近日，來自美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）光學(xué)科學(xué)部與材料科學(xué)部的研究人員合作，成功地使用分布式反饋光纖激光聲發(fā)射傳感器檢測出了鉚接搭接接頭中裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

　　利用光纖激光聲發(fā)射傳感器對鉚接搭接接頭進(jìn)行缺陷檢測：該圖顯示了左上方搭接接頭中鉚釘之間裂縫的萌生和生長現(xiàn)象。光纖激光傳感器（見右上方的插圖）安裝在檢測結(jié)構(gòu)上，測量由裂紋缺陷所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，相關(guān)軟件將其記錄為聲事件（AE event）。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)記錄如右下圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷生長時(shí)，AE event振幅將會大大增加。圖片來源：美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室。

　　“我們研究了一種現(xiàn)場結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）自動(dòng)化系統(tǒng)，它能有效監(jiān)控結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，例如溫度、內(nèi)應(yīng)力、沖擊以及裂紋缺陷等；并且能在結(jié)構(gòu)損傷情況達(dá)到臨界水平之前可靠地將其檢測出來，以增加結(jié)構(gòu)安全性和信息反饋速度，同時(shí)降低海軍平臺的操作成本”，來自光學(xué)科學(xué)部的物理學(xué)家Geoffrey Cranch博士說道：“目前，還沒有一個(gè)美國軍種使用原位技術(shù)來管理設(shè)備結(jié)構(gòu)健康”。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最關(guān)鍵的是需要一種能夠近乎實(shí)時(shí)檢測出與裂紋等缺陷的出現(xiàn)和增長相關(guān)的聲發(fā)射信號的傳感器。并且，這類傳感器必須比現(xiàn)有的大多數(shù)電子產(chǎn)品更小、更輕、易于操控，敏感度相當(dāng)或有所提高。最終目的就是要使得這些組件的系統(tǒng)占用空間小，且可靠性高。

　　由美國海軍研究辦公室（ONR）材料科學(xué)部提供部分研究資金，NRL正在研制一種激光傳感器，它的寬度約為人類頭發(fā)絲那樣的寬度。在測試過程中，研究人員在一組鋁鉚接件中安裝了分布式的反饋光纖激光聲發(fā)射傳感器，并測量了兩個(gè)小時(shí)加速疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生的一個(gè)0．5MHz帶寬的聲發(fā)射信號，同時(shí)利用一個(gè)等同的電傳感器進(jìn)行測量。

　　這種嵌入式的傳感器可以用于解決鉚接件周期性“微動(dòng)磨損”的聲事件以及檢測來自裂紋的聲發(fā)射信息。對搭接處的延時(shí)成像，將可以使觀測到的斷裂與測量的信號之間建立起關(guān)聯(lián)。

　　除了裂紋檢測，這種光纖激光傳感器還能夠有效檢測沖擊損害影響，此外，該傳感器還具有能夠與現(xiàn)有光纖應(yīng)變和溫度傳感系統(tǒng)進(jìn)行集成的潛力。這為滿足現(xiàn)場結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系的操作安全要求提供了一種多參數(shù)傳感能力，值得一提的是，這還將顯著降低整體的成本費(fèi)用。

　　“我們的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了這種光纖激光傳感技術(shù)能夠在模擬疲勞環(huán)境中檢測到裂紋產(chǎn)生的超聲波聲發(fā)射信號的能力”，Cranch說道：“這項(xiàng)研究的新穎之處主要在于光纖激光傳感技術(shù)以及它的應(yīng)用方式等”。

　　從裂紋等缺陷中產(chǎn)生的聲信號還可以通過采用壓電式傳感器進(jìn)行測量，并且這項(xiàng)技術(shù)還促進(jìn)了現(xiàn)有的故障預(yù)測工作。然而，壓電傳感技術(shù)由于其設(shè)備體積較大且分布式監(jiān)測能力有限，因此在許多方面中并不具有太大的實(shí)用性。

　　Cranch強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)技術(shù)將有可能應(yīng)用在除軍事領(lǐng)域以外的許多方面。“我們的研究及應(yīng)用重點(diǎn)是海軍等國防方面，例如飛機(jī)、艦船和潛艇等。如果一些橋梁或者建筑物結(jié)構(gòu)中含有易受疲勞和失效影響的關(guān)鍵部件，那么該技術(shù)同樣可以用于對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測”。

　　目前，還沒有其它的本征型光纖傳感器能夠與光纖激光聲發(fā)射傳感器在實(shí)驗(yàn)室中測試所達(dá)到的性能相匹敵。與一些現(xiàn)有的電傳感技術(shù)相比，光纖激光傳感器已經(jīng)被證明具有相當(dāng)?shù)纳踔粮叩穆暟l(fā)射信號敏感性。該系統(tǒng)已經(jīng)可以將多個(gè)光纖激光傳感器集成到一束光纖中。目前，該研究小組正在進(jìn)行的工作主要為理解并解釋這些聲發(fā)射數(shù)據(jù)以計(jì)算出一些有用的指標(biāo)參數(shù)（例如故障幾率等）。未來的改進(jìn)方向則主要集中在實(shí)現(xiàn)相控陣波束形成技術(shù)，以有效確定裂紋等缺陷的具體位置方面。