基于光纤光栅的PBX声发射监测方法

邱芷葳，温茂萍，周红萍，付 涛

（1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999；2.中国工程物理研究院研究生部，四川 绵阳 621999）

1 引言

高聚物粘结炸药（PBX）材料或构件在贮存、运输中由于长期外载荷的作用，将萌生裂纹并持续发展为破坏性断裂，裂纹在发展过程中积聚的能量突然释放产生瞬态应力波的现象，即为声发射（AE）。利用AE技术对PBX 材料因损伤产生的声信号实施在线监测，不仅能掌握PBX 损伤趋势规律、揭示PBX 损伤破坏机理，而且对提高武器系统安全性和可靠性具有重要意义［1-2］。相比其他无损检测技术，AE 技术是一种被动监测技术，能对损伤进行连续，实时的原位监测。早期的AE 监测工作使用传统的压电传感器（PZT）主要针对金属的变形和断裂过程，后来逐步应用于复合材料、岩石、混凝土等材料的结构健康监测［3］。在含能材料领域，中国工程物理研究院［4-6］、北京理工大学［7］两机构基于压电传感器开展了PBX 材料AE 监测工作。但是PZT 体积大，不能植入PBX 构件内部狭小空间，而且还存在电路放电等安全风险［8］，因此，亟待发展尺寸小、便于植入而且安全的传感器监测方法，光纤布拉格光栅传感器（FBG）具有微细、无源、抗电磁干扰、抗辐射等特点，而且在AE 波的作用下，FBG 产生拉伸或压缩，势必改变光栅周期和折射率这两个参量，引起FBG 中心波长的漂移。因此，一种新型的、基于波长漂移的光纤光栅传感声发射监测技术（FBG-AE）成为应用于PBX 损伤监测最为有效的技术途径。

目前，FBG-AE 技术主要应用于航空航天和航海业、采矿业、电力工业等领域，针对铝板、碳纤维增强材料、岩石、变压器局部放电等损伤或异常情况实施在线实时监测［9］。Vidakovic M［10］等针对应用于航海领域的金属材料开展了FBG-AE 监测工作，替代不能应用于海水环境的PZT 传感器。日本东京大学的Wu Q，Yu F［11-12］等利用相移 FBG 传感器对碳纤维增强板（CFRP）的损伤行为进行 AE 监测，通过 S 模式波和 A 模式波的频散特性解释CFRP 中两种损伤形式：横向裂缝、分层现象。Rajan G［13］等基于 FBG-AE 监测系统对岩体完整性进行了评价。马宾［14］等基于搭建的FBG-AE 系统对变压器局部放电实施在线监测，验证了内置于变压箱体的FBG 相比布置于箱体外部的PZT有更好的灵敏度和更宽的频率响应范围。目前，关于FBG-AE 监测技术应用于 PBX 领域报道极少，付涛［8］等采用断铅实验方法开展了FBG-AE 监测PBX 的损伤定位方法，提出了一种时间系数定位法修正AE 波到达时间，实现高精度的损伤定位，但并未开展可应用于PBX实际损伤破坏在线监测的FBG-AE 方法研究。

PBX 的声阻抗较高，FBG-AE 监测 PBX 的损伤破坏具有一定难度。因此，为了研究FBG-AE 监测系统对PBX 损伤监测的可行性和适用性，建立了基于FBG 的AE 监测方法，测试了机械载荷作用下PBX 的损伤情况，在此基础上，为了使系统能适应PBX 宽温域监测条件，研究了PBX 损伤监测系统的环境适应性。进而，提出FBG 弯曲粘贴方法，提供了一种提高PBX 损伤定位精度的实施方法。

2 FBG对AE应力波的响应理论

AE 源产生的弹性振动会以应力波的形式释放，随即传播到材料表面引起表面位移，用传感器感知材料表面位移的机械振动，并通过高频采集系统以电信号的形式采集到该机械振动，便可对被测材料的AE 信号进行分析和处理［15］。FBG 传感器能敏感于AE 应力波引起的材料表面机械振动，不同于传统PZT 传感器的压电效应，FBG 主要表现为中心波长λ发生漂移，其中漂移量 Δλb可表示为［16］：

式中，Δλb为 FBG 中心波长漂移量，pm；neff0为初始纤芯折射率；ΔΛ为几何效应引起的光栅周期弹性变形量，pm；Δneff为弹光效应引起的纤芯折射率变化量；Λ0为初始光栅周期，μm。

