一種光纖光柵沖擊壓力傳感器及處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光纖光柵沖擊壓力傳感器及處理方法。
【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'tHof，L.K.Cheng， J.H.G.Schopltes,ff.C.Prinse.DynamicPressureMeasurementofShockWavesin ExplosivesbyMeansofaFiberBraggGratingSensor,Proc.ofSPIEVol.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，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：1)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"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1 ±0.1mm左右;4)所測沖擊壓力的峰值太小，約為 lGPa〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對利用不等臂光纖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，從而檢測相位差的測量方法存在的缺 點(diǎn)，提出一種邊孔光纖光柵傳感器來測量沖擊壓力。其具體
【發(fā)明內(nèi)容】
如下：
[0005] 1)將沖擊壓力引起光纖光柵的波長移動(dòng)(瞬態(tài)頻譜信號)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號，再通過 光電探測器和數(shù)字示波器完成信號記錄；
[0006] 2)采用色散傅里葉變換技術(shù)將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)頻譜信號，從而獲得沖擊壓力 引起光纖光柵的波長移動(dòng)。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種光纖光柵沖擊壓力傳感器包括：
[0009]激光器，用于產(chǎn)生重頻、飛秒光脈沖，其時(shí)域波形如圖2所示，其光譜如圖3所示。 [0010] 三端口環(huán)形器，用于通過三端口環(huán)形器第一端口接收激光器產(chǎn)生的飛秒激光脈沖 信號，并通過三端口環(huán)形器第二端口輸出；從三端口環(huán)形器第二端口輸出的光脈沖被邊孔 光纖光柵反射后，光譜將分裂為兩個(gè)窄"高斯"脈沖;其光譜形狀如圖4所示。當(dāng)邊孔光纖光 柵受到?jīng)_擊作用時(shí)，兩個(gè)窄"高斯"狀脈沖的波長間隔Αλ將發(fā)生改變;被邊孔光纖光柵反射 后的光脈沖從三端口環(huán)形器第二端口輸入，從三端口環(huán)形器第三端口輸出至放大及色散單 元；
[0011] 放大及色散單元，用于將三端口環(huán)形器第三端口輸出的光脈沖進(jìn)行放大，然后進(jìn) 行色散傅里葉變換將光脈沖的變換為時(shí)域信號后進(jìn)行二級放大，最后將放大后的時(shí)域信號 輸出至信號處理裝置；
[0012] 信號處理裝置，用于接收放大及色散單元輸出的時(shí)域信號，并通過信號處理裝置 的光電轉(zhuǎn)換器將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號處理裝置的示波器記錄電信號后， 再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)公式(1)計(jì)算沖擊波壓力：
[0013] Δλ=Κρ · Ρ (1)
[0014]其中兩個(gè)分尚的"尚斯?fàn)?光譜之間的波長間隔Αλ僅與沖擊波壓力ρ有關(guān)，Κρ為波 長-壓力常數(shù)，與邊孔光纖光柵的材料、結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。。
[0015]進(jìn)一步的，所述放大及延遲單元包括用于進(jìn)行信號放大的摻鉺光纖放大器、用于 信號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放大的后置拉曼放 大器。
[0016]進(jìn)一步的，所述號處理裝置的示波器記錄電信號后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)公式 (1)計(jì)算沖擊波壓力的具體過程是：
[0017]步驟21:示波器記錄的時(shí)域信號I(t)為周期信號，其周期Τ為飛秒激光器的重復(fù)頻 率的倒數(shù);第i個(gè)周期內(nèi)的時(shí)域信號Mt)與其對應(yīng)的頻域信號是Μλ)，并且時(shí)域信號的時(shí) 間t與頻域信號的波長λ有式(2)的關(guān)系：
[0018] (2)
[0019] 其中C為真空光速;λ〇為激光器的中心波長，λ為激光器的非中心波長，其介于中心 波長附近;Ζ為光纖長度;扮、說分別為為光纖在中心波長下的群速度的倒數(shù)和群速度色散；
[0020] 步驟22:設(shè)Mt)、〗#)的兩個(gè)分離"高斯"脈沖的間隔分別為八^、八\，則它們有 式(3)的關(guān)系。
[0021]
( 3 )
[0022] 式中，D為色散參量，其與群速度色散02的關(guān)系：
[0023]步驟23:根據(jù)公式（1)，將Μλ)的波長間隔ΔΜ除以波長-壓力常數(shù)ΚΡ，就可獲得該 周期內(nèi)的壓力Pi。
[0024]進(jìn)一步的，所述步驟22包括：
[0025]步驟221:將Ii(t)的兩個(gè)分離"高斯"脈沖峰值對應(yīng)的時(shí)刻tu、ti2帶入式(2)的右 邊，并將IiW與之對應(yīng)的兩個(gè)峰值波長Xil、Xi2帶入式⑵的左邊可得：
[0028] 步驟222:將式(5 )、式(4)的兩邊進(jìn)行相減，可得
[0026] ( 4.)
