[发明专利]单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用

说明书

本发明公开一种单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用，主要包括：使用保偏光纤光栅作为超声导波的传感元件，激光器输出窄带激光经光纤环形器到达保偏光纤光栅，再经保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号；其中，超声导波的传播方向与保偏光纤光栅的光纤轴垂直。本发明的单模式超声导波信号的获取方法中利用保偏光纤光栅对不同方向应力的不同响应特性，在实现对一种超声导波（GWs）模式正常检测的情况下，抑制对另一模式的响应，进而达到单模式超声导波响应的目的。

技术领域

本发明涉及超声导波领域，特别涉及一种单模式超声导波信号的获取方法、获取系统和应用。

背景技术

超声波因对不透明介质的深层穿透能力已成为一种优良的无损检测工具，被广泛应用于结构健康监测和海底探潜等领域。超声导波(Ultrasonic Guided Waves，GWs，)是一种在板材中特有的超声应力波；这种波具有传播距离长，沿传播路径衰减小，检测范围广等优势，目前是国内外无损检测研究的重点。然而，GWs传播特性十分复杂，其频散特性和模态混叠导致接收信号难以分辨，给后期信号分析带来很大的难度，因此GWs虽然在结构健康无损检测领域显示出巨大的潜力，但在实际应用上仍有很大的局限。

到目前为止，相关研究仍集中在如何激发单模式GWs上。

传统的方法是使用楔形换能器通过调整激发信号中心频率、波形以及楔形换能器的入射角度等方法进行模式挑选，以实现单模式超声导波的激发，但这种方法的实现依赖于特定的频率，模式及宿主材料特性，因此使用起来受到一定的限制。

目前国内外大量使用压电换能器(Piezoelectric Transducer,PZT)激发GWs。在基于单个PZT元件的方法中，可采用优化布置压电元件和频率调整技术产生单模式GWs。但是优化布置压电元件法不能从根本上避免多模式的混叠，特别在小尺寸结构时不适用；而频率调整技术不适合在宽带条件下选择换能器。当把PZT分别对称地放于板材的上下也可实现单模态的GWs激发，但这种方法需要两个PZT性能和结构的耦合位置有较高的一致性,即对测试系统的硬件要求很高。更为复杂的是建立PZT阵列，采用多通道时间延迟系统，每通道输出的能量、时延及放大倍数受软件控制,这种方法需要大量的计算作为支撑。采用表面剪切应力法也可基于多个压电元件实现模式控制，但这种方法对温度敏感、方向性强并且测试装置尺寸较大。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器以其响应频带宽，体积小，不受电磁干扰，耐高温，信号可在光纤内稳定传输，良好的复用性以及波长调制等优势，已成为新型超声波无损检测的研究热点。国内外课题组已在前期基于FBG超声感知可行性研究的基础上，朝着提高灵敏度、降低噪声、响应方向性及全光纤系统等研究方向做深入的探索。然而基于光纤光栅对于GWs的检测工作中，不可避免地存在因模式混叠使信号难以分辨的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种单模式超声导波信号的获取方法和获取系统，可以解决上述现有技术问题中的一种或几种。

根据本发明的一个方面，提供了一种单模式超声导波信号的获取方法，主要包括：使用保偏光纤光栅作为超声导波的传感元件，激光器输出窄带激光经光纤环形器到达保偏光纤光栅，再经保偏光纤光栅反射进入光纤环形器后进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号，最后由信号显示装置显示输出信号。

本发明的单模式超声导波信号的获取方法中利用保偏光纤光栅(PolarizationMaintaining Fiber Bragg Grating,PM-FBG)对不同方向应力的不同响应特性，在实现对一种超声导波(GWs)模式正常检测的情况下，抑制对另一模式的响应，进而达到单模式超声导波响应的目的。

在一些实施方式中，本发明的超声导波的传播方向与保偏光纤光栅的光纤轴垂直。以使PM-FBG响应信号中只包含对称模式信号，而不包含反对称模式信号。