CN112858713A - 一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，S1：两台激光器，高隔离度环形器和低回损半悬置式Asay膜探针；S2：第一激光器发出的探测光由高隔离度环形器出射后通过低回损光纤准直器准直后汇聚在测试膜片上并被膜片反射，反射光部分沿原路返回至低回损光纤准直器，被低回损光纤准直器接收，传至光纤耦合器；S3：第一激光器的探测光和第二激光器的激光进入光纤耦合器与第一激光器的激光形成干涉光，用光电探测器将干涉光的光信号转换成电信号；S4：用喷射物质撞击测试膜片，形成并记录外差干涉信号；S5：得到膜片运动速度，完成测速；通过优化Asay膜探针的探测过程，利用光的干涉对膜片运动速度进行精确的测量。
Description
技术领域
本发明涉及高压加载下瞬态光电测试领域，具体是一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法。
背景技术
喷射物质是一种在高压加载下金属飞片被熔化形成的表面喷射射流。由于喷射现象对金属飞片的物质状态造成改变，可能影响金属飞片力学响应行为，且喷射物质还可能与后继界面混合，增强界面不稳定性。因此，在爆轰、激光、电磁等不同动高压加载条件下产生的喷射现象研究已成为国内外冲击动力学研究的热点。
喷射物质研究的瓶颈主要在测试技术方面，喷射物质的测试诊断技术，国内外相关研究主要包括照相法和嵌入式传感器法两大类。照相法可以二维图像的形式获取特定时刻的喷射物质空间分布图像，是喷射物质研究的重要诊断技术之一，但照相法受光学穿透能力和非连续测试特性的限制，对喷射物质的动态演化过程刻画不足，极大地降低了其适用范围。嵌入式传感器是将传感器深入被测物质内部直接感知内部物质状态的测试方法，针对喷射物质的主要测试方法为Asay膜，具体是指将Asay膜探头嵌入喷射物质内部，对撞击探针底部Asay膜的喷射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。
但是目前使用的Asay膜也存在种种弊端，比如为了实现膜片的自由状态而导致膜片未被固定，在某些姿态中使用或者受震动等工程因素影响，膜片发生移动、掉落进而导致信号丢失的现象时有发生；另外，由于常规的Asay膜使用常规光纤多普勒探针作为末端传感器来探测膜片回光，而常规光纤多普勒探针具有相对较高的回光，且测试系统中采用常规环形器也可能具有相对较高的回光，进而导致测试结果中存在较强的基准频率信号，该信号在基准频率附近具有一定宽度，可能会导致Asay膜的一部分低速响应信号被淹没。鉴于Asay膜存在的以上不足，急需发展出一种能够实现静态时保持固定、动态时近似自由状态，并且能够诊断低密度喷射物质，即能有效响应超低速信号的Asay膜探针，并采用这种探针对喷射物质进行测量，而如何才能有效的使用探针进行测量便成为高压加载下瞬态光电测试领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在使用Asay膜探针时发生倾斜、翻转或者受震动时膜片位置会发生位移和偏转，进而导致Asay膜探针失效的不足，提供了一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，通过优化Asay膜探针的性能和探测过程，利用激光多普勒干涉原理对膜片运动速度进行精确的测量。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：
一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，包括以下步骤：
S1：准备两台激光器，以其为第一激光器和第二激光器，所述第二激光器的激光波长大于第一激光器，并准备好合格的高隔离度环形器和低回损半悬置式Asay膜探针，低回损半悬置式Asay膜探针内设有低回损光纤准直器；
S2：将第一激光器与高隔离度环形器的port1端口连接，第一激光器发出的探测光由高隔离度环形器的port1端口进入、port2端口出射后通过低回损光纤准直器准直后汇聚在测试膜片上并被膜片反射，反射光部分沿原路返回至低回损光纤准直器，被低回损光纤准直器接收，经高隔离度环形器port2端口进入、port3端口输出并传至光纤耦合器；
S3：当第一激光器的探测光进入光纤耦合器内时，打开所述第二激光器，发射激光进入光纤耦合器与第一激光器的激光形成干涉光，用光电探测器将干涉光的光信号转换成电信号，电信号发送到数据采集系统形成原始干涉信号的记录；
