CN102322936B - 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置 - Google Patents

一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102322936B
CN102322936B CN 201110233255 CN201110233255A CN102322936B CN 102322936 B CN102322936 B CN 102322936B CN 201110233255 CN201110233255 CN 201110233255 CN 201110233255 A CN201110233255 A CN 201110233255A CN 102322936 B CN102322936 B CN 102322936B
Authority
CN
China
Prior art keywords
shock
transmission fibers
optical fiber
shock wave
sensitive unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN 201110233255
Other languages
English (en)
Other versions
CN102322936A (zh
Inventor
陈绍武
宇文璀蕾
冯国斌
邵碧波
冯刚
王振宝
刘福华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwest Institute of Nuclear Technology
Original Assignee
Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwest Institute of Nuclear Technology filed Critical Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority to CN 201110233255 priority Critical patent/CN102322936B/zh
Publication of CN102322936A publication Critical patent/CN102322936A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102322936B publication Critical patent/CN102322936B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明公开了一种单路光纤的爆炸冲击波走时参数的测量方法和装置。在冲击波传播通道上布置一根传输光纤，传输光纤上按照一定的间隔布置由多只冲击敏感单元，传输光纤的一端通过一分二光纤耦合器与重频脉冲激光器和光电探测单元连接，另一端裸露，形成端面反射。通过记录冲击波到达传感器时的重频脉冲序列信号的畸变时刻和测量传感器之间的距离，计算得到冲击波在传感器之间的传播平均速度，其中冲击敏感单元为光纤圈传感头或预切割裸光纤传感头等。本发明实现了MPa级及MPa级以上压力的冲击波走时参数测量并具有结构简单，制作方便、成本低等特点，可大大降低了实验费用。

Description

一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置
技术领域
本发明涉及一种爆炸产生的冲击波走时参数测量的方法和装置，尤其是利用光纤传感测量冲击波走时参数的测量方法和装置。
背景技术
冲击波波面的走时特性对于分析炸药和其他爆炸物的威力和效能具有重要的作用。常见的测量冲击波波面走时参数的方法是电学测量方法，但由于抗电磁干扰能力较差，故难以用于强电磁环境下的冲击波走时参数测量。
2006年第26卷的《爆炸与冲击》“石英光纤探针在非金属材料冲击实验中的应用”中公开了一种光纤探针测量冲击波走时参数的装置，主要由石英光纤探针、传输光纤、光电倍增管、高频电缆和示波器组成。石英光纤探针的工作原理是利用熔石英在受到冲击时会产生光辐射的特性，当冲击波到达石英光纤端面时，石英光纤会产生一个强烈的光脉冲信号，该光脉冲信号经光纤传输到光电探测器，转换为电信号再由示波器记录，通过判读就可以知道冲击波到达光纤探针的时刻。该光纤探针中光纤的端面经过光学加工并镀有金属膜，其作用是防止杂光进入光纤，并具有不受电磁干扰、时间测量精度高等优点。但是由于该测量方法利用了熔石英光纤在冲击作用下的自发光原理，而自发光辐射需要在很高的冲击压力下(通常在GPa级)才能实现，故该方法难以用于小威力爆炸实验中对于MPa级压力的冲击波走时参数的测量。此外该方法每只探头对应一根传输光纤，在使用中需要在冲击波传输通道中布置多根传输光纤，并需要多通道的信号记录设备记录信号，给实验带来了不便，并增大了实验成本。
发明内容
