CN110736605A - 双光源空腔式动量传感器测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光源空腔式动量传感器测速系统及方法，该系统包括C1/C2两个波长的光纤激光器，三个光纤耦合器，一个环形器，一个波分复用器，两个光电探测器及两个示波器通道。双光源空腔式动量传感器结合波分复用技术，实现了飞片自由飞行测试段信号与之后两段测试时段信号的有效分离和整合，进一步完善了单点同轴全量程动量传感器测速技术。

Description

双光源空腔式动量传感器测速系统及方法

技术领域

本发明涉及高压加载下瞬态光电测试技术领域，特别是针对高压加载下被加载物体自由面产生的微喷、微层裂物质随时间的演化过程的诊断技术，具体涉及一种双光源空腔式动量传感器测速系统及方法。

背景技术

微喷物质是一种在高压加载下金属飞片被熔化(或部分熔化)形成的表面微喷射流，微层裂物质是在随后的反射拉伸波作用下发生微层裂而产生的。由于微喷/微层裂现象对金属飞片的物质状态造成改变，可能严重影响金属飞片力学响应行为，且微喷/微层裂物质还可能与后继界面混合，增强界面不稳定性。因此，微喷/微层裂现象研究已成为国内外冲击动力学研究的热点，并在爆轰、激光、电磁等不同动高压加载条件下，该研究方向得到进一步拓展和深入，逐步发展成为冲击动力学研究领域一个专门的研究方向。

动量传感器是将传感器嵌入微喷/微层裂物质内部，对传感器底部测试界面粒子速度历程使用激光干涉测速仪进行连续测量的嵌入式测试诊断方法。由于该方法最早由美国Asay J.R.提出，故该类传感器又称Asay动量传感器，目前主要的Asay动量传感器分为Asay膜和Asay窗两种。目前，Asay动量传感器技术仍然存在诸多有待解决的问题：Asay窗测试时间长，但测试灵敏度低，难以响应低密度微喷物质；而Asay膜则相反，难以对相对密度较高的微层裂物质进行测量；这都大大限制了以上两种测试技术在微喷/微层裂诊断中的应用，特别是在某些成本高昂，测试空间密闭狭小，且只能使用嵌入式测试手段的实验中，为了有效测试微喷/微层裂发展演化全部历程，不得不分别放置Asay膜和Asay窗探头，在不同位置点进行测试，这种多点式的非同轴测试方式，不仅会因界面不稳定性而带来测试结果不一致难以分析，还会导致原本狭小的测试空间被多个Asay探头过度占用，使得其它测试(如光、电探针测试)难以开展；另外，Asay探头测试方式为嵌入式，占用面积越大，对测试区域物质的原有物理状态影响就越大，测试结果可信度大大降低。因此，虽然Asay膜、Asay窗测试技术虽具有种种无可替代的测试特点和潜力，但目前在实际工程中的直接应用仍存在诸多限制。

因此，研制一种新型嵌入式动量传感测试技术，克服Asay膜和Asay窗自身的测试缺点，实现单点同轴全程测量，成倍减小传感器占用空间，增强测试数据的可信度，为冲击动力学研究提供一种强有力的诊断技术，具有重要的意义。本人在之前的发明专利“空腔式动量传感器”中首次提出了采用空腔式结构，将Asay膜、Asay窗的功能进行有机融合，实现单点同轴全程速度历程测量的一种新型空腔式动量传感器，并在Asay膜的上表面镀一层光学增反膜作为测试界面，但该方案存在其自身的固有缺点，光学增反镀膜方案会导致被测运动飞片的回光和Asay膜测试界面的回光同时被光纤收集，二者与参考光同步耦合混频，获得的干涉信号将是二者的合并，在Asay膜测试界面运动之后，难以将二者分离，从而导致Asay膜测试界面信号被干扰，高能量频谱区域展宽变大，特征速度曲线提取精度降低，成为空腔式动量传感器亟待解决的一大关键技术难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双光源空腔式动量传感器测速系统及方法，该系统实现了飞片自由飞行测试时段信号与之后两段信号的有效分离和整合，进一步完善了单点同轴全量程动量传感器测速技术。

