CN103983309B - 一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，所述的光电探头由自聚焦棒、铜套管、光纤和铜导线组成，可以同时实现激光多普勒测速探头（PDV探头）、光纤探针和电探针的功能。本发明的探头适用于冲击和爆轰实验中飞层前界面微喷粒子及主体的速度连续测量和到达时间测量，可实现激光干涉测速、光纤探针和电探针的同时对比测量。本发明可应用于材料高压物理特性的研究领域，在冲击波物理、爆轰物理及流体动力学等研究领域中有着广阔的应用前景。

Description

一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头

技术领域

本发明属于光电传感器研究技术领域，具体涉及一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，本发明适用于冲击和爆轰实验中飞层前界面微喷粒子及主体的速度连续测量和到达时间测量。

背景技术

在冲击波物理和爆轰物理实验中，为了测量飞层的速度和冲击到达时间，研究者们研制了激光多普勒测速系统、光纤探针系统和电探针系统。其中，激光多普勒测速系统可对飞层速度进行连续测量，光纤探针和电探针可对飞层（或冲击）到达时间进行精确测量，通过台阶探针也可对飞层平均速度进行测量。上述三个系统所对应的探头各不相同，依次为：激光多普勒测速探头、光纤探针和电探针。

激光多普勒测速探头由自聚焦棒、外套、光纤和光纤连接器组成，其作用是把激光器输出的光准直到待测目标上，并把目标反射光收集、传输到后续的系统中。现在实验中使用的激光多普勒测速探头的外径一般为3.2mm，自聚焦棒长度10mm，外套长度8mm，外套与自聚焦棒的顶端不在一个平面内，两者有2mm的距离，光纤长度在0.5m～2.0m之间，光纤连接器为FC/PC或FC/APC等标准光纤连接器。

电探针是一种测量冲击到达时刻的探针，本文所述的电探针是指光杆电探针，其由一根金属杆（长度25mm～40mm一般为铜材质）和一根焊接在金属杆尾端金属导线（一般为漆包线）组成。其需配合网络源和地线一起工作：当金属飞层到达电探针端面时，接通探针与地线，网络开始放电，通过记录放电的时刻就可知道飞层到达探针端面的时刻。

光纤探针也是一种测量冲击到达时刻的探针，一般由一根石英光纤、一根套管（长度25mm～40mm用于定位）和一个光纤连接器组成。它利用石英光纤在受冲击时发光的特性工作：当冲击到达光纤探针的端面时，探针会给出一个陡峭的脉冲光信号，通过捕获和记录该光信号出现的时刻就可以知道冲击到达光纤探针的时刻。由于光纤探针工作原理的特殊性，决定了其在未损坏的情况下可以连续给出冲击到达的信息，这在飞层为非连续状态的实验中具有重要的用途。

在某些实验中，由于飞层材料的特殊性，会使其前界面在冲击加载下形成一个非连续的区域。对该区域的探测需要同时采用激光多普勒测速系统、光纤探针系统和电探针系统，期望利用这三种测量系统给出的结果来进行综合对比分析，获得更多飞层前界面的物理信息。目前实验中采用的方法是同时安装三种探头，由于实验所需要安装的探头（针）数量较多，这就给实验设计和安装带来了困难；同时，由于三种探头安装位置不同，也给实验结果的分析带来困难。为此，发明人发明了一种三合一的光电探头来同时完成上述三种探头的功能。

发明内容

为了克服某些冲击加载实验中同时使用激光多普勒测速探头、光纤探针和电探针所带来的实验设计和安装困难，本发明提供了一种三合一光电探头，可同时实现激光多普勒测速探头、光纤探针和电探针的功能。

本发明采用如下技术方案：一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，包括自聚焦棒、铜套管、铜导线、光纤分束器；所述自聚焦棒设置在铜套管的内部，且自聚焦棒的前端与铜套管的前端管口齐平，自聚焦棒后端设置在铜套管内，且自聚焦棒后端的焦面与光纤分束器的输入端的光纤端面重合；所述自聚焦棒后端、光纤分束器的输入端和铜套管后端内部腔体整体进行封装；所述铜导线的一端焊接在铜套管的后端上。

本发明的三合一光电探头的工作原理如下:自聚焦棒、外套、一分二光纤分束器的多模输入端和单模输出端把激光器输出的光准直到待测目标上，并把目标反射光收集、传输到后续的系统中实现激光干涉测速功能；当目标（粒子或主体）撞击到自聚焦棒端面时，自聚焦棒会给出一个光脉冲信号，该信号通过一分二光纤分束器的多模输入端和多模输出端传输到后续系统中，实现光纤探针功能；当密度较高的粒子场或主体撞击到铜套管前端面时，会通过同套管和铜导线接通放电回路，实现电探针功能；由于在激光干涉测试系统的工作波长为红外单波长，且系统中有窄带滤光片用于滤除杂光，所以自聚焦棒的冲击发光信号不会对激光干涉测速系统造成影响，同时，由于光纤探针系统所用的光探测器只对可见光有响应，所以激光干涉测速系统所用的红外激光不会对光纤探针系统造成影响。这样就利用一根探头实现了激光干涉测速探头、光纤探针和点探针三种功能。

