CN107817065A - 一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于爆轰压力瞬态测量技术领域，公开了一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，包括宽带光源、光隔离器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、嵌入在被测炸药中的压力FBG传感光栅、啁啾匹配光栅、M‑Z非平衡干涉仪、光电探测电路、模数转化电路、DSP处理器以及光纤光谱仪；本发明通过压力FBG传感光栅对入射光的频移作用来传感爆轰压力，并通过发射带宽匹配的啁啾光栅来消除爆炸波产生的光干扰信号，提高信噪比；同时通过光纤光谱仪来标定传感器压力与相位的关系以及对传感器的初始压力进行补偿和标定；本发明采用紧凑型结构，可以广泛应用于爆轰压力测量领域。
Description
技术领域
本发明属于高能炸药爆炸波特性测量中的爆轰压力测量技术领域，特别涉及一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统。
背景技术
爆轰波是一种在高速化学反应区，高能炸药中传播的一种高温、高压和高速冲击波。在爆炸波、爆炸物的特性和功能的研究中，爆炸过程中的压力测量是一个关键的参数之一。输出压力等级是确定爆炸药物灵敏度参数测试，炸药的灵敏度与其破坏力息息相关。
爆炸产生的爆轰波传播的速度一般2-12 km/s，在10-100 ns内产生的压力最大可达20 Gpa，并且在几µs之内快速的下降到50%左右。此时间内称为反应区域，其后的压力减小与爆炸药的扩展特性有关。因此在此小尺度的范围内，其爆炸温度一般处于超高温（3000K），造成巨大的压力波动。在这种高温、高压和高速的极端环境下，准确测量爆轰产生的压力是一个巨大的挑战。
直接测量法是炸药爆炸最常用的测量方法之一，多采用锰铜片作为敏感元件直接埋设到炸药内部中，通过外部点检测量敏感元件在爆炸压力下的电阻变化获得炸药的爆压，如专利号为201410690335.0“测量水下爆炸近场冲击波压力的孟桐压力传感器及装置”和文献“熊昌彦，电磁法和压阻法同时测量爆压探索[J],爆炸与冲击，1984，4（3）：79-81”。另一种直接测量爆压的方法是电磁法，将粒子速度仪埋设在炸药中，当爆炸时粒子速度仪也随着爆炸波一起高速运动，当通过电磁场时，速度仪切割磁力线产生电信号，外部电路记录爆轰气体运动速度，再根据爆速计算出爆炸压力。压电传感器也是一种直接测量爆压的方法，如专利号201010533512.6“一种水中爆炸压力测量传感器”，通过埋设在炸药内部的压电传感器感知爆炸压力，压电传感器组件由环氧树脂包覆封装在透声硅橡胶内部，通过导线和放大电路连接并记录爆炸时产生的压力值。
炸药的爆轰参数中，除了仅有的爆速能够直接测量以外，其他爆轰参数的测量相对难度较大，主要由经验公式估算得到。尤其是炸药的爆轰压力(简称爆压)的测量，在技术上难度极大。因此，最常用的测定爆轰压力的方法是间接法，即测量与炸药相接触的惰性材料如水、金属、二碘甲烷或空气中的冲击波初始参数，间接获得有关的信息，然后按照相应的公式计算出炸药的爆压。
发明内容
为解决上述技术问题，一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，包括宽带光源、光隔离器、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、嵌入在被测炸药中的压力FBG传感光栅、啁啾匹配光栅、M-Z非平衡干涉仪、光电探测电路、模数转化电路、DSP处理器以及光纤光谱仪；所述宽带光源发出的激光经过光隔离器后进入第一耦光合器中，通过第一耦合器后入射到所述压力FBG传感光栅上，由压力FBG传感光栅反射的光信号返回并再次经过第一光