为了达到上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

一种双光源空腔式动量传感器测速系统，该系统包括C1/C2两个波长的光纤激光器，三个光纤耦合器，一个环形器，一个波分复用器，两个光电探测器及两个示波器通道，C1/C2两个波长的光纤激光器的第一光输出口通过FC/APC光纤连接器与第一光纤耦合器的两个光纤输入口相连，第一光纤耦合器的光纤输出口FC/APC光纤连接器与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口通过FC/APC光纤连接器与双光源空腔式动量传感器相连，环形器的第三端口通过FC/APC光纤连接器与波分复用器的输入口相连，波分复用器两个输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的其中第一输入口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的第二输入口通过FC/APC光纤连接器分别与C1\C2两个光纤激光器的第二光输出口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第一光电探测器和第二光电探测器的光输入口相连，第一光电探测器和第二光电探测器通过高频电缆分别与第一示波器通道和第二示波器通道相连。

进一步的技术方案为，所述双光源空腔式动量传感器的结构具体为：其包括保护套，所述保护套内部设置有Asay窗、Asay膜及光纤探头，所述Asay窗连接光纤探头，所述Asay窗和Asay膜之间设置为分离结构，所述Asay膜与所述Asay窗相对的一面为测试界面，所述测试界面采用光学窄带带通镀膜。

进一步的技术方案为，所述Asay窗和Asay膜是同一种材质制作而成。

进一步的技术方案为，所述Asay窗和Asay膜是LiF材质制作而成。

进一步的技术方案为，所述Asay窗和Asay膜是之间的分离式结构为：所述Asay窗和Asay膜之间形成空腔结构。

进一步的技术方案为，所述光纤探头外接激光干涉测速系统采用双光源提供探测光，所述光纤探头外接的激光干涉测速系统采用了波分复用技术。

本发明所述的双光源空腔式动量传感器测速系统采用光学窄带带通镀膜结合波分复用方案，在测试界面镀光学窄带选通膜，选通光纤通信C波段(1530nm～1565nm)内C1＝1550nm波长附近窄带光波，滤除另外一段C2＝1530nm波段光波使其不能透过，直接反射回光纤探头。并采用波分复用技术，将C1、C2两个不同波段光经光纤耦合器、环行器同时传输到双光源空腔式动量传感器，经双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同轴出射C1、C2波段信号光，C1信号光透过光学窄带镀膜测试界面直接入射至飞片并返回光纤探头，测量飞片前表面物质速度历程；C2信号光被光学窄带镀膜测试界面全部反射，测量光学窄带镀膜测试界面的速度信息。返回的C1、C2信号光被双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同时接收后，经波分复用器将C1、C2两个波段的信号光分开，经光纤耦合器分别与各自波段的参考光进行耦合混频，并被各自的光电探测器将混频干涉光信号转换为电信号，最终被各自示波器采集，分别获取各自界面的速度历程信号。最后将C1、C2两个波段各自有效时段内的信号进行合并，可完成从飞片启动到微喷/微层裂物质撞击传感器，最后飞片主体撞击传感器的单点同轴全量程测量。本专利的支持基金为内爆加载下微喷微层裂物质全过程诊断方法，基金号：11802286。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：双光源输入、光学窄带带通镀膜测试界面结构的提出，从原理上实现了飞片表面和测试界面两界面信号的有效隔离，克服了空腔式动量传感器飞片表面和测试界面的信号相互干扰问题。双光源空腔式动量传感器结合波分复用技术，实现了飞片自由飞行测试段信号与之后两段测试时段信号的有效分离和整合，进一步完善了单点同轴全量程动量传感器测速技术。

附图说明

图1为双光源空腔式动量传感器测速系统图；

图2为双光源空腔式动量传感器结构示意图；

图3为Sn飞片爆轰加载实验示意图。

其中，1-保护套，2-光纤探头，3-Asay保护窗，4-光学窄带带通镀膜测试界面，5-空腔，6-Asay膜，7-接双光源型空腔式测速系统，8-双光源型空腔式动量传感器，9-微喷区，10-微层裂区，11-飞片密实基体，12-炸药，13-雷管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种双光源空腔式动量传感器测速系统，该系统包括C1/C2两个波长的光纤激光器，三个光纤耦合器，一个环形器，一个波分复用器，两个光电探测器及两个示波器通道，C1/C2两个波长的光纤激光器的第一光输出口通过FC/APC光纤连接器与第一光纤耦合器的两个光纤输入口相连，第一光纤耦合器的光纤输出口FC/APC光纤连接器与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口通过FC/APC光纤连接器与双光源空腔式动量传感器相连，环形器的第三端口通过FC/APC光纤连接器与波分复用器的输入口相连，波分复用器两个输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的其中第一输入口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的第二输入口通过FC/APC光纤连接器分别与C1\C2两个光纤激光器的第二光输出口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第一光电探测器和第二光电探测器的光输入口相连，第一光电探测器和第二光电探测器通过高频电缆分别与第一示波器通道和第二示波器通道相连。

