CN102353494A - 一种基于光学传感的冲量测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光学传感的冲量测试方法和装置，沿被测冲量方向布置一只导轨，导轨上设置一只可沿冲量方向运动的质量块，质量块的侧面固定有直线光栅，导轨上布置测量装置测量直线光栅的反射光强-时间曲线，从而计算得到冲量参数。本发明采用光学传感测量脉冲冲量参数，提高了测试系统的抗电磁干扰的能力，同时利用光纤的低损耗特性实现了测量信号的远距离传输，确保了光源、光电转换器等器件的安全，可应用于爆炸和辐射场等特殊场合的应用，并可根据被测对象调整质量块的重量、直线光栅的长度、栅距等参数，改变测试量程、分辨率等，适应了不同场合、不同参数的测量要求；本发明测试探头体积小、结构紧凑，便于安装拆卸。

Description

一种基于光学传感的冲量测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种冲量测试方法，尤其涉及一种基于光学传感的脉冲冲击载荷的测量方法和装置。

背景技术

冲量是衡量冲击载荷对容器等壳体结构力学效应的参数之一。传统的测试方法是测试冲击载荷的压力值，然后将压力值进行时间积分得到冲量。由于脉冲式冲击载荷具有时间短(ns～ms量级)、压力峰值高(MPa～GPa量级)的特点，受到压力传感器频率响应和精度的限制，准确测试压力值的时间历程曲线是非常困难的，传统的冲量测试方法受到了限制。

当前对于脉冲式冲击载荷的冲量测试主要有以下两种的方法：

(1)冲击摆法。

冲击摆是测量爆炸荷载下瞬态冲量的一种有效装置。该装置将所受到的冲量，转化为重力势能，摆动幅度可以直观地描述待测冲量的大小。由于对测量仪器频率响应和实验环境抗干扰能力要求较低，并且无需进行现场标定，所以冲击摆在冲量测量领域有着广泛的应用。

但冲击摆方法存在的问题是常用的冲击摆为典型的复摆模型，体积较大，设计、加工和数据处理复杂。另外，摆的质心难以准确测定，这对冲量测定的精度影响较大，特别是测量爆炸试验中的冲量时，遇到较大的困难。

(2)导轨法

该方法直接测试质量块(即受冲击物体)的运动速度，进而计算冲量。与冲击摆相比，该方法具有体积小的优点，但同时必须匹配相应的测速系统。常见的测速系统一般采用传统的电测技术实现，而脉冲式冲击载荷，比如化爆、X射线辐射源等，通常伴随有较强的电磁干扰，该电磁干扰容易耦合进入测试电路，从而影响测试信号的精度和可信度，甚至导致测试电路不能正常工作。

发明内容

本发明提供了一种基于光学传感的冲量测量方法和装置，将其应用到导轨冲量测量方法中，具有抗电磁干扰能力强、测试量程大、体积小、性能稳定等优点。

本发明的技术解决方案为：

一种基于光学传感的冲量测试方法，包括以下步骤：

1】沿被测冲量方向布置一只导轨，所述导轨上设置一只可沿冲量方向运动的质量块，所述质量块的侧面或顶面固定有直线光栅；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；

2】质量块在冲量作用下，沿导轨运动；

3】测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数。

上述测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数的方法为：

1】取反射光强-时间曲线的正负峰值和中间点值为特征点，得出各个特征点对应的时间，根据各个特征点之间对应的距离，计算出冲击过程中各个时间段内质量块的速度；

2】根据速度-时间曲线，判读质量块受冲击后的平稳速度；

3】在激光等辐射源作用的情况下，测试实验前后质量块的质量，或者在化爆等实验中，测试实验前质量块的质量，再根据平稳速度，计算出该冲击源作用在质量块上的冲量值，再根据质量块作用面的面积，进一步计算出单位面积上质量块受到的冲量值。

一种基于光学传感的冲量测试装置，包括导轨和质量块，其特殊之处是，还包括固定在质量块侧面安装的直线光栅和固定在导轨上的直线光栅反射光强-时间测量装置；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；所述直线光栅反射光强-时间测量装置包括光源、光纤探头、光电转换器、信号放大单元和信号记录单元；所述光纤探头用于将光源产生的光束垂直射向直线光栅并将直线光栅反射的光信号传送至光电转换器，所述光电转换器用于将反射的光信号转换成电信号输出，所述信号放大单元用于放大光电转换器输出的电信号，所述信号记录单元用于记录信号放大单元输出的电信号。