耦合器后进入第二光耦合器；通过第二光耦合器后的光信号入射到啁啾匹配光栅上，由啁啾匹配光栅反射的光信号返回并再次通过第二光耦合器后进入第三光耦合器中，从第三光耦合器输出的光信号被分为两路，一路作为参考和标定信号由光纤光谱仪探测，另一路经M-Z非平衡干涉仪解调后形成3路干涉光光谱信号，由光电探测电路转化为模拟电信号后进入模数转化电路，并经模数转化电路后进入DSP处理器中， DSP处理器用于根据所述光电探测电路的探测信号进行计算并得到爆轰内部压力，光纤光谱仪探测到的信号用于标定压力FBG传感光栅探测到的压力与相位的关系，同时对其初始压力进行补偿和标定。
所述宽带光源为自发辐射近红外光源或半导体近红外光源，波长在1520~1560nm之间，带宽40nm以上。
所述第一光耦合器和第二光耦合器为2输入2输出的2×2结构型的光纤耦合器，其光功率比为50:50；所述第三光耦合器为单输入2输出的光纤耦合器，输出功率比为90:10，即90%的输出功率进入所述M-Z非平衡干涉仪，10%的输出功率进入所述光纤光谱仪。
所述压力FBG传感光栅为压力敏感性的光纤布拉格传感光栅，用于传感爆炸物在爆轰过程产生的大于1 G Pa的超高压。
所述啁啾匹配光栅为线性啁啾光栅，所述压力FBG传感光栅由于爆轰压力的改变引起的中心波长偏移范围位于所述的啁啾匹配光栅的上限和下限波长范围内。
所述的M-Z非平衡干涉仪为光纤干涉仪，输入部分是一个2×2结构型的光纤耦合器，将信号分成50:50后进入干涉仪的两臂，然后经过再由第二个2×2的耦合器合成后由一个3×3结构型的光纤耦合器输出3路固定相位为2π/3的干涉信号。
所述光电探测电路的带宽大于1.5G，所述光电探测电路包括信号调理电路，所述信号调理电路用于将所述3路干涉光光谱信号转化成的模拟电信号进行I/V转换、电压放大和低通滤波后送入所述模数转换电路，模数转换电路在FPGA控制下将模拟电信号转换成数字信号，经过缓存后送入所述DSP处理器中。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、与传统压电、锰铜压阻传感器、连续电阻丝探针等爆压测量相比，本发明采用基于FBG光栅的全光纤压力测量系统，压力灵敏度高、反应时间短、抗电磁干扰等优点，提高了系统的信噪比和准确度；
2、与现有的一般压力型FBG传感系统相比，本发明采用反射带宽匹配的啁啾光栅，来滤除由于爆炸产生的光或自然光的干扰信号耦合进入压力FBG传感光栅的光噪声信号，提高了系统的准确度；
3、采用M-Z非平衡干涉仪，由于其内部主要为耦合器和光纤构成，其相位解调速度就是几乎等于光速；其次采用高速光电探测器、信号经过二级放大（高速I/V转换和电压放大）和低通滤波后进入高速模数转换器，模数转换器在FPGA控制下转换成数字信号，经过缓存后进入DSP处理中，进行数字滤波、相位计算并得到爆轰内部压力，压力测量的时间分辨率可达10ns以上，为高时间分辨爆轰压力测量提供了技术保障；
4、本发明还包括用于测量第三光耦合器输出光光谱的光纤光谱仪，通过对第三光耦合器输出光光谱的测量，可以对压力FBG传感光栅的压力与相位的关系并行标定，同时还可以对传感器的初始压力进行补偿和标定。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种M-Z非平衡干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，包括宽带光源1、光隔离器2、第一光耦合器3、第二光耦合器7、第三光耦合器8、嵌入在被测炸药5中的压力FBG传感光栅4、啁啾匹配光栅6、M-Z非平衡干涉仪9、光电探测电路10、模数转化电路11、DSP处理器12以及光纤光谱仪13。