该系统中双光源空腔式动量传感器的结构具体为：如图2所示，其包括保护套1，所述保护套内部设置有Asay窗3、Asay膜6及光纤探头2，所述Asay窗连3接光纤探头2，所述Asay窗3和Asay膜6之间设置为分离结构，所述Asay膜6与所述Asay窗3相对的一面为测试界面，所述测试界面采用光学窄带带通镀膜4。所述Asay窗3和Asay膜6是同一种材质制作而成，所述Asay窗3和Asay膜6是LiF材质制作而成。所述Asay窗和Asay膜是之间的分离式结构为：所述Asay窗3和Asay膜6之间形成空腔结构5。所述光纤探头2外接激光干涉测速系统采用双光源提供探测光，所述光纤探头外接的激光干涉测速系统采用了波分复用技术。

本发明所述的双光源空腔式动量传感器测速系统采用光学窄带带通镀膜结合波分复用方案，在测试界面镀光学窄带选通膜，选通光纤通信C波段(1530nm～1565nm)内C1＝1550nm波长附近窄带光波，滤除另外一段C2＝1530nm波段光波使其不能透过，直接反射回光纤探头。并采用波分复用技术，将C1、C2两个不同波段光经光纤耦合器、环行器同时传输到双光源空腔式动量传感器，经双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同轴出射C1、C2波段信号光，C1信号光透过光学窄带镀膜测试界面直接入射至飞片并返回光纤探头，测量飞片前表面物质速度历程；C2信号光被光学窄带镀膜测试界面全部反射，测量光学窄带镀膜测试界面的速度信息。返回的C1、C2信号光被双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同时接收后，经波分复用器将C1、C2两个波段的信号光分开，经光纤耦合器分别与各自波段的参考光进行耦合混频，并被各自的光电探测器将混频干涉光信号转换为电信号，最终被各自示波器采集，分别获取各自界面的速度历程信号。最后将C1、C2两个波段各自有效时段内的信号进行合并，可完成从飞片启动到微喷/微层裂物质撞击传感器，最后飞片主体撞击传感器的单点同轴全量程测量。

实施例2

以双光源空腔式动量传感器测速系统在Sn材料金属飞片爆轰加载实验中的应用为实施例，对其使用方法进行进一步说明。

在爆轰实验中，将双光源空腔式动量传感器8固定放置在爆轰装置上方，使其与Sn飞片上表面保持一定距离；爆轰装置主要由雷管13、炸药12和Sn飞片11三部分组成，雷管13引爆炸药12，炸药12爆轰对Sn飞片11进行加载，Sn飞片被爆轰加载后，在高压加载下Sn飞片被熔化(或部分熔化)形成表面微喷物质，并在随后的反射拉伸波作用下发生微层裂10而产生微层裂物质，其分布方式为微喷物质9在上，微层裂物质10在下，如图3所示。微喷、微层裂物质产生后都以超高速度向上运动。

在微喷物质撞击双光源空腔式动量传感器下端面之前，由于双光源空腔式动量传感器测试界面(及Asay膜上端面)采用了光学窄带带通镀膜方案，其上端的光纤探头出射C1、C2两波段的激光，

其中C1波段激光能够穿透光学窄带带通镀膜测试界面直接入射至飞片表面(当飞片被加载瞬间之后飞片表面产生微喷物质，C1波段激光照射至微喷物质前界面)并返回，其回光被光纤探头收集，飞片表面或微喷物质前界面的运动速度被检测到，该时段为自由飞行测试段；而C2波段激光在此测试时段内不能穿过测试界面，光只能从测试界面返回，由于此时段测试界面静止，C2波段信号光测速结果为零。当微喷物质开始撞击双光源空腔式动量传感器下端面，Asay膜开始向上运动，光纤探头对Asay膜的上端面即测试界面的运动速度历程进行检测，中继自由飞行段的测试，该时段为Asay膜测试段，此时段C2波段信号光开始获得测试界面的运动速度信号；当Asay膜运动到Asay窗下端面时，由于Asay膜与Asay窗材质都为LiF，二者冲击阻抗匹配，Asay膜与Asay窗撞击后瞬间与Asay窗融合在一起，整体形成一个新的Asay窗，继续对测试界面的速度历程进行检测，中继Asay膜段的测试，该时段为Asay窗测试段，该时段C2波段信号光继续获得测试界面的运动速度信号，此即代表Asay窗被撞击后的速度信号；最后，Sn飞片密实基体撞击双光源空腔式动量传感器，直接破坏测试界面，测试完成。