上述的光纤探头由单根输出光纤和多根接收光纤组成，其中输出光纤连接光源，多根接收光纤集为一束后连接光电转换器。

上述的光纤探头由光纤环行器和分别连接在光纤环行器的输出光纤、接收光纤、探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

上述的光纤探头由一进二出的光纤耦合器和分别连接在光纤耦合器出口的输出光纤、接收光纤和连接在光纤耦合器进口的探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤的另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

上述光纤探头设置有用于输出光束整形的透镜组件。

上述的透镜组件为“L型”结构。

上述的直线光栅反射光强-时间测量装置还包括设置在光源和光纤探头之间的光衰减器。

上述光源为LD或LED；所述光纤的芯径为62.5um多模光纤；所述光源波长为850nm；所述光纤探头与光栅平面的垂直距离为0.5～1.5mm；所述光栅的栅距为100μm。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明采用光学传感测量脉冲冲量参数，提高了测试系统的抗电磁干扰的能力，同时利用光纤的低损耗特性实现了测量信号的远距离传输，确保了光源、光电转换器等器件的安全，可应用于爆炸和辐射场等特殊场合的应用。

2、本发明在光纤探头输出端设置透镜组件，对光纤的输出光束进行整形，使其光束尺度与光栅周期匹配，进一步提高了测量精度。

3、本发明在光源输出端设置有光衰减器，对光源的输出光强进行衰减，使光电转换器工作在器件的动态范围内，满足了测量的要求。

4、本发明可根据被测对象调整质量块的重量、直线光栅的长度、栅距等参数，改变测试量程、分辨率等，适应了不同场合、不同参数的测量要求。

5、本发明测试探头体积小、结构紧凑，便于安装拆卸。

附图说明

图1是本发明测量装置原理示意图；

图2是本发明在冲量测量试验中实测光电转换器输出电压随时间变化图；

其中：1-质量块；2-直线光栅；3-导轨；4-透镜组件；5-光纤探头；5-1-探测光纤；5-2-输出光纤；5-3-接收光纤；6-光电转换器；7-光源；8-信号放大单元；9-信号记录单元。

具体实施方式

如图1所示，本发明所采用的技术方案是将直线光栅2水平安装在质量块1上，并使得光栅不影响质量块1在导轨3中沿着导轨3方向自由运动。在导轨3上安装光纤探头5，使得光纤探头5发出的光线垂直于直线光栅2，使得经过光栅反射后的光线可以进入光纤探头5。通过测量质量块1在冲量作用下沿导轨3运动的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数。

直线光栅2提供在导轨3方向上的位移分辨信息。光栅由不同光反射率的材料重复间隔组成，将高反射率材料组成的部分称为明纹，低反射率的材料称为暗纹。明暗纹对测试波段光的反射率相差越大，则得到信号的幅值越大，越容易对所得信号进行处理。通常情况下明纹部分可以采用金属材料，暗纹部分可以采用玻璃等非金属材料，可取明纹长度和暗纹的长度相等，且将一组明暗纹的长度称为该光栅的栅距。根据测速的精细程度可以采用不同栅距的光栅，一般如采用通信的62.5μm多模光纤做光纤探头5，则栅距最小可以取100μm左右。将光纤探头5出射光在光栅平面上形成的光斑直径称作探头的出射直径，当光栅的栅距小于探头出射直径时，所得信号的幅值有所下降，而且当栅距更小时，光的衍射情况较为明显，对测试不利。对于数值孔径参数一定的光纤而言，光纤探头5的出射直径与光纤探头5和直线光栅2的距离相关，为了方便安装，可通过在光纤探头5的输出端安装透镜组件4来改变出射直径。对于光纤探头，一般采用发散型的光纤准直器，当测试空间有限时，可以采用透镜组件的L型光纤探头，L型光纤探头结构实质上是在光纤准直器的基础上，在拐角处添加了一片45°角的平面反射镜，达到改变光路的效果。如图1所示，透镜组件4可采用“L型”结构，通过改变探测光纤的布置方向，使得探头的结构更加紧凑。

