一種光纖光柵沖擊壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本實(shí)用新型涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光纖光柵沖擊壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在沖擊波物理、爆轟物理領(lǐng)域內(nèi)，精確測量沖擊壓力對材料的物態(tài)方程及本構(gòu)關(guān)系、含能炸藥的燃燒?爆轟轉(zhuǎn)換、高能炸藥沖擊起爆和爆轟性能、材料的沖擊相變和材料動(dòng)態(tài)損傷及斷裂等研究具有重要意義。精確測量介質(zhì)內(nèi)的沖擊壓力對常規(guī)武器設(shè)計(jì)技術(shù)、破壞效應(yīng)研究和新型材料研究具有直接的參考意義。
[0003]文獻(xiàn)〈利用光纖光柵傳感器測量炸藥內(nèi)的沖擊壓力>(P.G.Van’t Hof,L.K.Cheng, J.H.G.Schopltes, ff.C.Prinse.Dynamic Pressure Measurement of ShockWaves in Explosives by Means of a Fiber Bragg Grating Sensor,Proc.0f SPIEVol.6279, 62791Y, (2007) 0277-786/07.)報(bào)導(dǎo)了利用不等臂光纖 Mach-Zehnder 干涉裝置，將沖擊壓力引起光纖光柵的波長移動(dòng)轉(zhuǎn)換為干涉信號(hào)，從而檢測相位差的測量方法。該文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的所測沖擊壓力峰值約為lGPa，系統(tǒng)時(shí)間分辨本領(lǐng)為亞微秒量級。該技術(shù)存在以下不足:I)系統(tǒng)時(shí)間分辨本為亞微秒量級，對快沖擊過程很難完全響應(yīng)，造成信號(hào)“失真”，甚至“丟失”；2)需要預(yù)先精確標(biāo)定壓力-體積曲線，否則無法計(jì)算出沖擊壓力；3)很難精確地將不等臂光纖Mach-Zehnder干涉裝置的光程差控制在I ±0.1 mm左右;4)所測沖擊壓力的峰值太小，約為IGPa。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，通過激光器、三端口環(huán)形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號(hào)處理裝置，完成檢測沖擊壓力引起的光纖光柵的波長移動(dòng)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，再通過信號(hào)處理裝置的光電探測器和數(shù)字示波器完成信號(hào)記錄。
[0005]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種光纖光柵沖擊壓力傳感器包括用于產(chǎn)生重頻飛秒激光信號(hào)的激光器;用于激光信號(hào)傳遞的三端口環(huán)形器、用于信號(hào)處理的放大及色散單元、用于反射光信號(hào)的邊孔光柵光纖以及用于數(shù)據(jù)處理的信號(hào)處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環(huán)形器第一端口，三端口環(huán)形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環(huán)形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號(hào)處理裝置連接。
[0007]進(jìn)一步的，所述放大及色散單元包括用于進(jìn)行信號(hào)放大的摻鉺光纖放大器、用于信號(hào)放大的前置拉曼放大器、進(jìn)行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號(hào)放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環(huán)形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。
[0008]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器、采集電信號(hào)的不波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉(zhuǎn)換器輸入端連接;光電轉(zhuǎn)換器輸出端、示波器依次連接。
[0009]進(jìn)一步的，所述激光器重復(fù)頻率為50 MHZ?200 MHz;線寬為50nm?100 nm;平均功率為50 mff -200 mW;脈沖的上升時(shí)間為Ips?100 fs;中心波長為1550nm。
[0010]進(jìn)一步的，所述當(dāng)激光器是重頻鎖模飛秒激光器;重復(fù)頻率為100MHz;線寬約為50nm;平均功率約為100 mW;脈沖的上升時(shí)間為100 fs;中心波長為1550nm。
[0011]進(jìn)一步的，所述邊孔光纖光柵的光柵長度范圍為2mm?10mm;波長-壓力常數(shù)范圍為I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波長1550 nm
[0012]進(jìn)一步的，所述邊孔光纖光柵的光柵長度為5mm;波長-壓力常數(shù)為5 nm/GPa;中心波長1550 nm。
[0013]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0014]I)本傳感器的可測峰值壓力提高到10 GPa左右(可測壓力峰值為激光器的線寬/邊孔光纖光柵的壓力-波長常數(shù))，擴(kuò)大了光纖光柵壓力傳感器的測量范圍。
[0015]2)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ns(系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為激光器重復(fù)頻率的倒數(shù))左右，可較為真實(shí)地響應(yīng)沖擊過程；
[0016]3)本傳感器采用的邊孔光纖光柵的波長移動(dòng)僅與沖擊壓力有線性關(guān)系，而與溫度無關(guān)，因此該傳感器不需要標(biāo)定壓力-體積曲線。
【附圖說明】

[0017]本實(shí)用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0018]圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0020]主要元器件的技術(shù)指標(biāo)如下:
[0021]a)本實(shí)用新型中的激光器為重頻鎖模飛秒激光器，其主要技術(shù)參數(shù)為:I)重復(fù)頻率:50 MHZ?200 MHz;2)線寬:50nm?100 nm;3)平均功率:50 mff?200 mW;4)脈沖的上升時(shí)間:50fs~1000 fs;中心波長:1550nm。
[0022]b)3端口光環(huán)形器的主要技術(shù)指標(biāo)為:1)線寬:50nm?100 nm;2)回波損耗>50dB;3)中心波長1550 nm0
[0023]c)邊孔光纖光柵的主要技術(shù)指標(biāo)為:I)光柵長度:2mm?10 mm;2)波長-壓力常數(shù)為I nm/GPa ~10 nm/GPa;3)中心波長 1550 nm。
[0024]d)摻鉺光纖放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為:1)增益:30dB?50dB;2)噪聲:<2dB;3)中心波長 1550 nm。