以上方法完成了从Sn飞片被爆轰加载启动时刻开始，经历微喷、微层裂物质撞击传感器，最后飞片密实基体撞击双光源空腔式动量传感器的整段速度历程测量；经历了自由飞行测试段、Asay膜测试段、Asay窗测试段三段接力式测量历程；实现了对微喷、微层裂物质的单点同轴全量程的速度历程测量，为微喷、微层裂物质的密度演化历程的进一步分析提供了一种新的测试手段。

特别需要指出的是，自由飞行测试时段与Asay膜测试时段这两段，由于采用了双光源输入加光学窄带带通镀膜测试界面方案，将微喷物质撞击动量传感器之前和撞击之后的测试信号进行了有效的分离，C1、C2两波段信号回光同轴返回后再次混在一起，再次经波分复用器后被分离开，分别跟各自波段的参考光混频后各自获取各自测试时段的干涉信号。以上方案从原理上克服了自由飞行测试时段与Asay膜测试时段这两段之间的相互信号干扰，实现了飞片自由飞行测试时段信号与之后两段信号的有效分离和整合，进一步完善了单点同轴全量程动量传感器测速技术。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，该系统包括C1/C2两个波长的光纤激光器，三个光纤耦合器，一个环形器，一个波分复用器，两个光电探测器及两个示波器通道，C1/C2两个波长的光纤激光器的第一光输出口通过FC/APC光纤连接器与第一光纤耦合器的两个光纤输入口相连，第一光纤耦合器的光纤输出口通过FC/APC光纤连接器与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口通过FC/APC光纤连接器与双光源空腔式动量传感器相连，环形器的第三端口通过FC/APC光纤连接器与波分复用器的输入口相连，波分复用器两个输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的其中第一输入口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的第二输入口通过FC/APC光纤连接器分别与C1\C2两个光纤激光器的第二光输出口相连，第二光纤耦合器、第三光纤耦合器的输出口通过FC/APC光纤连接器分别与第一光电探测器和第二光电探测器的光输入口相连，第一光电探测器和第二光电探测器通过高频电缆分别与第一示波器通道和第二示波器通道相连。

2.根据权利要求1所述的双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，所述双光源空腔式动量传感器的结构具体为：其包括保护套，所述保护套内部设置有Asay窗、Asay膜及光纤探头，所述Asay窗与光纤探头通过保护套固定和定位，使光纤探头的光轴与Asay窗轴心重合，所述Asay窗和Asay膜之间设置为分离结构，所述Asay膜与所述Asay窗相对的一面为测试界面，所述测试界面采用光学窄带带通镀膜。

3.根据权利要求2所述的双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，所述Asay窗和Asay膜是同一种材质制作而成。

4.根据权利要求2所述的双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，所述Asay窗和Asay膜是LiF材质制作而成。

5.根据权利要求2所述的双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，所述Asay窗和Asay膜是之间的分离式结构为：所述Asay窗和Asay膜之间形成空腔结构。

6.根据权利要求2所述的双光源空腔式动量传感器测速系统，其特征在于，所述光纤探头外接激光干涉测速系统采用双光源提供探测光，所述光纤探头外接的激光干涉测速系统采用了波分复用技术。

7.一种双光源空腔式动量传感器测速方法，其特征在于，双光源空腔式动量传感器测速系统采用光学窄带带通镀膜结合波分复用方案，在测试界面镀光学窄带选通膜，选通光纤通信C波段内C1＝1550nm波长附近窄带光波，滤除另外一段C2＝1530nm波段光波使其不能透过，直接反射回光纤探头，并采用波分复用技术，将C1、C2两个不同波段光经光纤耦合器、环行器同时传输到双光源空腔式动量传感器，经双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同轴出射C1、C2波段信号光，C1信号光透过光学窄带镀膜测试界面直接入射至飞片并返回光纤探头，测量飞片前表面物质速度历程；C2信号光被光学窄带镀膜测试界面全部反射，测量光学窄带镀膜测试界面的速度信息，返回的C1、C2信号光被双光源空腔式动量传感器内部的光纤探头同时接收后，经波分复用器将C1、C2两个波段的信号光分开，经光纤耦合器分别与各自波段的参考光进行耦合混频，并被各自的光电探测器将混频干涉光信号转换为电信号，最终被各自示波器采集，分别获取各自界面的速度历程信号；最后将C1、C2两个波段各自有效时段内的信号进行合并，可完成从飞片启动到微喷/微层裂物质撞击传感器，最后飞片主体撞击传感器的单点同轴全量程测量。

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