光纤探头5接收到直线光栅2的反射光，经过光纤传输至光电转换器6，再经过信号放大单元8处理后采用信号记录单元9对信号进行记录。一般对速度精细化要求不高的情况下，可以采用电脉冲个数计数的方法计算质量块1的位移，一个电脉冲周期对应一个栅距。由于测量的冲量是单方向性，故通过统计电脉冲数即可得到位移参数，而无需考虑测量系统的换向问题。对应此种情况，在满足光接收功率的前提下，也可以采用单模光纤作为光出射光纤，并使得探头出射直径小于栅距；对于测速的动态性能要求较高的情况下，则需要在光源7输出端和光纤探头5之间设置光衰减器，对输出光强进行衰减，使得光电转换器6工作在线性区，同时保证光探头出射光斑直径的大小在光栅栅距的一倍和二倍之间，则信号采集仪得到的为类正弦信号，信号周期则对应光栅运动一个栅格的周期，从而得出光栅的反射光强-时间曲线，完成测速，进而计算冲量。

在图1中，冲量测试装置包括导轨3和质量块1，在质量块1侧面安装有直线光栅2，在导轨3上固定有直线光栅2反射光强-时间测量装置，直线光栅2反射光强-时间测量装置包括光纤探头5、光源7、光电转换器6、信号放大单元8和信号记录单元9；光源7输出光经过光纤探头5传输至直线光栅2，经过直线光栅2反射后再经光纤探头5传至光电转换器6，经信号放大单元8处理后由信号记录单元9记录输出电信号。光纤探头5由光纤环行器和分别连接在光纤环行器的输出光纤5-2、接收光纤5-3、探测光纤5-1组成，光源7发出的光经过输出光纤5-2耦合进光纤环行器，并由探测光纤5-1输出至直线光栅2，经直线光栅2发射后进入光纤环行器，再经接收光纤5-3耦合进光电转换器6。光源7可选用LD或LED，由于作用距离短(km以内)，信息量少，LD和LED光源均可。其工作波长一般选择850nm、1310nm或者1550nm。

除了上述光纤环行器结构外，光纤探头5还可以采用其他如定向耦合器结构和多路光纤结构。在定向耦合器结构中，光纤探头5由一进二出的光纤耦合器和分别连接在光纤耦合器出口的输出光纤5-2、接收光纤5-3和连接在光纤耦合器进口的探测光纤5-1组成，其中输出光纤5-2的另一端连接光源7，接收光纤5-3的另一端连接光电转换器6，探测光纤5-1的另一端输出光至直线光栅2并接收直线光栅2的反射光。这样光源7发出的光经过输出光纤5-2耦合进光纤耦合器内，并由探测光纤5-1输出至直线光栅2，经直线光栅2发射后进入光纤耦合器内，再经接收光纤5-3进光电转换器6。光纤耦合器可采用光纤通信常用的熔融拉锥型耦合器，也可以采用波导型耦合器；在多路光纤结构中，光纤探头5由单根输出光纤5-2和多根接收光纤5-3组成，其中输出光纤5-2连接光源7，多根接收光纤5-3集为一束后耦合进光电转换器6。通常采用6根接收光纤5-3和1根输出光纤5-2、且接收光纤5-3环绕输出光纤5-2均匀布放的方式。

在光电转换器6及后续放大电路工作频率有限的情况下，可以根据被测冲量的大小改变质量块1的长度、材料、结构(比如空心结构)，使得冲量测试系统的精度得到提高。光电放大电路可以利用一些高速光电转换芯片来完成。例如opa657芯片，该芯片同时具有高带宽和低噪声的优点，其中带宽达到1.6GHz，适合于制作宽带宽的光电转换器6。

下面给出具体实施例：在某次化爆实验中，化爆当量为40gTNT，测试比距离为0.53m·kg^-1/3的半密封腔体内，选择25mm长的不锈钢作为质量块1，850nm波长的光源7。光纤探头5由一根出射光纤周围均匀布置6根接收光纤5-3组成，光纤纤径为62.5um，光栅的栅距为100μm，光纤探头5与光栅平面的垂直距离约1mm，包括质量块1、光栅、导轨3和光纤探头5的冲量测试探头样机体积小于Φ30mm×80mm，便于安装拆卸。实验得到信号波形如图2所示，经过峰值识别计算，得到比冲量为2536Pa·s·kg^-1/3。