S4：用喷射物质撞击测试膜片，第一激光器发出的探测光被膜片反射形成信号光，信号光沿原光路返回至光纤准直器，从光纤准直器传输到外差式激光干涉测速系统，并记录外差干涉信号；
S5：基于S3形成的原始外差干涉信号，利用多普勒频移原理，可以得到膜片运动速度，完成测速。
目前，Asay膜探头仍然存在诸多有待解决的问题：Asay膜探针测试时膜片需要处于近似自由状态，膜片运动上方不能有物体阻隔，被撞击后运动时需要保持自由状态。常规的Asay膜探针在使用时探针需要始终垂直向下，如果发生倾斜、翻转或者受震动时膜片位置会发生位移和偏转，导致Asay膜探针失效。另外，由于被测喷射物质密度很低，撞击Asay膜探针时传递给Asay膜的动量也很低，所以一般Asay膜探针测试界面初始运动速度很低，常规的Asay膜探针测试系统难以响应这种低速信号，造成低密度物质难以被测量到或是低速信号淹没在测试信号的本底噪声里，极难从噪声中分辨出膜片的低速信号，这就给低密度喷射物质的研究带来很大困难；本发明受国家自然科学基金资助完成(基金号：11802286，11932018)；本发明中的低回损半悬置式Asay膜探针测试系统外接外差式激光干涉测速系统，首先由第一激光器发射出激光，即探测光，进入高隔离度环形器，其性能指标port1 to port3隔离度为IL<-65dB，后由高隔离度环形器的port1端口进入、port2端口出射后通过低回损光纤准直器准直后汇聚在测试膜片上并被膜片反射，反射光部分沿原路返回至低回损光纤准直器，被低回损光纤准直器接收，经高隔离度环形器port2端口进入、port3端口传至光纤耦合器，与第二激光器发射的激光，即参考光，一并进入光纤耦合器完成耦合并形成干涉光，干涉光被光电探测器探测并转换成电信号，电信号进一步被数据采集系统采集，并完成原始干涉信号的记录；当喷射物质撞击Asay膜探针，照射在Asay膜探针上的探测光会反射携带速度信息的信号光，信号光沿原光路返回被光纤准直器接收，并被传输到外差式激光干涉测速系统中被采集记录，根据多普勒频移原理，通过对干涉光频率信息的获取记录处理就能够得到Asay膜探针携带的运动速度的历程信息，本发明通过通过优化Asay膜探针的探测过程，利用光的干涉对膜片运动速度进行精确的测量。
进一步的，所述第一激光器采用1550nm波长激光器，第二激光器采用1550+Δλnm波长激光器，所述Δλ为相对于1550nm波长激光器的一个波长差。为了解决光纤准直器反射1550nm激光和环行器隔离度较差而产生基频信号的问题，在保证正常Asay膜探针测试工作环境下，采用回损值小于-63dB的光纤准直器和采用隔离度小于-65dB的环行器，能够有效的消除外差式测速系统中的因准直器回损大和环行器隔离度较差产生的外差基频信号，提高测试系统对Asay膜探针膜片的低速测试能力及Asay膜探针的响应灵敏度。
进一步的，所述低回损半悬置式Asay膜探针包括金属外壳封装，在金属外壳封装内套设有低回损光纤准直器，在金属外壳封装内的底部设有半悬置托盘，半悬置托盘与金属外壳封装固定连接，在半悬置托盘内放置有测试膜片，所述测试膜片与半悬置托盘固定，在半悬置托盘中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装并延伸到金属外壳封装外。半悬置托盘能够使得测试膜片被喷射物质撞击而发生的物理运动状态以及获得的动量大小可视为不受连接、固定等因素影响而损失。
进一步的，所述低回损光纤准直器与金属外壳封装之间设有封装填充，封装填充充满低回损光纤准直器与金属外壳封装之间的间隙。所述低回损光纤准直器是通过将光纤端面进行特殊角度工艺处理加工而成，具有比一般光纤准直器更低的超低回损，封装填充能够有效的使得测试膜片与低回损光纤准直器相对位置固定且轴心重合。
进一步的，所述封装填充为环氧胶，低回损光纤准直器与金属外壳封装通过环氧胶固定。内挡环、金属外壳、低回损光纤准直器之间全部使用环氧胶固定，确保了低回损半悬置式Asay膜的在未被喷射物质撞击前测试膜片与低回损光纤准直器相对位置固定且轴心重合。采用环氧胶主要由于环氧胶固化后强度高，韧性好，耐用度好的优点。