本发明目的是提供一种基于单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置，可用于MPa级及以上压力的冲击波走时参数测量，使用中在冲击波传输通道中只需要布置单根光纤，且信号记录只需要采用单通道设备，具有结构简单，成本低等特点。
本发明的技术解决方案是：
一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法，包括以下步骤：
1】在冲击波传播方向，布置一根传输光纤，所述传输光纤迎着冲击波的一端的端面裸露，所述传输光纤的另一端通过光纤耦合器后分别与重频脉冲激光器和光电探测单元相连；所述传输光纤上设置多个冲击敏感单元，所述冲击敏感单元由传输光纤自身构成；所述冲击敏感单元可在冲击波的冲击下产生断裂；
2】向传输光纤中注入功率稳定的重复频率脉冲光；
3】记录传输光纤反射的光信号，获得周期和幅值稳定的脉冲信号；
4】当冲击波到来时，依次记录冲击波到达每个光纤圈时传输光纤反射的光脉冲信号；
5】对记录得到的脉冲信号序列进行畸变时刻甄别，得到冲击波达到每个冲击敏感单元的时刻ti；
6】根据冲击敏感单元的间距计算得到冲击波在不同的冲击敏感单元之间的传播平均速度。
上述的冲击波传播速度的计算公式为：
Figure BDA0000083440480000021
其中
Figure BDA0000083440480000022
为第i只和第k只冲击敏感单元之间的冲击波传播平均速度，m为二者之间的距离，ti和tk分别表示冲击波达到第i只和第k只传感器的时刻，其中：i＞k。
第一种单路光纤的冲击波走时参数测量装置，包括激光源、光电探测单元、传输光纤，其特殊之处是：所述单路传输光纤上按照一定的间隔设置多个可在冲击波冲击下产生断裂的冲击敏感单元；所述冲击敏感单元为传输光纤自身绕制一圈而成的光纤圈，所述光纤圈弯曲的半径大于或等于传输光纤的最小弯曲半径，且光纤圈轴线与冲击波方向垂直；所述传输光纤一端的端面裸露，另一端通过光纤耦合器分别与激光器和光电探测单元相连；所述的激光源为稳定输出的重复频率脉冲激光。
上述传输光纤的外部套有抗冲击保护管；所述冲击敏感单元设置在抗冲击保护管的外部。
上述抗冲击保护管为铝塑管或内部装有海绵的塑料管。
第二种单路光纤的冲击波走时参数测量装置，包括激光源、光电探测单元、传输光纤，其特殊之处是：所述单路传输光纤上按照一定的间隔设置多个可在冲击波冲击下产生断裂的冲击敏感单元；所述冲击敏感单元是设置在传输光纤包层表面的划痕；所述传输光纤一端的端面裸露，另一端通过光纤耦合器分别与激光器和光电探测单元相连，所述的激光源为稳定输出的重复频率脉冲激光。
上述传输光纤的外部套有抗冲击保护管；所述冲击敏感单元设置在抗冲击保护管的外部。
上述抗冲击保护管为铝塑管或内部装有海绵的塑料管。
本发明具有以下的有益效果：
1、本发明实现了MPa级及MPa级以上压力的冲击波走时参数测量，具有广泛的适用性。
2、本发明的使用中在冲击波传输通道中只需要布置单根光纤，且信号记录只需要采用单通道设备，布放简单，成本低。
3、本发明的光纤圈传感器和预切割光纤敏感单元具有结构简单，制作方便、成本低等特点，大大降低了实验费用。
附图说明
图1为本发明冲击波走时参数测量装置的结构原理图；
图2为本发明光纤圈传感头及传输光纤保护用铝塑管的结构示意图；
图3为本发明预切割裸光纤传感头及传输光纤保护用铝塑管的结构示意图；
图4为本发明反射脉冲信号序列示意图；
其中：1-冲击敏感单元；2-传输光纤；3-光纤耦合器；4-激光器；5-光电探测单元；6-光纤圈传感头；7-铝塑管；8-预切割裸光纤传感头；T-重频光源的周期；tb-b点对应的畸变时刻；tc-c点对应的畸变时刻。
具体实施方式
在图1所示的冲击波走时测量装置中，在一只一分二光纤耦合器3的输入端连接了一根传输光纤2，其上按照一定的间隔设置了多只冲击敏感单元1，在光纤耦合器3的两个输出端分别连接了激光器4和光电探测单元5，其中激光器4为重频脉冲激光器。传输光纤2的另一端裸露，形成端面反射。
如图2所示，冲击敏感单元1为光纤圈传感头6，光纤圈由裸光纤弯曲而成，其弯曲的半径大于等于该光纤的最小弯曲半径，其中最小弯曲半径r0是表征光纤最小可弯曲程度的参数，其值取决于光纤的实际材料和工艺，通常情况下光纤在出厂时会给出其最小弯曲半径值参数r0。光纤圈1的制作和固定方法是将裸光纤弯曲一周后在光纤交叉的根部采用胶粘或绑扎，由于光纤本身的弹性，自然形成光纤圈1，并在光纤弯曲交叉的根部采用胶粘或绑扎。当冲击波到达光纤圈1时，由于冲击压力，会造成光纤圈1折断，根据光纤端面反射原理可知，这时从激光器4注入的光经过折断端面后将会产生一个反射信号。为了使得在冲击过程中只是特定位置的传感头处产生反射信号，而传输光纤2的其他部位不产生反射信号，故在传输光纤2外部安装有抗冲击保护部件，作为冲击敏感单元1的光纤圈则裸漏在保护部件的外部，抗冲击保护部件可以为铝塑管7，也可以为其它缓冲保护装置，如内部装有海绵的塑料管等，在冲击过程中只起临时保护的作用，有效光信号传输完毕之后即时损坏也无妨。