在上述技术方案中，自聚焦棒为石英材料制作而成，而不是采用常规的锗玻璃，使其与光纤探针的材料一致，具备在受到冲击时发光的特性，以实现光纤探针的冲击到达传感功能。

在上述技术方案中，所述自聚焦棒的焦距在15mm～50mm之间。

在上述技术方案中，所述光纤分束器为一分二光纤分束器，其输入端为多模光纤，输出端一端为单模光纤，一端为多模光纤。采用多模光纤作为自聚焦棒的耦合光纤，而不是采用一般激光干涉测速探头所使用的单模光纤，这样不仅可以接收目标反射激光信号还可以大大提高自聚焦棒受冲击时辐射出的光脉冲信号的收集能力，解决采用单模光纤时光纤探针信号能量不足的问题。采用一分二光纤分束器将与自聚焦棒耦合的多模光纤分为两路光纤，且其中一路为多模光纤，另一路为单模光纤。多模光纤后接光纤探针信号探测记录系统，单模光纤后接激光干涉测速系统。这样可使大部分冲击发光信号输入到光纤探针系统的光探测器中，确保光纤探针系统的正常工作；还可将多模光纤接收的目标反射的激光信号强制转换为单模，以产生干涉，实现激光干涉测速功能。

在上述技术方案中，所述铜套管为紫铜或黄铜材质，铜套管表面镀金；所述铜套管的长度为25mm-40mm，以满足点探针功能的安装定位及台阶测速需要。

在本发明中，自聚焦棒、一分二光纤分束器输入端和单模光纤输出端构成了一个激光多普勒测速探头；自聚焦棒、一分二光纤分束器输入端和多模光纤输出端构成了一个光纤探针；铜套管和铜导线构成了一个电探针；这样就形成一个三合一的光电探头。

本发明的优点在于：通过合理的设计，将激光多普勒测速探头、电探针和光纤探针融合在一起，克服了某些冲击加载实验中由于需要同时使用激光多普勒测速探头、光纤探针和电探针所带来的实验设计、安装和结果分析困难。

优点一：通过三合一的结构设计，使得三种探头测量的区域为飞层上的同一位置，克服了由于三种探头由于安装位置不一样而导致的比对分析误差；

优点二：通过三合一的结构和功能设计，使三合一光电探头在同时实现三种探头功能的同时，减少了安装定位所需的空间。即，以前实现三种功能需要在三个位置安装三种不同的探头（针），而本发明的三合一探头仅仅需要占用原来激光干涉测速探头所需的安装定位空间就可实现三种探头的功能，这使得在一发实验有限的安装空间中可以多布置两倍的探头，获得更多的有效数据；

优点三：由于自聚焦棒和铜套管的前端面平齐，可使光纤探针和电探针更好的比对冲击到达的时刻。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是三合一光电探头基本结构；

图2是本发明的实施例1的测量飞层前界面状态的系统组成图；

其中：1是铜套管，2是自聚焦棒，3是固定块，4是环氧树脂，5是多模光纤；6是焊点；7是铜导线；8是一分二光纤分束器，9是单模光纤；10是多模光纤。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，是本发明所述的三合一探头，包括有一个铜套管1，铜套管长度为25mm-40mm，在铜套管1内设置有一根自聚焦棒2，自聚焦棒2采用石英材质制成，焦距为15mm～50mm之间；自聚焦棒2的前端与铜套管1的前端齐平。自聚焦棒2的后焦面连接一分二光纤分束器8的输入端，为了能让一分二光纤分束器8与自聚焦棒2的后焦面稳定的连接在一起，在一分二光纤分束器8的输入端的周围填充有固定块3，为了进一步固定，防止探针在移动过程中松动，采用整体封装的形式对铜套管1的后端与一分二光纤分束器8的输入端和固定块3进行封装，封装材料采用环氧树脂4。一分二光纤分束器8的输入端为多模光纤5，一分二光纤分束器8的输出端为两路光纤，一路为单模光纤9，一路为多模光纤10。一分二光纤分束器8的输入端为多模耦合石英光纤，可以和一分二光纤分束器8为一个整体，也可以为通过光纤熔接方式或通过光纤连接器进行连接。在铜套管1的后端上，采用焊接方式将铜导线7和焊点6焊接在一起。

如图2所示，当三合一探针在实际使用时，将探头中的铜导线7的另一端连接到电探针后续系统上，将一分二光纤分束器8输出端为多模光纤10的一端连接到光纤探针信号处理记录系统，将一分二光纤分束器8输出端为单模光纤9的一端连接到激光多普勒测速系统。这样，当实验实施后，可以通过激光多普勒测速系统给出飞层的速度历史；通过光纤探针信号处理记录系统给出飞层前界面的物质（微喷颗粒、粒子团等）及飞层主体与三合一探头的自聚焦棒前端面作用信号历史；通过电探针后续系统记录飞层前界面与三合一探头的铜套管前端面作用时电探针系统的放电信号波形。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为包括自聚焦棒、铜套管、铜导线、光纤分束器；所述自聚焦棒设置在铜套管的内部，且自聚焦棒的前端与铜套管的前端管口齐平，自聚焦棒后端设置在铜套管内，且自聚焦棒后端的焦面与光纤分束器的输入端重合；所述自聚焦棒后端、光纤分束器的输入端和铜套管后端内部腔体整体进行封装,所述铜导线的一端焊接在铜套管的后端上,所述光纤分束器为一分二光纤分束器，其输入端为耦合多模光纤，输出端一端为单模光纤，一端为多模光纤。

2.根据权利要求1所述的一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为所述自聚焦棒为石英材料制作而成。

3.根据权利要求2所述的一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为所述自聚焦棒的焦距在15mm～50mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为所述铜套管为紫铜或黄铜材质，铜套管表面镀金。

5.根据权利要求2所述的一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为所述铜套管的长度为25mm-40mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于冲击和爆轰实验的三合一光电探头，其特征为所述一分二光纤分束器的输入端为耦合多模石英光纤。