其中，所述宽带光源1发出的激光经过光隔离器2后进入第一耦光合器3中，通过第一耦合器3后入射到所述压力FBG传感光栅4上，由压力FBG传感光栅反射4的光信号返回并再次经过第一光耦合器3后进入第二光耦合器7；通过第二光耦合器7后的光信号入射到啁啾匹配光栅6上，由啁啾匹配光栅6反射的光信号返回并再次通过第二光耦合器7后进入第三光耦合器8中，从第三光耦合器输出的光信号被分为两路，一路作为参考和标定信号由光纤光谱仪13探测，另一路经M-Z非平衡干涉仪9解调后形成3路干涉光光谱信号，由光电探测电路10转化为模拟电信号后进入模数转化电路11，并经模数转化电路11后进入DSP处理器12中，DSP处理器12用于根据所述光电探测电路10的探测信号进行计算并得到爆轰内部压力，光纤光谱仪13探测到的信号用于标定压力FBG传感光栅4探测到的压力与相位的关系，同时对其初始压力进行补偿和标定。
进一步地，本实施例中，所述宽带光源1为自发辐射ASE或半导体SLD的近红外光源，波长在1520~1560nm之间，带宽40nm以上。
进一步地，本实施例中，所述第一光耦合器3和第二光耦合器7为2输入2输出的2×2结构型的光纤耦合器，其光功率比为50:50；所述第三光耦合器8为单输入2输出的光纤耦合器，输出功率比为90:10，即90%的输出功率进入所述M-Z非平衡干涉仪9，10%的输出功率进入所述光纤光谱仪13。
进一步地，所述压力FBG传感光栅4为压力敏感性的光纤布拉格传感光栅，用于传感爆炸物在爆轰过程产生的大于1 G Pa的超高压。由于压力FBG传感光栅4嵌入在被测炸药中，则当炸药爆炸时，产生的爆轰压力可以引起压力FBG传感光栅4的反射光的中心波长偏移，因此压力FBG传感光栅4的反射光的中心波长，携带了被测炸药在爆炸时爆轰压力的信息，通过解调扫描得到波长的偏移量可以实现爆轰压力的测量。
进一步地，所述啁啾匹配光栅6可以为线性啁啾光栅CFBG，所述压力FBG传感光栅4由于爆轰压力的改变引起的中心波长偏移范围位于所述的啁啾匹配光栅6的上限波长和下限波长范围内；由于高能炸药在爆炸瞬间产生强烈的光信号，该干扰信号也将耦合进入传感光栅4，从而影响后续解调电路的测量精度，因此啁啾匹配光栅6可以滤除掉有用光谱信号外的干扰信号，提高测精度。
进一步地，本实施例中，所述的M-Z非平衡干涉仪9为光纤干涉仪，输入部分是一个2×2结构型的光纤耦合器，将信号分成50:50后进入干涉仪的两臂，然后经过再由第二个2×2的耦合器合成后由一个3×3结构型的光纤耦合器输出3路固定相位为2π/3的干涉信号。如图2所示，为M-Z非平衡干涉仪光路结构示意图。光束901经第一个光纤耦合器后被分成光束902和光束903，然后经过干涉仪的两臂后，进入第二耦合器，经第三个耦合器输出3束固定相位为2π/3的光束904。
进一步地，本发明中，所述光电探测电路10的带宽大于1.5G，所述光电探测电路10包括信号调理电路，所述信号调理电路用于将所述3路干涉光光谱信号转化成的模拟电信号进行I/V转换、电压放大和低通滤波后送入所述模数转换电路11，模数转换电路11在FPGA控制下将模拟电信号转换成数字信号，经过缓存后送入所述DSP处理器12中。DSP处理器12根据所述光电探测电路10的探测信号进行计算并得到爆轰内部压力，并根据光纤光谱仪13探测到的信号来标定压力FBG传感光栅4探测到的压力与相位的关系，同时对其初始压力进行补偿和标定。
进一步的，本发明中的压力测量的原理如下:
在Mach-Zehnder型光纤干涉仪中，光被2 * 2 的光纤耦合器分成干涉仪的两个不等臂的支路，并由第二个光纤耦合器组合。对于对称3 * 3输出耦合器，3个输出干涉信号具有固定的相位差：
（1）
其中，A是干涉信号的总幅度，V是干涉信号的可见度。干涉信号取决于干涉仪中的光的波长和光程差（OPD），两者都由相位的函数。那么，干涉信号的相位用数学方法计算：
（2）
在（2）中，通过干涉仪输出的光电探测器的强度就可以得到中心波长λ，从而实现波长变化量的准确测了。该方法对在一定的范围内干涉信号的可见度V和振幅A0的变化不敏感，直到一定程度。波长偏移对相位的灵敏感是：