如图3所示，冲击敏感单元1为预切割裸光纤传感头8，其工作原理是将该工作点的光纤剥为裸光纤后，采用金刚石光纤切割刀在光纤包层表面轻划出划痕，其目的是在裸光纤的局部产生断裂敏感区，当冲击波到来时，光纤只会在特定位置的敏感区产生断裂，未受冲击前，由于光纤纤芯并未受损，故不会产生附加损耗。同样，为了使得在冲击过程中只是特定位置的传感头产生反射信号，而传输光纤2的其他部位不产生反射信号，故在传输光纤2外部安装有抗冲击保护部件，作为冲击敏感单元1的预切割裸光纤传感头8则裸漏在保护部件的外部，抗冲击保护部件可以为铝塑管7，也可以为其它缓冲保护装置，如内部装有海绵的塑料管等。
在冲击波到来之前，激光器4输出的光信号经过光纤耦合器3、传输光纤2、冲击敏感单元1后，由于端面反射的缘故，在传输光纤2的尾端面产生反射，并经过光纤圈1、传输光纤2和光纤耦合器3后耦合进光电探测器单元5，并由信号记录设备记录。由于光源为稳定输出的重复频率脉冲光源，则信号记录设备上会记录一系列周期和幅值稳定的脉冲信号，如图4中tb时刻之前的脉冲信号。在光电探测器单元和信号记录设备时间响应特性均满足要求的情况下，其脉冲周期决定于光源的重频，而脉冲幅值与光纤端面的齐整度相关，光纤端面越平整，则吸收越少，反射回的信号越强。
在图1所示的测量装置原理示意图中，当冲击波由光纤尾端a传播到达b点后，b处的光纤会断裂并对注入的激光产生新的端面反射，注入激光信号不再能传输到a点，而是只传播到b点后即返回，导致光在光纤中传播的路径发生变化，破坏了原有的稳定周期的脉冲序列，在tb时刻会出现脉冲序列畸变。畸变的情况包含3种：第一，脉冲的间隔不同前面的周期T，这是由于冲击到达b处即光纤断裂的时刻正好位于两个脉冲之间，导致光纤传输的路径不同，故改变了原有的时间间隔；第二，脉冲的脉宽小于原有的脉宽，这是由于冲击到达b处即光纤断裂的时刻正好在一个脉冲上，故只有该脉冲的部分光返回，导致出现脉宽变窄；第三，脉冲的幅值发生变化，这时由于光纤断裂的随机性，导致其断裂端面平整度不一，故反射回的信号的幅值也有所区别。对于tb时刻后面的系列脉冲，由于传输期间冲击波正好在运行在b点和c点之间，没有发生光传播路径突变，故其脉冲周期与前面的脉冲周期相同，均等于重频光源的周期T。当冲击波传播到c点时，同样会产生脉冲序列畸变，并由信号记录设备记录得到了图1中c点对应的畸变时刻te，结合b点和c点之间的距离，即可以得到冲击波在第i只传感器和第i+1只传感器位置之间m长距离中的平均速度
Figure BDA0000083440480000051
进而可以得到冲击波在特定的传播区间和传播时间内的走时参数。
采用本测量方法在使用中在冲击波传输通道中只需要布置单根光纤，且信号记录只需要采用单通道设备，在信号处理中只需要对脉冲序列的畸变时刻进行处理，即可得到冲击波走时特性，具有结构简单，成本低等特点，并可用于MPa级及以上压力的冲击波走时参数测量。
本发明不局限于上述具体实施方式，比如同样可在冲击作用下产生断裂的其他光纤冲击敏感单元结构，对传输光纤2进行缓冲保护的其他保护部件等。以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】在冲击波传播方向，布置一根传输光纤，所述传输光纤迎着冲击波的一端的端面裸露，所述传输光纤的另一端通过光纤耦合器后分别与重频脉冲激光器和光电探测单元相连；所述传输光纤上设置多个冲击敏感单元，所述冲击敏感单元为传输光纤自身绕制一圈而成的光纤圈；所述冲击敏感单元可在冲击波的冲击下产生断裂；
2】向传输光纤中注入功率稳定的重复频率脉冲光；
3】记录传输光纤反射的光信号，获得周期和幅值稳定的脉冲信号；
4】当冲击波到来时，依次记录冲击波到达每个光纤圈时传输光纤反射的光脉冲信号；
5】对记录得到的脉冲信号序列进行畸变时刻甄别，得到冲击波达到每个冲击敏感单元的时刻ti；
6】根据冲击敏感单元的间距计算得到冲击波在不同的冲击敏感单元之间的传播平均速度。
2.根据权利要求1所述的单路光纤的冲击波走时参数测量方法，其特征在于：所述的冲击波传播速度的计算公式为：
Figure FDA0000258121891
，其中
Figure FDA0000258121892
为第i只和第k只冲击敏感单元之间的冲击波传播平均速度，m为二者之间的距离，ti和tk分别表示冲击波达到第i只和第k只传感器的时刻，其中：i＞k。
3.一种单路光纤的冲击波走时参数测量装置，包括激光源、光电探测单元、传输光纤，其特征在于：所述单路传输光纤上按照一定的间隔设置多个可在冲击波冲击下产生断裂的冲击敏感单元；所述冲击敏感单元为传输光纤自身绕制一圈而成的光纤圈，所述光纤圈弯曲的半径大于或等于传输光纤的最小弯曲半径，且光纤圈所在平面与冲击波方向平行；所述传输光纤一端的端面裸露，另一端通过光纤耦合器分别与激光器和光电探测单元相连；所述的激光源为稳定输出的重复频率脉冲激光。
4.根据权利要求3所述的单路光纤的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：所述传输光纤的外部套有抗冲击保护管；所述冲击敏感单元设置在抗冲击保护管的外部。
5.根据权利要求3或4所述的单路光纤的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：所述抗冲击保护管为铝塑管或内部装有海绵的塑料管。