根据反射光强-时间曲线计算冲量参数的步骤：

1、在脉冲冲击载荷情况下，一般只要精确求出最终冲量值即可，则可以采用特征点的方法进行计算。特征点包括曲线的正负峰值和中间点值，得出各个特征点对应的时间，又已知各个特征值之间对应的距离为光栅栅格长的整数倍数，可以计算出冲击过程中各个时间段内质量块的速度。

2、在脉冲冲击载荷情况下，其理想速度曲线具有快速上升然后平稳的特征，对应所得的速度-时间曲线，容易判读出质量块受冲击后的平稳速度。

3、得知平稳速度后，根据质量守恒定律(在激光等辐射源作用的情况下，需要分别测试实验前后质量块的质量；在化爆等实验中，只需要测试实验前质量块的质量)，很容易就能计算出该冲击源作用在质量块上的冲量值，再根据质量块作用面的面积，可以进一步计算出单位面积上质量块受到的冲量值。

Claims (10)

1.一种基于光学传感的冲量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】沿被测冲量方向布置一只导轨，所述导轨上设置一只可沿冲量方向运动的质量块，所述质量块的侧面或顶面固定有直线光栅；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；

2】质量块在冲量作用下，沿导轨运动；

3】测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数。

2.根据权利要求1所述的基于光学传感的冲量测试方法，其特征在于，所述测量直线光栅的反射光强-时间曲线，计算得到冲量参数的方法为：

1】取反射光强-时间曲线的正负峰值和中间点值为特征点，得出各个特征点对应的时间，根据各个特征点之间对应的距离，计算出冲击过程中各个时间段内质量块的速度；

2】根据速度-时间曲线，判读质量块受冲击后的平稳速度；

3】在激光等辐射源作用的情况下，测试实验前后质量块的质量，或者在化爆等实验中，测试实验前质量块的质量，再根据平稳速度，计算出该冲击源作用在质量块上的冲量值，再根据质量块作用面的面积，进一步计算出单位面积上质量块受到的冲量值。

3.一种基于光学传感的冲量测试装置，包括导轨和质量块，其特征在于：还包括固定在质量块侧面安装的直线光栅和固定在导轨上的直线光栅反射光强-时间测量装置；所述直线光栅的条纹方向垂直于冲量方向；所述直线光栅反射光强-时间测量装置包括光源、光纤探头、光电转换器、信号放大单元和信号记录单元；所述光纤探头用于将光源产生的光束垂直射向直线光栅并将直线光栅反射的光信号传送至光电转换器，所述光电转换器用于将反射的光信号转换成电信号输出，所述信号放大单元用于放大光电转换器输出的电信号，所述信号记录单元用于记录信号放大单元输出的电信号。

4.根据权利要求3所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述的光纤探头由单根输出光纤和多根接收光纤组成，其中输出光纤连接光源，多根接收光纤集为一束后连接光电转换器。

5.根据权利要求3所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述的光纤探头由光纤环行器和分别连接在光纤环行器的输出光纤、接收光纤、探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

6.根据权利要求3所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述的光纤探头由一进二出的光纤耦合器和分别连接在光纤耦合器出口的输出光纤、接收光纤和连接在光纤耦合器进口的探测光纤组成，其中输出光纤的另一端连接光源，接收光纤的另一端连接光电转换器，探测光纤的另一端输出光束至直线光栅并接收直线光栅的反射光信号。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述光纤探头设置有用于输出光束整形的透镜组件。

8.根据权利要求7所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述的透镜组件为“L型”结构。

9.根据权利要求8所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述的直线光栅反射光强-时间测量装置还包括设置在光源和光纤探头之间的光衰减器。

10.根据权利要求9所述的基于光学传感的冲量测试装置，其特征在于：所述光源为LD或LED；所述光纤的芯径为62.5um多模光纤；所述光源波长为850nm；所述光纤探头与光栅平面的垂直距离为0.5～1.5mm；所述光栅的栅距为100μm。

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