（3）
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：包括宽带光源（1）、光隔离器（2）、第一光耦合器（3）、第二光耦合器（7）、第三光耦合器（8）、嵌入在被测炸药（5）中的压力FBG传感光栅（4）、啁啾匹配光栅（6）、M-Z非平衡干涉仪（9）、光电探测电路（10）、模数转化电路（11）、DSP处理器（12）以及光纤光谱仪（13）；
所述宽带光源（1）发出的激光经过光隔离器（2）后进入第一耦光合器（3）中，通过第一耦合器（3）后入射到所述压力FBG传感光栅（4）上，由压力FBG传感光栅（4）反射的光信号返回并再次经过第一光耦合器（3）后进入第二光耦合器（7）；通过第二光耦合器（7）后的光信号入射到啁啾匹配光栅（6）上，由啁啾匹配光栅（6）反射的光信号返回并再次通过第二光耦合器（7）后进入第三光耦合器（8）中，从第三光耦合器（8）输出的光信号被分为两路，一路作为参考和标定信号由光纤光谱仪（13）探测，另一路经M-Z非平衡干涉仪（9）解调后形成3路干涉光光谱信号，由光电探测电路（10）转化为模拟电信号后进入模数转化电路（11），并经模数转化电路（11）后进入DSP处理器（12）中， DSP处理器（12）用于根据所述光电探测电路（10）的探测信号进行计算并得到爆轰内部压力，光纤光谱仪（13）探测到的信号用于标定压力FBG传感光栅（4）探测到的压力与相位的关系，同时对其初始压力进行补偿和标定。
2.如权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：所述宽带光源（1）为自发辐射的近红外光源或半导体近红外光源，波长在1520~1560nm之间，带宽40nm以上。
3.如权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：所述第一光耦合器（3）和第二光耦合器（7）为2输入2输出的2×2结构型的光纤耦合器，其光功率比为50:50；所述第三光耦合器（8）为单输入2输出的光纤耦合器，输出功率比为90:10，即90%的输出功率进入所述M-Z非平衡干涉仪（9），10%的输出功率进入所述光纤光谱仪（13）。
4.如权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：所述压力FBG传感光栅（4）为压力敏感性的光纤布拉格传感光栅，用于传感爆炸物在爆轰过程产生的大于1 G Pa的超高压。
5.如权利要求4所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统及方法，其特征在于：所述啁啾匹配光栅（6）为线性啁啾光栅，所述压力FBG传感光栅（4）由于爆轰压力的改变引起的中心波长偏移范围位于所述的啁啾匹配光栅（6）的上限和下限波长范围内。
6.如权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：所述的M-Z非平衡干涉仪（9）为光纤干涉仪，输入部分是一个2×2结构型的光纤耦合器，将信号分成50:50后进入干涉仪的两臂，然后经过再由第二个2×2的耦合器合成后由一个3×3结构型的光纤耦合器输出3路固定相位为2π/3的干涉信号。
7.如权利要求1所述的基于布拉格光纤光栅的紧凑型爆轰压力测量系统，其特征在于：所述光电探测电路（10）的带宽大于1.5G，所述光电探测电路（10）包括信号调理电路，所述信号调理电路用于将所述3路干涉光光谱信号转化成的模拟电信号进行I/V转换、电压放大和低通滤波后送入所述模数转换电路（11），模数转换电路（11）在FPGA控制下将模拟电信号转换成数字信号，经过缓存后送入所述DSP处理器（12）中。
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