陳　顯， 徐　芬， 余尚江， 楊吉祥

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽(yáng) 471023；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

基于F-P原理的非本征型光纖爆炸動(dòng)壓傳感器設(shè)計(jì)

陳顯1， 徐芬2， 余尚江1， 楊吉祥1

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽(yáng) 471023；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

摘要:設(shè)計(jì)了一種非本征型光纖法布里—珀羅(F—P)爆炸壓力傳感器，傳感器采用膜片式結(jié)構(gòu),采用三波長(zhǎng)法對(duì)F—P信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。壓力加載試驗(yàn)表明，研制的F—P壓力傳感器線(xiàn)性度較好，具有較高的頻響特性，在實(shí)際的爆炸測(cè)試中不受電磁干擾影響，可用于爆炸動(dòng)壓測(cè)量。

關(guān)鍵詞：非本征光纖； 法布里—珀羅； 壓力傳感器； 爆炸測(cè)量

0引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái),光纖傳感器伴隨著低損耗光纖的誕生和光纖通信技術(shù)的進(jìn)步而迅猛發(fā)展[1,2]。根據(jù)光纖在傳感器中起到的作用，光纖法布里—珀羅(Fabry—Perot,F—P)傳感器可分為本征型和非本征型光纖傳感器。本征型F—P傳感器中，兩反射面之間的干涉腔由單模光纖構(gòu)成；非本征型光纖F—P傳感器中，干涉腔由空氣或其它非光纖的固體介質(zhì)構(gòu)成。

自1991年，Murphy A等人[3]首次成功實(shí)現(xiàn)了基于光纖非本征型法布里—珀羅干涉(extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric，EFPI)腔結(jié)構(gòu)的光纖傳感器件以來(lái)，由于非本征型光纖F—P傳感器具有易于減小參量間的交叉敏感、便于調(diào)整靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)的EFPI光纖應(yīng)變傳感器得到了快速發(fā)展[4～9]。

爆炸環(huán)境下的動(dòng)壓測(cè)量由于壓力大、頻率高、易產(chǎn)生爆炸感生電磁干擾，一直是測(cè)試技術(shù)的一大難點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種光纖F—P壓力傳感器，并用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1傳感器封裝結(jié)構(gòu)

基于EFPI光纖傳感器的實(shí)用障礙主要在于難以制作高質(zhì)量的微小非本征光纖F—P腔。在已有的報(bào)導(dǎo)中，大部分是通過(guò)空心管或空心光纖來(lái)準(zhǔn)直入射光纖與反射光纖形成F—P腔，但由于光纖的外徑為125 μm，空心管的內(nèi)徑在130～140 μm之間，兩者相差小，插入非常困難。制作的難點(diǎn)是:在將光纖插入空心管的過(guò)程中，光纖端面非常容易和空心管的端口接觸，這樣就會(huì)破壞光纖端面，即使光纖插入空心管中，兩光纖端面也無(wú)法保證原有的平整度，也就無(wú)法保證光在兩光纖端面之間的反射的正常進(jìn)行。這種制作方式制作速度和成功率較低。

為解決F—P腔的制作難題，采用如圖1所示的彈性膜片與光纖端面形成F—P腔的結(jié)構(gòu)形式。

圖1　F—P腔原理示意圖Fig 1　Principle of F—P cavity

設(shè)計(jì)的光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器主要由F—P腔結(jié)構(gòu)和安裝殼體結(jié)構(gòu)，采用螺紋后端面密封。F—P腔結(jié)構(gòu)包括敏感膜片體、固定螺桿、導(dǎo)向定位毛細(xì)管和光纖；安裝殼體結(jié)構(gòu)為M12×1的螺紋殼體，在螺紋的后部設(shè)置端面，端面上開(kāi)環(huán)形槽放置密封墊以便在校準(zhǔn)和使用時(shí)傳感器的密封。固定接頭用于固定光纖護(hù)套。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Structure of sensor

2光纖F—P傳感器的解調(diào)

本傳感器采用三波長(zhǎng)解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)[10,11]。三個(gè)波長(zhǎng)分別為λ1，λ2，λ3的激光光源經(jīng)3×3耦合器混合后，由光環(huán)行器進(jìn)入光纖F—P傳感器，傳感器返回光經(jīng)光濾波器后又分為三路波長(zhǎng)為λ1，λ2，λ3的光，三路光經(jīng)光電管檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集后進(jìn)行處理，如圖3。

對(duì)于低反射率的光纖F—P傳感器，傳感器返回光的強(qiáng)度I可近似由下式的余弦函數(shù)表示

I=kI0(1+Vcosφ)

