弹性波广泛应用在各类装备的结构健康无损检测中。目前常用的弹性波传感器都是基于压电效应的，易受电磁干扰，具有谐振性，测量频带窄。光纤布拉格光栅(FBG)凭借其可嵌入、可组网、没有谐振性、抗电磁干扰等优势受到越来越广泛的应用，但是仍缺少面向宽频弹性波检测的解调系统。

双FBG+PZT解调

利用FBG检测弹性波最直接的方式是检测传感FBG的中心波长改变，但是直接获取中心波长的变化量需要用到光谱仪，成本高昂且解调速度有限。然而，弹性波具有宽频带的特点，要求检测系统具有高速解调的能力，为实现高速解调，可以将波长变化转换为光强变化。

综合考虑系统成本、解调速度和温度补偿等因素后，借鉴已有的可调激光法和匹配光栅法，采用PZT粘贴一个匹配FBG构成“滤波器”的方式形成窄带光，通过调节PZT偏置电压实现对传感FBG的波长匹配。此外，通过宽带光源加“滤波器”的方式可以实现多支路测量，在保持低成本的前提下实现多通道高速解调。

双FBG+PZT解调系统设计

基于匹配光栅法的强度解调系统的系统组成如图所示，其中硬件部分实现对被测物理量的感测采集以及光信号向电信号的转换，软件部分采集输出信号，实现信号处理、特征提取、数据存储等操作。

硬件部分主要包括SLD光源，环形器，匹配FBG+PZT构成的锁定FBG，传感FBG，光电探测器，数据采集卡以及上位机（个人PC）。其中SLD光源为整个系统提供宽带输入光；锁定FBG将一个与传感FBG波长相近，其它光学参数相同的FBG通过施加一定预紧力整体粘贴于压电陶瓷的一个端面上，实现对传感FBG的波长匹配。

通过改变PZT两端施加的驱动电压，PZT由于其逆压电效应产生位移，从而对附着的匹配FBG进行拉伸或者压缩，改变匹配FBG的中心波长。环形器口1的入射光由口2输出，口2的输入光由口3输出，在系统中既能隔离光路避免光反射回光源造成损耗，又将匹配FBG的反射光转为传感FBG的入射光，将传感FBG的反射光输入到光电探测器的输入端。

光电探测器将光信号转为电压信号；数据采集卡是将光电探测器的输出电压信号高速可靠的数字信号供计算机处理、存储与显示。通过增加1*n耦合器与FBG对（一个匹配FBG,一个传感FBG）数量可以实现多通道准分布式测量，以满足多个监测点同时监测的应用需求。

软件部分采用NILabVIEW编程，主要包括参数设置，数据采集处理和数据显示存储三个模块。参数设置模块设置系统的采样率、采样通道编号、采样通道数量、数据存储路径、文件名等；数据采集处理模块对信号做一定处理，如滤波，FFT变换，小波变换等，以提高信号质量，提取信号特征。

同时，实现上位机同下位机的实时数据交互，满足实际应用的需要。数据显示存储模块直观显示系统采集到的信号以及一些输出特征参数等，将数据以特定的文件格式保存到特定的路径，以便做后续处理以及访问。

宽带光源：为系统提供信号载体，其光谱特性与稳定性直接影响整个系统的解调范围与解调精度。带宽、功率和平坦度是宽带光源的三个重要性能参数。宽带光源所能输出的波长范围应包含FBG的中心波长，考虑到存在多个传感器同时监测的需求，光源应具有较宽的带宽。

光源的平坦度反映光源输出的稳定性，平坦度越好的光源其输出功率越稳定，系统的测量结果越可靠；光源的功率决定了光信号的稳定性和传输距离，也决定了应用强度解调时系统信号的信噪比。

光源如图所示，中心波长1550nm，3dB带宽50nm，满足多FBGs的分路复用需求，输出耦合到一个FC/APC接头上，方便连接。光源稳定性优于0.1%，保证了能够为系统提供稳定的输入光。集成的微控制器能全面调节SLD的光功率和温度，并监视故障情况。

光纤Bragg光栅：宽带光源的中心波长1550nm，在1550nm附近可以提供比较高的光功率，以保证最后采集信号的信噪比。所以选定的FBG的中心波长为1550nm。为了达到预期的实验效果，选用满足高反射率、高边模抑制比、合适的带宽和栅区长度保证系统的灵敏度和信噪比。

实验中FBG栅区长度10mm，3dB带宽约0.2nm，边模抑制比约20dB，反射率大于90％，在光纤外附有0.9mm的保护管，FBG的端部耦合到FC/APC接头，其外观和光谱图如图所示。

FBG与LDV对比

设计实验比较FBG传感系统和LDV对相同弹性波的检测效果。实验使用500mm×50mm×2mm铝板，装置如图所示。其中，为了使FBG与LDV的测量条件尽可能一致，将PZT布置在传感FBG与激光测量点的中心线上，如图所示。使用UV胶将施加预紧力后的传感FBG固定在铝板上，在激光测量点处粘贴反光纸以获得更好的测量效果，并在铝板和PZT探头之间涂抹超声耦合剂，以更好地在板内生成弹性波。

管道泄漏应力测量

为验证提出的双FBG+PZT强度解调系统用于管道泄漏信号检测的可行性，设计管道泄漏测量实验。如图所示，实验装置选择一段密封管道，管道包括两个起支撑固定作用的A字型支架，实现密封管道充气加压的充气嘴和用来显示密封管道内部压强的压力计，为实验中的起始压强一致提供保证。另外，在管道中部装有一个阀门，用来控制泄漏的发生以及泄漏量的大小。