作用于FBG的AE应力波，描述为时间的余弦函数［17］：

式中，εm为AE 波振幅，V；λs为应力波在介质中的波长，mm；z为 FBG 轴上的一点；fs为应力波频率，Hz。当FBG 在AE 应力波的作用下，由几何效应和弹光效应引起的纤芯折射率和光栅周期变化量为（满足条件：超声波波长远大于栅区长度）：

式中，P11、P12为弹光系数，ν为泊松比。式（3）、式（4）代入式（1），得到由AE应力波引起的FBG中心波长漂移量［18］：

3 实验部分

3.1 样品制备

本研究中采用HMX 基PBX，由质量分数95%的HMX 晶体颗粒和质量分数5%的氟橡胶压制而成的毛坯件，参考GJB772A-1997 炸药试验方法417.1、418.1 机加成哑铃型拉伸试件和圆柱形压缩试件，方向敏感性测试所用的HMX 基PBX 试件尺寸为Φ220 mm×70 mm。

3.2 FBG-AE监测系统及其环境适应性

图1 FBG-AE 监测系统示意图Fig.1 Schematic diagram of FBG-AE monitoring system

实验利用可调谐窄带激光光源搭建了FBG-AE 高速解调的监测系统。监测系统的工作原理如图1 所示，实验选用中心波长约1550 nm，栅区长度10 mm，反射率大于80%的FBG 贴于PBX 试件表面，以PZT 激励信号、断铅信号和机械载荷损伤信号作为PBX 的AE源。可调谐窄带激光（Santec TSL-510）通过环形器a端照射于FBG 反射谱的工作测量点。随后反射光强通过环形器b 端返回，并被光电探测器（New Focus 2117）接收，此时光信号转换为电信号；前置放大器（Physical Acoustics 2/4/6）把电信号放大，最终录入数据采集系统（Express8 @ Physical Acoustics Corporation）。基于窄带激光的AE 解调原理如图2 所示，在外界条件作用下，FBG 的中心波长从图2a 位置漂移到图2b 位置产生Δλ的微小漂移量。当窄带光源的输出保持稳定，窄带光谱和FBG 反射谱重叠区的面积随着FBG 反射谱的左右漂移而增大或减小，即FBG 反射光强在外界作用下会增大或减小，利用波长调制转换为光强调制解调出 AE 信号［19］。

图2 基于窄带激光的AE 解调原理图Fig.2 Schematic diagram of AE demodulation based on narrowband laser source

FBG-AE 监测系统的环境适应性将决定PBX 损伤监测的环境要求，根据窄带激光的AE 解调原理，在温度场和应变场变化的环境下，FBG 反射谱发生左右漂移，可能会导致初始设定的窄带光源波长照射到FBG 透射光谱区，使得FBG 反射的光强变化量极小，FBG-AE 监测系统就监测不到AE 信号引起的光强变化现象［20］。因此，在PBX 上进行了FBG-AE 系统的环境适应性实验，搭建FBG-AE 监测系统如图1 所示，其中PZT 距FBG 中心50 mm。之后，可调谐窄带激光光源调于FBG 的3 dB 点对应的波长处，以此波长作为开始，激光光源每调节5 pm 进行一次监测，直到监测不到AE 信号为止，并记录激光光源对应于FBG 反射谱的波长位置。

3.3 基于FBG-AE的PBX试件拉伸、压缩损伤监测

研究PBX 的力学性能，能优化PBX 配方设计、提高武器性能［21］。PBX 作为一种颗粒型复合材料，材料内部存在许多不均匀的声阻抗界面，对AE 波的传播具有一定阻碍作用。因此，利用AE 事件记录PBX 损伤破坏过程，探究运用FBG 监测到PBX 试件损伤破坏产生的AE 信号的可行性。将FBG 和PZT 通过耦合剂贴于PBX试件表面中心位置，如图3a、图3b 所示，同时将传感器连接于AE 系统，参考GJB772A-1997 炸药拉伸、压缩试验方法417.1、418.1 对PBX 试件施加准静态轴向拉力、压力，直至PBX 试件断裂。拉伸压缩实验采用万能实验机进行，拉伸试件采用标准哑铃型试件，压缩试件采用圆柱型试件（Φ20 mm×20 mm），如图3 所示。

