Study on corrosion acoustic emission sensor based on orthogonally polarized dual-frequency DBR laser

声发射腐蚀检测技术是通过检测金属等材料在腐蚀过程时形变的弹性波产生的声波信号来监测材料或结构的腐蚀情况。传统的工业现场金属腐蚀监测的方法有表观检测法、腐蚀挂片法、电化学法等，主要监测的是结构材料腐蚀失效行为发生以后的状态结果和表征现象，很难定量地分析腐蚀失效行为，存在很大的局限性，无法实现长期在线监测。声发射腐蚀检测技术是近些年兴起的腐蚀检测技术，通过接收材料和结构在腐蚀过程中弹性波释放产生的声发射信号进行检测。随着分布式布喇格反射(distributed Bragg reflection，DBR)光纤激光器技术的不断发展，因其具有更好的信噪比、窄带宽等优点, 可以获得更高灵敏度的传感测量，所以不止可以作为一种激光光源，还可以作为传感器，应用到许多领域的检测中^[1-2]。GUAN^[3-6]等人成功研制了一种铒镜共掺偏振正交双频的短腔DBR光纤激光器，利用这种新型的光纤激光传感器能够检测到水中的声发射信号，能够检测到的超声声频范围为1MHz~40MHz。LIU^[7]等人利用双偏振DBR光纤激光器实现了高灵敏度弯曲传感测量。在前期的研究中发现，金属合金材料的应力腐蚀破裂、点蚀、析氢腐蚀、裂纹扩展、磨损腐蚀等各种类型腐蚀均能产生或强或弱的声发射信号，信号的频率一般在10kHz~2MHz之间。所以，若要用DBR光纤激光器作为监测材料腐蚀的声发射传感器，需要考虑提高DBR光纤激光传感器的灵敏度和优化设计传感装置中的换能结构。本文中将对DBR激光器如何用于金属腐蚀的检测进行研究。

作者阐述了偏振正交双频DBR传感器腐蚀声发射检测，利用DBR拍频的变化来表征腐蚀声信号的特征。这种方法相比于光纤干涉仪型声检测系统来说，系统检测更稳定，并且简化了信号的提取过程，避免了绝对波长编码方式的昂贵解调设备，具有解调成本低廉和带宽高的优点。

单纵模DBR光纤激光器的每个纵模由两个正交偏振态简并组成，当激光器的腔内产生双折射效应时，两个偏振态产生退简并，导致激光输出的单纵模中两个偏振模式频率分裂，在频域内产生偏振拍频信号^[8-11]。基于正交双频光纤激光器拍频信号的调制是以DBR光纤激光器作为传感元件，将外界物理参量的变化转换为DBR光纤激光器输出拍频信号的频率变化，通过感测拍频信号的频率变化来间接反映外界参量的变化过程。

DBR光纤激光声发射传感器拍频与双折射的关系式如下^[12]：

式中, DBR光纤激光器的平均折射率为n₀，Bragg光纤光栅波长是λ，光纤的双折射用B来表示, 拍频用Δν来表示，光在光纤中沿两个偏正方向x轴和y轴传播的折射率分别用n_x和n_y表示，Λ为光栅周期，c为光纤中的光速。

根据腐蚀声发射的频率特性，DBR光纤激光器的检测频带范围为0MHz~1MHz，稳定激光输出波长为1550nm，在结构上能实现光场与声场的换能转变，选用掺铒有源光纤制作，有效腔长1cm，其中铒元素所占的质量分数为0.0004，实验中采用的DBR光纤激光器如图 1所示。

Figure 1.  DBR fiber laser

实验中所采用的材料是Q235碳钢。Q235碳钢中除了含有铁元素外，还含有碳、硅、磷等元素，而这些元素的电极电位是不相同的，当Q235和呈酸性的电解质溶液发生反应时，就会进行析氢电化学过程。随着腐蚀地进一步加剧，Q235钢板上接触到腐蚀液的地方因为析氢的过程加剧而产生许多小孔。而产生的氢气会在这种小孔中逐渐扎推，并和铁板孔中的物质进行结合，也称为凝结核^[11]。当气体不断在小孔中聚集，就会引发铁板的小孔处的破裂，破裂瞬间会对铁板有一个应力脉冲的冲击(冲击力大小用F表示)，这个脉冲冲击就是一个声发射信号。

Q235碳钢片腐蚀引起的碳钢片自由振动引起的DBR拍频Δν的变化量δ(Δν)的关系式如下^[13]：

式中，n₀是光纤的平均折射率，p₁和p₂是弹光系数，ν表示泊松比，θ表示受力方向与主光轴的夹角，$\frac{F}{l} $表示光纤受压的线密度，F是DBR谐振腔所受的压力大小，l是DBR谐振腔的有效长度, r表示裸光纤的半径，E表示光纤的材料杨氏模量。