进一步的，所述半悬置托盘包括内挡环，所述内挡环与所述金属外壳封装固定，内挡环的中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装并延伸到金属外壳封装外，所述测试膜片覆盖在通孔的上方，测试膜片的下表面与内挡环之间设有粘接件，测试膜片与内挡环通过粘接件固定连接。由于测试膜片覆盖在通孔的上方，测试膜片的下表面与内挡环之间设有粘接件，测试膜片与内挡环通过粘接件固定连接，所以当喷射物质撞击膜片产生运动，膜片随即发生位移，照射在膜片上的探测光会反射携带膜片运动的速度信息的信号光，信号光沿原光路返回被光纤准直器接收，并被传输到外差式激光干涉测速系统中被采集记录，膜片运动速度与干涉光频率成正比，通过对干涉光频率信息的获取记录处理就能够得到膜片运动速度的历程信息。
进一步的，所述粘接件为石蜡。由于石蜡熔点低、粘接强度小，膜片采用石蜡环向一周固定在内挡环上，相对于胶水粘接方式来说，当喷射物质撞击膜片时，能在瞬间破环石蜡的粘接效果，使膜片处于自由状态，实现Asay膜静态固定、动态悬置的半悬置式固定效果，因此，测试膜片被喷射物质撞击而发生的物理运动状态以及获得的动量大小可视为不受连接、固定等因素影响而损失。
进一步的，所述高隔离度环形器采用隔离度小于-65dB的环行器。高隔离度环形器的使用可以有效的消除外差基频信号。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明通过优化Asay膜探针的探测过程，利用光的干涉对膜片运动速度进行精确的测量，并通过实现Asay膜探针静态时保持固定，动态时近似自由状态的性能，有效提升了Asay膜探针的低速段测试能力及响应灵敏度。
(2)本发明中内挡环、金属外壳、低回损光纤准直器之间全部使用环氧胶固定，确保了低回损半悬置式Asay膜的在未被喷射物质撞击前测试膜片与低回损光纤准直器相对位置固定且轴心重合。
(3)本发明采用石蜡粘接膜片和内挡环，实现Asay膜静态固定、动态悬置的半悬置式固定效果，因此，测试膜片被喷射物质撞击而发生的物理运动状态以及获得的动量大小可视为不受连接、固定等因素影响而损失。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明低回损半悬置式Asay膜探针工作原理图；
图2为本发明低回损半悬置式Asay膜探针结构示意图；
图3为本发明Sn飞片爆轰加载实验示意图
附图标记所表示的为：1-低回损光纤准直器，2-金属外壳封装，3-内挡环，4-测试膜片，5-粘结件，6-封装填充，7-雷管，8-炸药，9-飞片密实基体，10-微层裂区，11-低密度喷射区，12-低回损半悬置式Asay膜探针，13-接外差式测速系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，包括以下步骤：
S1：准备两台激光器，以其为第一激光器和第二激光器，所述第二激光器的激光波长大于第一激光器，并准备好合格的高隔离度环形器和低回损半悬置式Asay膜探针，低回损半悬置式Asay膜探针内设有低回损光纤准直器1；
S2：将第一激光器与高隔离度环形器的port1端口连接，第一激光器发出的探测光由高隔离度环形器的port1端口进入、port2端口出射后通过低回损光纤准直器1准直后汇聚在测试膜片4上并被膜片反射，反射光部分沿原路返回至低回损光纤准直器1，被低回损光纤准直器1接收，经高隔离度环形器port2端口进入、port3端口输出并传至光纤耦合器；
S3：当第一激光器的探测光进入光纤耦合器内时，打开所述第二激光器，发射激光进入光纤耦合器与第一激光器的激光形成干涉光，用光电探测器将干涉光的光信号转换成电信号，电信号发送到数据采集系统形成原始干涉信号的记录；
S4：用喷射物质撞击测试膜片4，第一激光器发出的探测光被膜片反射形成信号光，信号光沿原光路返回至光纤准直器，从光纤准直器传输到外差式激光干涉测速系统，并记录外差干涉信号；
S5：基于S3形成的原始外差干涉信号，利用多普勒频移原理，可以得到膜片运动速度，完成测速。
本实施例所述第一激光器采用1550nm波长激光器，第二激光器采用1550+Δλnm波长激光器，所述Δλ为相对于1550nm波长激光器的一个波长差。
由于Asay膜探针在工作时起始段膜片速度较低，在使用外差测速系统条件下，数据处理时会发生低速信号难以分辨的问题，其原因主要是因为有外差基频信号的存在。外差基频信号形成的原因主要有二：一是由于普通光纤准直器回损较大，会反射一部分1550nm波长激光到外差式测速系统；二是由于普通的环行器隔离度较差port1 to port3隔离度<-50dB，会有一部分1550nm波长激光直接由port1端口到port3端口进入外差式测速系统。两者的1550nm波长的激光同时进入外差式测速系统与1550+Δλnm波长参考光耦合产生一个波长差Δλ对应频率差Δf的稳定频率信号，该信号会一直存在于测试结果中。由于外差基频信号具有一定的宽度，干涉信号经短时窗口傅立叶变换后运动速度信号难以与外差基频信号区分开来，或者说速度信号淹没在外差基频信号当中，从而降低了Asay膜探针低速测试能力及响应灵敏度。