3.4 PBX的FBG方向敏感性测试

图3 PBX 试件拉伸、压缩实验示意图Fig.3 Schematic diagram of tensile and compression experiments of PBX specimens

解决FBG 方向敏感性问题是开展高精度的PBX 损伤定位AE 监测工作的重要目标之一。FBG 方向敏感性取决于声波传播方向和FBG 轴向的相对取向，当超声波的传播方向平行于FBG 轴向时，FBG 受到最大应变影响，具有最好的方向敏感性［22］。为此，需要考察FBG-AE 监测方法在PBX 试件上的方向敏感特性。测试过程如图4 所示，FBG 粘贴于PBX 试件（Φ220 mm×70 mm）圆心处，在图中12 个方向进行断铅实验，每个位置使用自动铅笔连续断铅3 次，每次铅芯伸出长度2.5 mm，与 PBX 表面夹角 30°，用于模拟 PBX 损伤破坏AE 信号。每个方向标记4 个断铅实验位置，分别距离FBG 中心30 mm、50 mm、70 mm、90 mm。

图4 FBG 方向敏感性测试图Fig.4 Test diagram of FBG direction sensitivity

4 结果与讨论

4.1 FBG-AE监测系统的温度适应性分析

图5 FBG 反射谱的传感波长范围图Fig.5 Sensing wavelength range of FBG reflection spectrum

图5 所示，测试的两个FBG 有效监测波长范围位于3 dB 点处，约60 pm。根据FBG 温度、应变敏感性，在1550 nm 波段的FBG 对应的温度灵敏度系数为10 pm·℃-1；应变灵敏度系数为 1.2 pm·με-1［23］，因此FBG-AE 监测系统能在温度范围为±3 ℃、应变范围为±25 με 下监测到AE 信号。结果表明该系统仅能在有限的温度范围或应变范围内具有AE 监测功能。针对 PBX 实际使用的宽温域为-50～70 ℃，该 FBG-AE 监测系统还不能完全适应，后续研究工作将对宽温域的PBX 损伤监测工程应用问题开展研究。

4.2 FBG和PZT传感器对拉伸、压缩实验的AE 信号监测的对比分析

图6 表示AE 信号幅值与时间的关系，为了直观反映实验过程，图中叠加了载荷对时间的曲线。PBX 拉伸、压缩实验中，FBG 传感器能监测到PBX 断裂破坏释放的能量。与传统PZT-AE 监测系统相比，FBG-AE监测系统的门槛值较高导致图6 显示的拉伸、压缩过程中的AE 信号较少。图6c、图6d 压缩实验结果图与图6a、图6b 拉伸实验结果图比较发现，压缩过程中产生的AE 信号明显多于拉伸过程。这是由于PBX 是脆性材料，其压缩断裂能量大于拉伸断裂能量。且压缩时PBX 有屈服、强化、软化特性，表现出延性变形，产生较多AE 信号。而在拉伸时，PBX 在屈服时发生破坏，没有强化段，所以 AE 信号较少［24］。

图7 以PBX 拉伸断裂瞬间监测到最高幅值的AE信号为例，两传感器监测的信号均为典型的振荡衰减AE 信号。PZT 监测到断裂瞬间的最大信号幅值为99 dB，信号到达 PZT 时间为 351.7825663 s；FBG 监测到断裂时的最大信号幅值为88 dB，信号到达FBG时间为351.7833247 s。与 PZT 相比，FBG 监测到的幅值略小，在时间上延迟0.7584 ms。考察PBX 试件断裂位置后发现，断裂处距离FBG 粘贴位置较远，所以FBG 监测到的信号幅值较低、时间较晚。可见，AE-FBG 监测系统不仅能够准确监测到PBX 损伤断裂产生的毫伏级信号，灵敏度较高；而且信号的累积程度可间接反映PBX 的加载特性。

图6 加入力学曲线的PBX 试件AE 信号幅值对时间结果图Fig.6 Result diagram of the AE signal amplitude versus time in PBX specimen and embedded into mechanical loading curve

图7 PBX 试件幅值最大的AE 信号波形Fig.7 The waveform of the AE signal with the maximum amplitude in PBX specimen