当DBR谐振腔在声场作用下发生应变ε，光纤折射率与应变ε的关系式如下：

式中, n_ε表示声场作用下谐振腔产生应变ε光纤的折射率，n为无声场作用下光纤的折射率，Δν_ε表示DBR谐振腔在声场作用下谐振腔产生应变ε后新的拍频，Δν₀表示没有声场作用下的拍频，l表示DBR谐振腔的有效长度。

DBR光纤激光传感器的腐蚀声发射检测系统的光路模块如下：抽运光源输出的980nm抽运光，经过波分复用器(wavelength division multiplexing，WDM)，从DBR光纤激光传感器的低反射端射入，经DBR光纤激光传感器的谐振腔产生1550nm激光从WDM的另一端输出，经由掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)放大一定倍数后，再经过衰减器后由光电探测器(photodetector，PD)将光信号转换成电信号。

如图 2所示，DBR光纤激光传感器的谐振腔放置于一块薄铁片下，铁皮的边缘固定在能减缓外界噪声干扰的海绵实验桌上，并用信号发生器经由的压电型声传感器提供声波信号作为外界的扰动信号，压电型声传感器用超声耦合剂贴合在铁皮边缘处。

Figure 2.  Experimental device for simulating acoustic field detection

腐蚀溶液由三氯化铁固体和蒸馏水配比成质量分数为0.1的三氯化铁溶液与浓盐酸和蒸馏水配比成0.01mol/L的稀盐酸混合而成。Q235碳钢片用600号的磨砂纸进行反复打磨，再用酒精进行表面的清洁，放置在通风处晾干备用。石英玻璃器皿6个面分别都贴附消音材料，防止外界杂音的干扰。为了实验更接近理论分析的力学结构，将Q235碳钢接触DBR光纤激光传感器的一面涂上环氧树脂，只让另一面进行腐蚀。实验前期，在DBR光纤激光传感器浸入电解溶液的部分涂抹防腐蚀的树脂，形成一层防腐蚀保护膜。电解装置中的3个电极分别是^[15]：甘汞参比电极、铂片辅助电极、铂片工作电极。将工作电极与Q235碳钢片试件连接，与铂片辅助电极、饱和的甘汞电极组成了电解装置的三电极体系。

腐蚀装置图如图 3所示。DBR光纤激光传感器的腐蚀声发射检测系统的整体装置图如图 4所示。

Figure 3.  Experimental device of corrosion

Figure 4.  Experimental system of corrosion acoustic emission

由于DBR声发射传感器对外界的声信号的干扰极为敏感，即使实验中在腐蚀装置上采取了减小外界噪声干扰的措施，但仍然可能存在声信号在腐蚀的石英器皿中产生的声波在器皿壁上的来回反射。为了去除掉这些噪声，采用基于小波变换的腐蚀声信号调制的拍频信号的重构，以达到去噪的作用。

选取不同的小波系数来处理信号，通过对比，找出最适合的小波系数。针对实验中拍频值较高、变化较快、对高频的细分要求更高，所以选用“db8”小波函数^[16]。

以在500kHz激励信号模拟声场作用下采集的拍频信号为例，选用“db8”小波函数4层分解去噪后的拍频信号时域图如图 5所示。

Figure 5.  Beat frequency signal by wavelet domain de-noising

如图 6所示，利用“db8”小波函数进行6层信号分解，采用MATLAB自带的基于ddencmp阈值选取函数，效果十分明显。

Figure 6.  6-level wavelet decomposition by "db8" threshold de-noising

利用上述小波阈值去噪处理Q235腐蚀过程的拍频信号，经过希尔伯特变换后，求相位角，然后求瞬时拍频值^[17]。

腐蚀的3个阶段，其声发射信号由弱到强再到弱，这个过程中，碳钢片的振动位移也会随之做相同的变化，并作用在DBR光纤激光传感器上。如图 7a所示。无激励下的拍频信号的拍频偏移量的均值为0，因为腐蚀中期声发射信号强，初期腐蚀声发射信号弱，导致碳钢片的振动位移在其腐蚀中期要强于其腐蚀初期，从而对DBR光纤激光传感器的压力在其腐蚀中期也要强于其腐蚀初期，故腐蚀初期的拍频偏移量小于腐蚀中期的拍频偏移量。同样，腐蚀后期的腐蚀声发射信号也弱于腐蚀中期的声发射信号，所以腐蚀后期的拍频偏移量小于腐蚀中期的拍频偏移量，如图 7b所示。

Figure 7.  Time-domain chart of beat frequency signal in corrosion

针对模拟声场环境中的拍频信号进行去噪问题，利用对比分析选择最优的小波基函数，通过离散小波重构拍频信号来达到去噪效果。实验结果表明，该方法不仅去噪效果明显，还能直观反映出外界激励声信号的频率。针对Q235碳钢腐蚀声发射信号检测，利用希尔伯特变换对拍频信号进行正交解析，通过求解拍频信号的瞬时频率来获得拍频信号的时频变化，大量实验数据表明，拍频均值这个特征量能够表征碳钢的腐蚀阶段。