为了解决光纤准直器反射1550nm激光和环行器隔离度较差而产生基频信号的问题，经过多次实验验证，在保证正常Asay膜探针测试工作环境下，本实施例采用回损值小于-63dB的光纤准直器和采用隔离度小于-65dB的环行器，能够有效的消除外差式测速系统中的因准直器回损大和环行器隔离度较差产生的外差基频信号，提高了测试系统对Asay膜探针膜片的低速测试能力及Asay膜探针的响应灵敏度。
实施例2：
如图1～2所示，本实施例在实施例1的基础上，所述低回损半悬置式Asay膜探针包括金属外壳封装2，在金属外壳封装2内套设有低回损光纤准直器1，在金属外壳封装2内的底部设有半悬置托盘，半悬置托盘与金属外壳封装2固定连接，在半悬置托盘内放置有测试膜片4，所述测试膜片4与半悬置托盘固定，在半悬置托盘中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装2并延伸到金属外壳封装2外。
实施例3：
如图1～2所示，本实施例在实施例1或2的基础上，所述低回损光纤准直器1与金属外壳封装2之间设有封装填充6，封装填充6充满低回损光纤准直器1与金属外壳封装2之间的间隙；所述封装填充6为环氧胶，低回损光纤准直器1与金属外壳封装2通过环氧胶固定。
实施例4：
如图1～2所示，本实施例在实施例1～3的基础上，所述半悬置托盘包括内挡环3，所述内挡环3与所述金属外壳封装2固定，内挡环3的中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装2并延伸到金属外壳封装2外，所述测试膜片4覆盖在通孔的上方，测试膜片4的下表面与内挡环3之间设有粘接件5，测试膜片4与内挡环3通过粘接件5固定连接；所述粘接件5为石蜡。
为验证本实施例的具体测速效果，为本实施例设计爆轰加载试验，在爆轰实验中，将低回损半悬置式Asay膜探针12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，由于爆轰装置装配需要，爆轰装置需要经过翻转、倒放及运输。整个装配运输过程中，经静态测试Asay膜探针的膜片均能保持固定，达到了一个良好的静态工况；爆轰装置主要由雷管7、炸药8和Sn飞片三部分组成，雷管7引爆炸药8，炸药8爆轰对Sn飞片进行加载，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，形成表面喷射物质，并在随后的反射拉伸波作用下发生微层裂而产生微层裂物质，其分布方式为喷射物质在上，微层裂物质在下，由下向上分布为飞片密实基体9、微层裂区10和低密度喷射区11，如图3所示。喷射物质产生后都以超高速度向上运动。
在喷射物质开始撞击低回损半悬置式Asay膜探针12下端面，由于低回损半悬置式Asay膜探针12的测试膜片4采用石蜡环向一周固定在内挡环3上，内挡环3、金属外壳、低回损光纤准直器1之间全部使用环氧胶水固定，确保了低回损半悬置式Asay膜的在未被喷射物质撞击前测试膜片4与低回损光纤准直器1相对位置固定且轴心重合。而石蜡的熔点低、粘接强度小，当喷射物质撞击膜片时能在极短时间内破环石蜡的粘接效果，使膜片处于自由状态，实现Asay膜静态固定、动态悬置的半悬置式固定效果。因此，测试膜片4被喷射物质撞击而发生的物理运动状态以及获得的动量大小可视为不受连接、固定等因素影响而损失。随后Asay膜探针的测试界面，即测试膜片4，开始向上运动，膜片所携带的喷射物质信息产生的信号光由低回损光纤准直器1经由高隔离度环行器port2、port3后从接外差式测速系统13处进入外差式测速系统中与另一1550+Δλnm激光器发射的激光(参考光)进入光纤耦合器进行干涉形成干涉光。该干涉光具有Δf的初始高频率，高频信号携带更为精确的速度信息，从而提高了Asay膜探针的速度分辨能力。最后，干涉光信号被光电探测器探测并转换为电信号，电信号进一步被数据采集系统采集，并完成原始干涉信号的记录。
