CN114545018B - 一种光纤破片测速装置及测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤破片测速装置及测速方法，测速装置包括至少两个的测量光路、至少两个的光电转换装置、数据采集器、计算机、信号调理电路；本发明使用光信号作为时序测量的方法，本质安全，不会对火工品产生加热、加电等影响；本发明提出的基于光纤的时序测量技术抗干扰能力强，可在深水、强电磁干扰、辐照等环境使用，测量精度高；本发明采用光纤进行信号传输，试验现场布局更便捷，且光纤传输距离超长，不易出现信号衰减，保证了测量方法的可靠性和测量数据的可信度；本发明采用光纤的断裂作为检测信号，相比于传统电测法，光纤更容易断裂，测量速度范围更宽，且对于非金属破片，也可实现测量。

Description

一种光纤破片测速装置及测速方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种光纤破片测速装置及测速方法。

背景技术

武器系统的破片速度是评价其威力场的重要依据，安全、精确、可靠的破片速度测量方法为武器系统的研制及鉴定评估提供关键的数据支撑。

目前，国内的破片速度测量方法主要包括接触式和非接触式两大类。非接触式主要包括多普勒测速法、高速摄影法和激光光幕靶测速法等，由于应对多目标随机破片速度测量能力不足等缺点而在工程上应用有限。工程上应用最广泛的是接触式中的区截装置测速法，其基本原理是利用短路(开路)电缆断开(导通)时产生电平跳变的时序识别技术，测量破片依次击断两根分布在不同空间平面的靶板(导线布局制作而成)产生的电平跳变时间差，结合靶板距离即可计算出破片飞行速度。

上述传统接触式区截装置测速法的缺点及原因：

(1)电信号测量火工品非本质安全，存在安全隐患——实际应用中通常要求从待测产品(带火工品)起爆时刻开始测量，因此需将通电导线缠绕在产品表面，起爆瞬间导线断开，产生电平变化作为试验起始信号。在火工品表面缠绕带电导线，存在安全隐患，且试验安全窗口期短，导线加电产生的热量累积可能导致火工品表面温度升高，增加产品误触发的风险。

(2)电信号跳变过程复杂，测量结果不易判读——破片穿透靶板过程中与靶板接触不稳定，梳状靶内部导线不断重复连接、断开过程，导致测量信号电平不断跳变，不易分辨真正的信号。

(3)电信号易受干扰，容易误触发——传统接触式测速法内部通道间易存在相互串扰的现象，传输距离过长导致信噪比下降，以及环境电磁干扰等(如积雨云环境下)，易使导线上存在感应电势，从而引起信号误触发。

因此需要研发出一种光纤破片测速装置及测速方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种光纤破片测速装置及测速方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种光纤破片测速装置，包括：

至少两个的测量光路；一个测量光路安装在待测产品上；至少一个的测量光路作为测速靶设置；

至少两个的光电转换装置；光电转换装置的输入端与测量光路的一端连接，测量光路的另一端与光纤光源连接；

数据采集器；数据采集器的信号输入端分别与至少两个的光电转换装置的输出端连接；

计算机；计算机与数据采集器连接。

具体地，光纤破片测速装置还包括信号调理电路，信号调理电路的信号输入端分别与至少两个的光电转换装置的输出端连接；信号调理电路的信号输出端与数据采集器的信号输入端连接。

具体地，测量光路包括光纤环形器、传输光纤、第二光纤分路器、光纤跳线，光纤环形器的第一端口与光纤光源连接，光纤环形器的第二端口与传输光纤的第一端连接，传输光纤的第二端与第二光纤分路器的第一端连接，第二光纤分路器的第二端和第三端分别与光纤跳线的两端连接，光纤环形器的第三端口与光电转换装置的输入端连接。