式中I0為輸入光強(qiáng)，k為F—P腔平均反射率，V為F—P腔干涉可見(jiàn)度，φ為F—P腔的相位，且φ=4πn/λ。

圖3　三波長(zhǎng)解調(diào)方案Fig 3　Three-wavelength demodulation scheme

對(duì)于腔長(zhǎng)為l的傳感器，可任選三路波長(zhǎng)分別為λ1,λ2,λ3的光，則傳感器對(duì)三路光的輸出之間的相位差為δ1,δ2。傳感器輸出的三路光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)為

(1)

聯(lián)立上式，可得

由此可見(jiàn)，根據(jù)測(cè)得的三路信號(hào)，可解調(diào)出相位φ，從而可得到傳感器的腔長(zhǎng)：l=λ1φ/(4πn)。

3傳感器靜態(tài)性能測(cè)試

靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)采用活塞壓力計(jì)作為壓力的產(chǎn)生裝置，以標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器作為壓力的指示儀器，其輸出的標(biāo)準(zhǔn)壓力可由表頭顯示，并可輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。光纖F—P壓力傳感器的輸出由研制的光纖F—P傳感器三波長(zhǎng)解調(diào)儀轉(zhuǎn)換、記錄和解調(diào)。靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4　靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置示意圖Fig 4　Diagram of static calibration experimental device

利用三路電壓信號(hào)采用三波長(zhǎng)法建立的解調(diào)輸出Φ與壓力P之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5　傳感器的解調(diào)輸出Fig 5　Demodulation output of sensor

擬合相關(guān)系數(shù)為0.999 61，由擬合曲線(xiàn)求得此傳感器的最大線(xiàn)性度誤差為δL=0.6 %。

4傳感器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)采用Φ100 mm激波管動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生階躍壓力，傳感器安裝于激波管尾部端面，測(cè)量激波在斷面上產(chǎn)生的反射壓力。

傳感器在階躍壓力作用下解調(diào)后的輸出如圖6所示。

圖6　光纖F—P傳感器階躍響應(yīng)Fig 6　Step response of fiber-optic F—P sensor

根據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可知，傳感器的階躍響應(yīng)上升時(shí)間小于2 μs(量程為5 MPa時(shí))，固有頻率大于200 kHz(量程為5 MPa時(shí))。

5爆炸壓力測(cè)試

為檢驗(yàn)該傳感器的性能，進(jìn)行了野外爆炸試驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。將傳感器安裝于鋼板的背面，炸藥吊裝位于鋼板的正上方，離鋼板一定距離爆炸，傳感器測(cè)量爆炸沖擊波作用于鋼板上的反射壓力。

試驗(yàn)在不同藥量和不同炸高下進(jìn)行了多炮次爆炸，測(cè)得的典型波形如圖7。

圖7　傳感器爆炸測(cè)試波形Fig 7　Waveform of sensor in explosion test

測(cè)量波形表明:該傳感器測(cè)量結(jié)果不受電磁干擾，波形較為平滑，能準(zhǔn)確反映爆炸正壓和負(fù)壓作用過(guò)程。

6結(jié)論

1)本文基于F—P原理研制了一種非本征型的爆炸動(dòng)壓傳感器，設(shè)計(jì)了其膜片結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)；2)采用三波長(zhǎng)法對(duì)F—P信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該解調(diào)方法是可行的；3)靜態(tài)加載試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)爆炸測(cè)試表明，研制的F—P壓力傳感器線(xiàn)性度較好，不受爆炸感生電磁干擾影響，測(cè)量波形平滑，可用于爆炸動(dòng)壓測(cè)量。

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Design of extrinsic optical fiber explosion dynamic pressure sensor based on Fabry-Perot principle

CHEN Xian1, XU Fen2, YU Shang-jiang1， YANG Ji-xiang1

(1.The third Academy of Engineer General Staff,Luoyang 471023,China;2.China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)

Abstract:An extrinsic fiber Fabry-Perot(F-P)explosion pressure sensor is designed,which has diaphragm type structure and F-P signal is demodulated with three-wavelength method.Pressure load experiments prove that the developed F-P pressure sensor has good linearity and high frequency response,and will not be influenced by electromagnetic interference,so it is able to be used in measurement of dynamic pressure of explosion.

Key words:extrinsic fiber; Fabry-Perot(F-P); pressure sensor; explosion measurement

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0076—03

收稿日期：2015—08—08

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0076—03

作者簡(jiǎn)介:

陳顯(1983-),男,湖北天門(mén)人,碩士,助理研究員,研究方向?yàn)榇鎯?chǔ)測(cè)試技術(shù)。