4.3 PBX的FBG方向敏感性分析

图8 为PBX 试件上常规粘贴FBG 的方向敏感性图，在90°和270°方向（垂直于FBG 轴向），断铅信号幅值偏低，甚至可能低于门槛值，导致监测不到信号。在0°和180°方向（FBG 的轴向），断铅信号幅值最高；从轴向过渡到垂直方向时，断铅信号幅值逐渐减小。同时，随着断铅位置与FBG 之间的直线距离增加，监测的信号幅值将会减小，表明AE 信号在PBX 中的衰减与传播的几何距离有关［25］，信号传播至传感器距离越远，传播过程中信号衰减越明显，使得监测到的信号幅值越低。

图8 不同测试距离下PBX试件AE信号幅值与FBG方向的变化关系Fig.8 Relationship between amplitude of AE signal and direction of FBG in PBX specimen under different test distances

通过以上实验分析发现FBG 的方向敏感性与AE波作用的角度和距离相关。引入图9 FBG-AE 的传感模型，当AE 波作用于常规粘贴的直型FBG 时，可由式（6）计算 FBG 中心波长漂移情况［8］，反映 FBG 的方向敏感性与角度之间的关系：

式中，Cx、Cy为AE波作用于FBG的方向系数（0＜-Cx＜Cy），θ为 AE 波传播方向与 FBG 轴向的夹角，ε为 AE 波作用于FBG 中心产生的变形。

图9 FBG-AE 的传感模型图Fig.9 The sensing model of FBG -AE

由上述模型可知，当θ=0°时，Δλb达到最大值，则FBG 轴向是 AE 信号最为敏感的方向，当θ=90°时，Δλb达到最小值，则FBG 径向是AE 信号最不敏感的方向，因此，使用常规粘贴FBG 方法进行PBX 损伤定位，存在以下问题：（1）PBX 为高声阻抗材料，使得AE 波在传播过程中衰减较大，FBG 监测的声信号幅值较小。（2）损伤定位一般采用多个传感器，当AE 波传播方向作用于FBG 轴向的夹角不同，会导致FBG 对AE 信号响应的方向敏感性差异较大。当某一FBG 距AE 源较远且夹角为90°或270°时，可能会监测不到AE 信号，影响损伤定位精度。（3）夹角差异会增加AE 源到达FBG 的时间，消除夹角引起的时间差异，将提高损伤定位精度［8］。所以本实验采用FBG 弯曲粘贴方法，如图10 所示。当各个方向的AE 波作用于FBG 最为敏感的轴向时，由式（6）计算可知，弯曲粘贴FBG 的中心波长漂移量为CyλB0εy，仅与声源发射的波强有关，与夹角θ无关。实验中各方向通过人为断铅发射等强的AE 波，理论上弯曲粘贴FBG 在各方向响应幅值相等。理论分析表明弯曲粘贴FBG 不仅能消除夹角差异，减小FBG 方向敏感性问题；而且各个方向的AE 波均能作用于FBG 最敏感方向。

图10 FBG 弯曲粘贴示意图Fig.10 Diagram of the bending FBG

弯曲粘贴FBG 的实验验证结果如图11 所示，在断铅位置相同的情况下，弯曲粘贴的FBG 对AE 信号的响应幅值没有常规粘贴FBG 的大，但是能明显看出弯曲粘贴的FBG 对各方向上AE 信号响应幅值差别不大。而且当断铅位置在70 mm 时，弯曲光栅在每个角度上都能响应，但是常规粘贴光栅在此距离上已不能完全响应。所以，验证了FBG 的弯曲粘贴方法相比常规粘贴能减小FBG 的方向敏感性存在差异的问题，并且能在轴向敏感AE 信号，使得达到一定距离后其灵敏度高于常规粘贴法。

图11 FBG 和弯曲粘贴FBG 在距AE 源不同距离下的方向敏感性测试结果图Fig.11 Directional sensitivity test results of FBG and bending FBG at different distances from AE source

5 结论

（1）通过FBG-AE 监测系统对PZT 激励信号、断铅信号和PBX 机械载荷损伤信号的响应分析，结果证明该系统灵敏度虽然低于商用技术，但可以监测、判定PBX 的损伤与断裂。

（2）基于可调谐窄带光源解调方法搭建的FBG-AE 监测系统还不够完善，仅具有±3 ℃或±25 με的动态监测范围能力。因此，为了适用于PBX 使用环境的AE 损伤监测，还需要开展研究以拓宽其温度与应变变化的适用范围。

（3）通过FBG 的弯曲粘贴方法改善了常规粘贴FBG 对AE 信号方向敏感性不同的问题，分析了采用该方法有利于提高PBX 损伤定位精度。