优选地，光纤光源通过一第一光纤分路器分别与至少两个的测量光路内的光纤环形器的第一端口连接。

一种光纤破片测速方法，包括以下步骤：

S1、将一个测量光路内的光纤跳线缠绕在待测产品上；

S2、将另一个测量光路内的光纤跳线制作成测速靶；

S3、上电启动，数据采集器扫描光电转换装置输出信号；

S4、待测产品起爆，破片飞出，击断缠绕在待测产品上的光纤跳线，Ch1通道电平跳变；破片到达测速靶，击断另一个光纤跳线，Ch2通道电平跳变；

S5、计算破片从产品起爆飞行到测速靶的时间差ΔT；

ΔT＝t2-t1

其中，t1为Ch1通道电平跳变时间，t2为Ch2通道电平跳变时间；

S6、计算破片飞行速度V；

V＝S/(t2-t1)

其中，S为待测产品到测速靶之间的距离。

进一步地，测速靶的光纤跳线按照蛇形走线设置。

本发明的有益效果在于：

1.本发明使用光信号作为时序测量的方法，本质安全，不会对火工品产生加热、加电等影响；

2.本发明提出的基于光纤的时序测量技术抗干扰能力强，可在深水、强电磁干扰、辐照等环境使用，测量精度高。

3.本发明的线路连接时，采用光纤接头直接对接，相比于传统电测法的现场焊接，更安全、高效。

4.本发明采用光纤进行信号传输，试验现场布局更便捷，且光纤传输距离超长，不易出现信号衰减，保证了测量方法的可靠性和测量数据的可信度。

5.本发明采用的光缆进行测量信号传输，维护更容易，试验现场破片随机性较大，极易击穿线缆，而传统电缆的故障点排查困难，光纤采用背光反射计即可精确定位到故障点。

6.本发明采用光纤的断裂作为检测信号，相比于传统电测法，光纤更容易断裂，测量速度范围更宽，且对于非金属破片，也可实现测量。

附图说明

图1为现有技术示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的测量原理示意图；

图4是本发明的测量波形变化历程。

图中：1、光纤光源；2、第一光纤分路器；3、光纤环形器；4、传输光纤；5、光电二极管；6、第二光纤分路器；7、光纤跳线；8、信号调理电路；9、数据采集器；10、计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，一种光纤破片测速装置，包括：

两个测量光路；一个测量光路安装在待测产品(火工品的爆心)上；另一个测量光路作为测速靶设置；

两个光电二极管5(或其他光电转换装置)；光电二极管5的输入端与测量光路的一端连接，测量光路的另一端与光纤光源1连接；

数据采集器9；

计算机10；计算机10与数据采集器9连接；计算机10用于计算破片从产品起爆飞行到测速靶的时间差ΔT及破片飞行速度V的计算；

信号调理电路8；信号调理电路8的信号输入端分别与两个光电二极管5的输出端连接；信号调理电路8的信号输出端与数据采集器9的信号输入端连接。

如图2所示，测量光路包括光纤环形器3、传输光纤4、第二光纤分路器6、光纤跳线7，光纤光源1通过一第一光纤分路器2分别与至少两个的测量光路内的光纤环形器3的第一端口连接，光纤环形器3的第二端口与传输光纤4的第一端连接，传输光纤4的第二端与第二光纤分路器6的第一端连接，第二光纤分路器6的第二端和第三端分别与光纤跳线7的两端连接，光纤环形器3的第三端口与光电二极管5的输入端连接。

通过图2设计的光纤光路实现对光纤跳线7通、断状态识别，检测两条(可扩展多条，本实施例仅以两个通道为例进行阐述)光路上光纤跳线7断裂产生的通-断信号(光信号跳变)时间差，实现对破片触靶时间的测量，并结合现场位置信息，计算出破片速度。

光纤通-断导致的光路中断是本申请中捕捉时序信号的基本原理。系统上电工作时：如图2所示，光源发出的光经过第一光纤分路器2到达光纤环形器3(保证光的单向通过性)，并经传输光纤4、第二光纤分路器6后进入光纤跳线7，通过光纤跳线7的光成为反射光被第二光纤分路器6收集，经传输光纤4传入光纤环形器3，单向传输至光电二极管5，光信号转换成电压信号，由数据采集器9获取到具体电压值(与光信号强度成线性关系)。