[0025]e)拉曼放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為:I)增益:>1dB;2)噪聲:<IdB;3)中心波長1550 nm;4工作波段:C波段。
[0026]f)光纖的主要技術(shù)指標(biāo)為:I )群速度色散:17.4 ps nm_l km_l(中心波長1550nm) ;3)群速度:2.04X 18 m/s(中心波長 1550 nm)。
[0027]g)光電探測器的主要技術(shù)指標(biāo)為:1)帶寬:>15 GHz;2)增益:>1000 V/W;3工作波長范圍:800nm?1700nmo
[0028]h)數(shù)字示波器的主要技術(shù)指標(biāo)為:1)帶寬:>12.5 GHz;2采樣率:>50 GS/s;3)記錄長度:>10 M Samples。
[0029]工作原理:如圖1所述，激光器的每個(gè)脈沖經(jīng)過3端口光環(huán)形器的第一端口進(jìn)入第二端口和受沖擊作用的邊孔光纖光柵。光脈沖被邊孔光纖光柵反射后，再從第三端口光環(huán)形器的第二端口進(jìn)入第三端口，被摻鉺光纖放大器、前置拉曼放大器進(jìn)行預(yù)放，然后進(jìn)入單模光纖進(jìn)行色散傅里葉變換，同時(shí)被后置拉曼放大器進(jìn)行光放大。最后，完成色散傅里葉變換后的信號(hào)被光電探測器、示波器記錄。
[0030]一種光纖光柵沖擊壓力傳感器包括用于產(chǎn)生重頻飛秒激光信號(hào)的激光器;用于激光信號(hào)傳遞的三端口環(huán)形器、用于信號(hào)處理的放大及色散單元、用于反射光信號(hào)的邊孔光柵光纖以及用于數(shù)據(jù)處理的信號(hào)處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環(huán)形器第一端口，三端口環(huán)形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環(huán)形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號(hào)處理裝置連接。其中所述放大及色散單元包括用于進(jìn)行信號(hào)放大的摻鉺光纖放大器、用于信號(hào)放大的前置拉曼放大器、進(jìn)行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號(hào)放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環(huán)形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。
[0031]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器、采集電信號(hào)的不波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉(zhuǎn)換器輸入端連接;光電轉(zhuǎn)換器輸出端、示波器依次連接。
[0032]本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。
[0033]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于包括用于產(chǎn)生重頻飛秒激光信號(hào)的激光器;用于激光信號(hào)傳遞的三端口環(huán)形器、用于信號(hào)處理的放大及色散單元、用于反射光信號(hào)的邊孔光柵光纖以及用于數(shù)據(jù)處理的信號(hào)處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環(huán)形器第一端口，三端口環(huán)形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環(huán)形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號(hào)處理裝置連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述放大及色散單元包括用于進(jìn)行信號(hào)放大的摻鉺光纖放大器、用于信號(hào)放大的前置拉曼放大器、進(jìn)行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號(hào)放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環(huán)形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊包括將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器、采集電信號(hào)的示波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉(zhuǎn)換器輸入端連接;光電轉(zhuǎn)換器輸出端、不波器依次連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述激光器重復(fù)頻率為50 MHZ?200 MHz;線寬為50nm?100 nm;平均功率為50 mff?200 mW;脈沖的上升時(shí)間為Ips?100 fs;中心波長為1550nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述當(dāng)激光器是重頻鎖模飛秒激光器;重復(fù)頻率為10MHz;線寬約為50 nm;平均功率約為100 mW;脈沖的上升時(shí)間為100 fs;中心波長為1550nmo6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述邊孔光纖光柵的光柵長度范圍為2mm?10 mm;波長-壓力常數(shù)范圍為I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波長1550 nmD7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述邊孔光纖光柵的光柵長度為5 mm;波長-壓力常數(shù)為5 nm/GPa;中心波長1550 nm。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光纖光柵沖擊壓力傳感器。本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，通過激光器、三端口環(huán)形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號(hào)處理裝置，完成檢測沖擊壓力引起的光纖光柵的波長移動(dòng)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)，再通過信號(hào)處理裝置的光電探測器和數(shù)字示波器完成信號(hào)記錄。本實(shí)用新型包括激光器、三端口環(huán)形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號(hào)處理裝置；所述激光器輸出端與三端口環(huán)形器第一端口，三端口環(huán)形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接；三端口環(huán)形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接；放大及色散單元的輸出端與信號(hào)處理裝置連接。
【IPC分類】G01L5/00, G01L1/24
【公開號(hào)】CN205384110
【申請?zhí)枴緾N201521101340
【發(fā)明人】鄧向陽
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月28日