6.一种单路光纤的冲击波走时参数测量装置，包括激光源、光电探测单元、传输光纤，其特征在于：所述单路传输光纤上按照一定的间隔设置多个可在冲击波冲击下产生断裂的冲击敏感单元；所述冲击敏感单元是设置在传输光纤包层表面的划痕；所述传输光纤一端的端面裸露，另一端通过光纤耦合器分别与激光器和光电探测单元相连，所述的激光源为稳定输出的重复频率脉冲激光。
7.根据权利要求6所述的单路光纤的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：所述传输光纤的外部套有抗冲击保护管；所述冲击敏感单元设置在抗冲击保护管的外部。
8.根据权利要求6或7所述的单路光纤的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：所述抗冲击保护管为铝塑管或内部装有海绵的塑料管。
CN 201110233255 2011-08-15 2011-08-15 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置 Expired - Fee Related CN102322936B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110233255 CN102322936B (zh) 2011-08-15 2011-08-15 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110233255 CN102322936B (zh) 2011-08-15 2011-08-15 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102322936A CN102322936A (zh) 2012-01-18
CN102322936B true CN102322936B (zh) 2013-04-17

Family

ID=45450729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201110233255 Expired - Fee Related CN102322936B (zh) 2011-08-15 2011-08-15 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102322936B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109253918B (zh) * 2018-10-31 2020-01-14 西南交通大学 用于冲击试验的冲击波时间标定装置及时间标定方法
CN110530565B (zh) * 2019-09-23 2021-04-13 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种基于光纤探针的多路时间测量装置和方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4991150A (en) * 1989-08-10 1991-02-05 Wixom Michael R Electroluminescent optical fiber shock sensor
US5202558A (en) * 1992-03-04 1993-04-13 Barker Lynn M Flexible fiber optic probe for high-pressure shock experiments
US5387791A (en) * 1993-06-29 1995-02-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Impurity-doped optical shock, detonation and damage location sensor
US5446278A (en) * 1993-12-23 1995-08-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fiber optic sensor employing successively destroyed coupled points or reflectors for detecting shock wave speed and damage location

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4991150A (en) * 1989-08-10 1991-02-05 Wixom Michael R Electroluminescent optical fiber shock sensor
US5202558A (en) * 1992-03-04 1993-04-13 Barker Lynn M Flexible fiber optic probe for high-pressure shock experiments