一种光纤破片测速方法，包括以下步骤：

S1、将一个测量光路内的光纤跳线7缠绕在待测产品的爆心上；测速靶的光纤跳线7按照蛇形走线设置；

S2、将另一个测量光路内的光纤跳线7制作成测速靶；

S3、上电启动，数据采集器9扫描光电二极管5输出信号；

S4、待测产品起爆，破片飞出，击断缠绕在待测产品的爆心上的光纤跳线7，经一个光纤跳线7的反射光信号丢失，Ch1通道(第一通道)电平跳变；破片到达测速靶，击断另一个光纤跳线7，经另一个光纤跳线7的反射光信号丢失，Ch2通道(第二通道)电平跳变；

S5、计算破片从产品起爆飞行到测速靶的时间差ΔT；

ΔT＝t2-t1

其中，t1为Ch1通道电平跳变时间，t2为Ch2通道电平跳变时间；

S6、计算破片飞行速度V；

V＝S/(t2-t1)

其中，S为待测产品到测速靶之间的距离。

本发明中时序测量的三个过程(数据采集器9获取的各过程中的信号如图4所示)：

T0：测量系统搭建完成，上电启动，采集卡扫描光电二极管5输出信号；

T1：待测产品的爆心上的光纤跳线7断裂，这个光纤跳线7的反射光信号丢失，Ch1通道电平跳变；(如图3所示)

T2：作为测速靶的光纤跳线7断裂，这个光纤跳线7的反射光信号丢失，Ch2通道电平跳变。(如图3所示)

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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光纤破片测速装置，其特征在于，包括：

至少两个的测量光路；一个测量光路安装在待测产品上；至少一个的测量光路作为测速靶设置；

至少两个的光电转换装置；光电转换装置的输入端与测量光路的一端连接，测量光路的另一端与光纤光源连接；

数据采集器；数据采集器的信号输入端分别与至少两个的光电转换装置的输出端连接；

计算机；计算机与数据采集器连接；

测量光路包括光纤环形器、传输光纤、第二光纤分路器、光纤跳线，光纤环形器的第一端口与光纤光源连接，光纤环形器的第二端口与传输光纤的第一端连接，传输光纤的第二端与第二光纤分路器的第一端连接，第二光纤分路器的第二端和第三端分别与光纤跳线的两端连接，光纤环形器的第三端口与光电转换装置的输入端连接；

光纤光源通过一第一光纤分路器分别与至少两个的测量光路内的光纤环形器的第一端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤破片测速装置，其特征在于，光纤破片测速装置还包括信号调理电路，信号调理电路的信号输入端分别与至少两个的光电转换装置的输出端连接；信号调理电路的信号输出端与数据采集器的信号输入端连接。

3.一种采用权利要求1或2所述的光纤破片测速装置的破片测速方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将一个测量光路内的光纤跳线缠绕在待测产品上；

S2、将另一个测量光路内的光纤跳线制作成测速靶；

S3、上电启动，数据采集器扫描光电转换装置输出信号；

S4、待测产品起爆，破片飞出，击断缠绕在待测产品上的光纤跳线，Ch1通道电平跳变；破片到达测速靶，击断另一个光纤跳线，Ch2通道电平跳变；

S5、计算破片从产品起爆飞行到测速靶的时间差ΔT；

ΔT=t2-t1

其中，t1为Ch1通道电平跳变时间，t2为Ch2通道电平跳变时间；

S6、计算破片飞行速度V；

V=S/(t2-t1)

其中，S为待测产品到测速靶之间的距离。

4.根据权利要求3所述的一种光纤破片测速方法，其特征在于，测速靶的光纤跳线按照蛇形走线设置。