由于Asay膜探针在工作时起始段膜片速度较低，在使用外差测速系统条件下，数据处理时会发生低速信号难以分辨的问题，其原因主要是因为有外差基频信号的存在。外差基频信号形成的原因主要有二：一是由于普通光纤准直器回损较大，会反射一部分1550nm波长激光到外差式测速系统；二是由于普通的环行器隔离度较差port1 to port3隔离度<-50dB，会有一部分1550nm波长激光直接由port1端口到port3端口从接外差式测速系统13处进入外差式测速系统。两者的1550nm波长的激光同时从接外差式测速系统13处进入外差式测速系统与1550+Δλnm波长参考光耦合产生一个波长差Δλ对应频率差Δf的稳定频率信号，该信号会一直存在于测试结果中。由于外差基频信号具有一定的宽度，干涉信号经短时窗口傅立叶变换后运动速度信号难以与外差基频信号区分开来，或者说速度信号淹没在外差基频信号当中，从而降低了Asay膜探针低速测试能力及响应灵敏度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备两台激光器，以其为第一激光器和第二激光器，所述第二激光器的激光波长大于第一激光器，并准备好合格的高隔离度环形器和低回损半悬置式Asay膜探针，低回损半悬置式Asay膜探针内设有低回损光纤准直器(1)；
S2：将第一激光器与高隔离度环形器的port1端口连接，第一激光器发出的探测光由高隔离度环形器的port1端口进入、port2端口出射后通过低回损光纤准直器(1)准直后汇聚在测试膜片(4)上并被膜片反射，反射光部分沿原路返回至低回损光纤准直器(1)，被低回损光纤准直器(1)接收，经高隔离度环形器port2端口进入、port3端口输出并传至光纤耦合器；
S3：当第一激光器的探测光进入光纤耦合器内时，打开所述第二激光器，发射激光进入光纤耦合器与第一激光器的激光形成干涉光，用光电探测器将干涉光的光信号转换成电信号，电信号发送到数据采集系统形成原始干涉信号的记录；
S4：用喷射物质撞击测试膜片(4)，第一激光器发出的探测光被膜片反射形成信号光，信号光沿原光路返回至光纤准直器，从光纤准直器传输到外差式激光干涉测速系统，并记录外差干涉信号；
S5：基于S3形成的原始外差干涉信号，利用多普勒频移原理，可以得到膜片运动速度，完成测速。
2.根据权利要求1所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述第一激光器采用1550nm波长激光器，第二激光器采用1550+Δλnm波长激光器，所述Δλ为相对于1550nm波长激光器的一个波长差。
3.根据权利要求1所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述低回损半悬置式Asay膜探针包括金属外壳封装(2)，在金属外壳封装(2)内套设有低回损光纤准直器(1)，在金属外壳封装(2)内的底部设有半悬置托盘，半悬置托盘与金属外壳封装(2)固定连接，在半悬置托盘内放置有测试膜片(4)，所述测试膜片(4)与半悬置托盘固定，在半悬置托盘中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装(2)并延伸到金属外壳封装(2)外。
4.根据权利要求3所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述低回损光纤准直器(1)与金属外壳封装(2)之间设有封装填充(6)，封装填充(6)充满低回损光纤准直器(1)与金属外壳封装(2)之间的间隙。
5.根据权利要求4所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述封装填充(6)为环氧胶，低回损光纤准直器(1)与金属外壳封装(2)通过环氧胶固定。
6.根据权利要求3所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述半悬置托盘包括内挡环(3)，所述内挡环(3)与所述金属外壳封装(2)固定，内挡环(3)的中心开有通孔，所述通孔贯穿金属外壳封装(2)并延伸到金属外壳封装(2)外，所述测试膜片(4)覆盖在通孔的上方，测试膜片(4)的下表面与内挡环(3)之间设有粘接件(5)，测试膜片(4)与内挡环(3)通过粘接件(5)固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述粘接件(5)为石蜡。
8.根据权利要求1所述的一种基于低回损半悬置式Asay膜探针的喷射物质测量方法，其特征在于，所述高隔离度环形器采用隔离度小于-65dB的环行器。
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