US5387791A (en) * 1993-06-29 1995-02-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Impurity-doped optical shock, detonation and damage location sensor
US5446278A (en) * 1993-12-23 1995-08-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fiber optic sensor employing successively destroyed coupled points or reflectors for detecting shock wave speed and damage location

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Staudenraus等.Fibre-optic probe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water.《Ultrasonics》.1993,第31卷(第4期),全文. *
张平.光纤探针探测水下激光爆炸.《中国激光》.2005,第32卷(第8期),全文. *
李春花等.光纤探针技术在冲击波参量测量中的应用.《光电探测》.2007,第44卷(第11期),全文. *
王荣波等.无源光纤探针在爆轰实验中的应用.《光电工程》.2008,第35卷(第11期),全文. *
高德平.光纤传感器及其在常规兵器试验中的应用.《飞行器测控学报》.2001,第20卷(第3期),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102322936A (zh) 2012-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021036580A1 (zh) 基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器
CN104808208B (zh) 一种基于激光声源探测水下目标方位及尺寸的测量系统及其测量方法
CN108415067B (zh) 一种基于微结构光纤分布式声波传感的地震波测量系统
CN105509868A (zh) 相位敏感光时域反射光纤分布式传感系统相位计算方法
CN101555990A (zh) 长距离管线安全监测系统
CN104019836A (zh) 基于相干双脉冲对序列技术布里渊光时域分析仪及利用该分析仪抑制共模噪声的方法
CN103983309B (zh) 一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头
US11111780B2 (en) Distributed acoustic sensing system with phase modulator for mitigating faded channels
CN104158587A (zh) 基于周期开关键控混沌信号的光时域反射方法
CN102853936A (zh) 远程分布式光纤拉曼温度传感器
CN102322936B (zh) 一种单路光纤的冲击波走时参数测量方法和装置
CN206696429U (zh) 一体化光纤式伪随机码幅度调制误差校正装置
CN102564481A (zh) 提高分布式光纤布里渊传感器信噪比的方法和装置
CN105277967A (zh) 一种水槽物理模型超声波自动检测系统及方法
CN104344881A (zh) 基于potdr的新型分布式光纤振动传感系统
CN202770555U (zh) 远程分布式光纤拉曼温度传感器和环形区域测温装置
CN104236698A (zh) 一种分布式光纤振动传感系统
CN104457808A (zh) 一种实现φ-OTDR系统长距离监测的方法及系统
CN102562158A (zh) 一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统
CN116291384A (zh) 分布式光纤声波测井方法及系统
CN203929122U (zh) 一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头
CN201963358U (zh) 一种本质安全的分布式全光纤井下监测设备
CN212320747U (zh) 一种线性调频的分布式光纤传感装置
CN102322937A (zh) 一种冲击波走时参数测量方法和装置
CN101555989A (zh) 基于分布式光纤的安全监测系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130417

Termination date: 20170815