
B .波前整合
最简单的情况来分析，以显示波入射的平面波入射在光纤传感器的角度对正常（图。1）。如果一个超声波的波阵面与一个光纤传感器是垂直的，因此在传感器上的压力将随该波的相位的长度变化。假设传感器的响应（通常是变化的有效折射率或双折射），是成正比的入射压力，响应将被确定由沿其长度的压力的综合值。由于压力变化所产生的波为横跨纤维可以是积极的或消极的，显然是有一个最佳的传感器长度光源波长，可如果最大灵敏度得到应用。在一个平面波的情况下，如果我们忽视的衰减，那么最佳的传感器长度显然是半声波长分辨到纤维轴（即lambda;/ 2SiNtheta;），或该值乘以一个奇数整数
图2.图形演示的最优长度纤维恩索检测圆柱波阵面。
在大多数实际的平面波前将很少遇到,有必要分析波前弯曲时会发生什么与传感光纤。首先,考虑相对简单的弧形形状的波阵面传播的方向正常的轴纤维(图2),直观地,人们会期望最优传感器长度又会的最长的压力仍将完全正(或负),这将是如果波前传感器的中心之间的相位差,结束pi;弧度见固体分事实,这不给最大的综合价值是由于两个因素。
压强的大小是距离的平方根成反比的超声源(柱面波)。因此,压力会更大的会议中心的传感器比当它到达一个点沿着相似的波前相位值。
2)的几何关系的弧波前和直纤维意味着,例如,光纤传感器的长度与,阶段之间的0到pi;/ 2长于pi;/ 2和pi;之间(见图下方的波前弧)。
[ 7 ]可以显示，事实上最佳的传感器长度在最大相位差的中心和传感器端这0.74个pi;之间发生（虚线）
在图2中,我们绘制三种不同的情况下,超声源的距离传感器的长度成正比的线。
1)顶(固体曲线):波前之间中心和最后pi;相位差为pi;传感器。
2)中间(虚曲线):波前为中心和最后相位差为0.74pi;的传感器。
3)底(虚线):一个波前中心和最后之间的相位差为pi;/ 2中心和最后传感器。
每种情况都是基于压力波相同的正常化，这被视为一个正弦波的单位振幅和成反比的距离的平方根方。对于所绘制的情况下，从源到传感器的中心的距离被作为一个统一的和20倍大于超声波波长。
曲线代表沿不同长度的传感器（在任意单位）的压力分布。很明显，从这个图片的解释上面的情况如何pi;弧度的相位差（实线）集成在大多数的传感器长度的压力场的价值几乎为零，因此这种解释显示虚线的情况下集成压力（相位差）集成了更大的压力沿其长度
本文的范围是声波的传播方向是在一些任意角度的纤维的情况下更复杂和详细的描述。使用相同的基本原则进行分析，确定的振幅和相位的波的每个点沿的误码率的长度和整合在适当的部分，其长度。这种长度的中心将在该点的波矢量与光纤和集成的轴将在plusmn;L / 2关于这一点。总的趋势是相同的，预测的平面波，但与纹波叠加在它，其大小和形状将被确定的源距离相对于声学波长。在某些情况下，它是可能的，对于一个给定的传感器长度，最大灵敏度不会当波的传播方向垂直于纤维发生（图3）[ 1 ]。
C.兰姆波
兰姆波是引导声波传播的材料与它们的传播矢量平行于表面。此特性，再加上的事实，即它们的能量分布在整个片材的厚度中，使它们成为在结构健康监测应用中使用的一个理想的候选人。一个声学驱动器可用于生成一个波能传播，从而提出质问，大面积。这是这些波的检测，将是本文其余部分的主题。有两种类型的波，对称和非对称，在对称性是指在板相对于中性轴粒子的运动。这是显示在图4（a）和（b），[ 8 ]从动画，从它是明确的，模式包含纵向和剪切应变。
图3.模拟最大峰值与角theta;在270 kHz,铝(传感器长度= 19.5厘米;距离传感器的中心= 16厘米)
图4.粒子运动(上)对称模式(底部)反对称模式。
3.兰姆波的偏振检测
第一个技术追究兰姆波的检测使用保税光纤传感器是使用一个干涉仪测量光程的变化通过压力诱导产生的纤维纤维有效折射率的变化[9]。使用这种方法的详细检查结果显示一些意想不到的偏振相关效应,建议使用偏振测定作为替代技术。偏振测定简单实现和使用便宜的组件,因此成立了实验在图5显示。线性偏振激光源通过的线性偏振的激光源通过偏振控制器连接到传感器的光纤，它可以被连接到，或嵌入在，样品板。它是简单的嵌入在碳纤维复合板中的纤维，但这是一个各向异性的材料，它被认为是最简单的开始与各向同性材料。自粘结纤维直到一张证明给不可靠的结果表面，纤维被铸造成一个小的模具，然后粘到有机玻璃板表面。传感光纤的输出与GRIN透镜的终止，使光线可以直接通过旋转偏振器和一个光电二极管。注意保证输出纤维为短和尽可能直，尽可能少的粘结长度的末端与偏光片之间的偏振态的改变。对保税区的纤维长度（100mm）是这样选择的，声波从未超过lambda;/ 4的淘汰它沿着。兰姆波是由压电换能器粘到3毫米厚的钢板和兴奋的5圈纯音位于传感器/板组合的谐振频率产生（150kHz）。发现信号进行设置，其幅度取决于极化输入状态和偏振片的取向产生。因此进行了下面的实验:
图5.兰姆波的偏振探测和横截面的纤维传感器造型。
i)结合输入偏振态和给予最大信号振幅偏振化取向的确立。偏光镜是旋转，同时保持相同的输入偏振和由此产生的信号幅度的变化进行测量，在检测到的光的直流电源。测量最小和最大值的直流光水平的椭圆度和允许的长轴的极化状态，使最大信号幅度来确定方向。
ii)极化线性输出状态被设置在不同的方向，利用偏振控制器建立在正交的方向，需要研究空直流电平。信号通过旋转偏光器，45°及其振幅测量。
必须强调的是，双折射产生的纤维在嵌入或接合过程即使输入没有压力的声波，输出状态的极化通常会有不同的。
这些实验的结果表明,最优输出偏振状态是一个发射功率方面比2.64椭圆偏振态（E 1.62）相对于板的平面58°取向。信号的振幅的5% dc在最佳条件下,观察表明效果是足够大让技术被用作检测机制。实验具有线性偏振输出显示小信号振幅的变化改变取向极化的。通过使用获得的最大信号线性双折射的不到10%,获得使用最优极化状态。在显示的信号,第一个脉冲是兰姆波,而第二个是慢的不对称。
图6.兰姆波信号偏振方法获得的不同的偏振器方向:平面板前-10°，底部-60°的方向。
图7.与偏振器和S信号振幅的变化方向(垂直角度引用)。
这将是预期的，如果在传感器光纤中的双折射引起的声场已是纯粹的线性的，所需的光的输出的偏振状态，给予最大的信号幅度将是圆形的。也可以预测，将有一个方向的线性光，其中有零信号幅度，在正交方向上观察到的最大信号幅度。上述观测的组合表明，由声波引起的双折射主要是线性的，但具有较小的圆形分量。虽然很难量化，对圆双折
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