购买的FBG传感器没有接头，这同样也方便制作带有增敏结构的传感器。传感器在使用之前需要熔接接头，通过光纤熔接机给传感器接上APC/FC接头，熔接机选择一款自动熔接机，使用方便简单。熔接过程包括使用米勒钳和剥线钳除去光纤的保护层，露出裸露的光纤；然后裸露的光纤被光纤切割刀切出光滑、干净的光纤端面，之后将待熔接的两端放到熔接机的卡槽内固定，扣上盖子，熔接机即可自己实现熔接任务。

还可以透过显示屏观察光纤的熔接过程以及熔接质量。由于裸光纤极脆，特别容易断裂，需要使用保护管将熔接后的光纤覆盖保护。将套有保护套管的光纤放入加热炉里加热，热缩管受热收缩，热熔管受热膨胀，将裸光纤与钢针固定在一起，达到保护目的。

实验用来测量双FBG+PZT解调系统测量管道泄漏过程中的应力变化情况。当充满气的密封管道发生泄漏，管壁受到的压力会变小，使用UV胶将预拉伸的传感FBG粘贴在密封管道的管壁外侧可以感测管壁的压力变化。利用电动充气泵通过充气嘴给管道加压至0.4MPa，然后打开阀门，产生泄漏信号。

打开阀门时，管道内压力下降，预拉伸的传感FBG收缩，反射光谱的中心波长向一边偏移，传感FBG和匹配FBG反射光谱的重叠面积改变，光电探测器的输出电压改变。数据采集卡设置采样率为2MSPS来采集强度解调系统的输出信号，并通过LabVIEW软件进行显示和存储，以进行后续的数据处理。采集到的信号如图中橘色细曲线所示，对信号进行零相位滤波处理，得到图中蓝色粗曲线。

由图可知，曲线记录了10s的信号，泄漏信号发生在1s左右，泄漏发生后短暂的信号突变是受到手动打开阀门时作用力的影响，之后作用力的影响消失。输出电压在9s时间内由4.1V一直上升到4.9V，并且前5s信号上升的速度要比后4s快，这取决于泄漏量的变化。信号很好地反映了压力管道释压的整个过程，从而验证了该系统测量静态应力的性能。

图中可以很好反映压力变化，但不能明显地看出泄漏过程中在管壁传播的弹性波信号，因此将密封管道继续加压至0.4MPa，然后设置光电探测器的滤波器为10Hz-1MHz，之后打开阀门，记录光电探测器的输出信号，并计算其频谱，如图所示。图中记录了3秒的数据，可以看到，当光电探测器设置滤波隔去直流之后，没有明显信号，并不能检测到泄漏信号的发生，因此直接粘贴的FBG传感器不能反映出弹性波信号，需要进行系统改进。

增敏结构设计

悬臂梁可以放大应变，借鉴文献中的弯曲梁结构，设计了如图所示的简单结构，并将传感FBG施加预紧力粘贴在结构的凹槽内，然后固定在管道上。按照设计的结构打印实体，在将传感器安装到管道的过程中，由于悬臂梁结构不好固定，上梁的弯曲量太大，导致光纤断裂，表明该结构设计并不合理，安装不便，且FBG易损坏。

主峰频率影响

观察三个信号的时频图，由于传感器本身的使用限制，加速度计采集到的信号在10kHz以内为可靠信号。由图(b)可知，由管道泄漏产生的弹性波信号在2kHz-10kHz范围内平坦分布，而带有增敏结构的FBG传感器由于其自身特性使得其分别在6.5kHz、5kHz附近感测比较灵敏。

相比加速度计，FBG传感器质量轻，对被测件的影响较小，并且其可组网实现准分布式测量的优势大大降低了系统的成本。通过上述实验可以证明该系统在管道泄漏弹性波信号的实时测量方面具有很好的可行性。

观察两图发现不同结构检测到的泄漏信号主峰频率不同，并且主峰频率与结构的特征频率相近，为了进一步判断传感器采集泄漏信号的主峰频率是受结构影响还是受到光纤预紧力的影响，将两个结构分别又打印了三个，并制成传感器。

在固定FBG的过程中，手动预紧光纤并用胶带固定，所以各个结构的预紧力并不一致。然后用这6个传感器分别来检测管道泄漏信号，采集信号的时频响应如图所示。其中(a)-(c)对应结构尺寸为70mm×30mm×13mm，(d)-(f)对应结构尺寸为28mm×15mm×13mm。

总结

讨论FBG的传感原理并设计了基于双FBG+PZT解调的测量系统，搭建实验装置，进行了连续弹性波、脉冲弹性波、撞击弹性波的测量实验，并与LDV进行比较。

在铝板上布置4个FBG传感器，复制了4套FBG弹性波测量系统，利用撞击生成脉冲弹性波，通过多通道数据实时采集，求采集信号的AIC值，得到各通道的信号起始点，进而确定相应通道间接收到信号的时间差，再利用双曲线算法确定了撞击源的位置。

利用UV胶将FBG传感器直接粘贴在管道外表面，该系统可以检测到气体泄漏发生时管壁应力的变化。制作六边形框架增敏结构，进一步提高FBG传感器对弹性波的灵敏度，实现了对气体泄漏引发的管壁弹性波的检测。