[0027] ( 5 )
[0029]
(.6):
[0030] 將式(6)左邊進(jìn)行變形，可得
[0031]
( 7 :):
[0032] 步驟223:將式(7)帶入式(6)的左邊可得：
[0033]
( 8 )
[0034]義
纟，則公式(8)變換為公式(3)，得到Δλ1:
[0035]
(3 )。
[0036] 進(jìn)一步的，所述激光器重復(fù)頻率為50ΜΗΖ~200MHz;線寬為50nm~lOOnm;平均功率 為50mW~200mW;脈沖的上升時(shí)間為lps~lOOfs;中心波長為1550nm。
[0037] 一種光纖光柵沖擊壓力處理方法包括：
[0038] 步驟1:通過激光器產(chǎn)生飛秒激光信號；
[0039] 步驟2:三端口環(huán)形器通過三端口環(huán)形器第一端口接收激光器產(chǎn)生的飛秒激光脈 沖信號，并通過三端口環(huán)形器第二端口輸出；從三端口環(huán)形器第二端口輸出的光脈沖被邊 孔光纖光柵反射后，光譜將分裂為兩個(gè)窄"高斯"脈沖，其光譜形狀如圖4所示。當(dāng)邊孔光纖 光柵受到?jīng)_擊作用時(shí)，兩個(gè)窄"高斯"脈沖的波長間隔Αλ將發(fā)生改變;被邊孔光纖光柵反射 后的光脈沖從三端口環(huán)形器第二端口輸入，從三端口環(huán)形器第三端口輸出至放大及色散單 元；
[0040] 步驟3:通過放大及延遲單元用于將三端口環(huán)形器第三端口輸出的光脈沖進(jìn)行放 大，然后進(jìn)行色散傅里葉變換將頻域信號變換為時(shí)域信號后進(jìn)行二級放大，最后將放大后 的時(shí)域信號輸出至信號處理裝置；
[0041] 步驟4:通過信號處理裝置接收放大及色散單元輸出的時(shí)域信號，并通過信號處理 裝置的光電轉(zhuǎn)換器將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號處理裝置的示波器記錄電信號 后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)公式(1)計(jì)算沖擊波壓力：
[0042] Δλ=ΚΡ·Ρ(1)
[0043] 其中兩個(gè)分離的"高斯"光譜之間的波長間隔△λ僅與沖擊波壓力Ρ有關(guān)，ΚΡ為波 長-壓力常數(shù)。
[0044] 進(jìn)一步的，所述放大及延遲單元包括用于進(jìn)行信號放大的摻鉺光纖放大器、用于 信號放大的前置拉曼放大器、進(jìn)行色散傅里葉變換的色散光纖以及用于信號放大的后置拉 曼放大器。
[0045]進(jìn)一步的，所述信號處理裝置的示波器記錄電信號后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù) 公式(1)計(jì)算沖擊波壓力的具體過程是：
[0046]步驟21:示波器記錄的時(shí)域信號I(t)為周期信號，其周期Τ為飛秒激光器的重復(fù)頻 率的倒數(shù);第i個(gè)周期內(nèi)的時(shí)域信號Mt)與其對應(yīng)的頻域信號是Μλ)，并且時(shí)域信號的時(shí)
[0047] 間t與頻域信號的波長λ有式(2)的關(guān)系：
⑴
[0048] 其中c為真空光速;λ〇為激光器的中心波長，λ為激光器的非中心波長，其介于中心 波長附近;Ζ為光纖長度;扮、說分別為為光纖在中心波長下的群速度的倒數(shù)和群速度色散；
[0049] 步驟22:設(shè)Mt)、〗#)的兩個(gè)分離"高斯"脈沖的間隔分別為八^、八\，則它們有 式(3)的關(guān)系。