陳 顯，余尚江，周會(huì)娟，陳晉央

(1.軍委后勤保障部 工程兵科研三所，河南 洛陽(yáng) 471023;2.河南省特種防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471000)

0 引 言

爆炸條件下相關(guān)參數(shù)的測(cè)量一直是爆炸研究和應(yīng)用中十分重要的問(wèn)題，但由于爆炸環(huán)境的惡劣性以及復(fù)雜性，目前，對(duì)于爆炸壓力尤其是近爆區(qū)內(nèi)的壓力測(cè)量仍未很好地解決。目前，可用于爆炸近區(qū)壓力測(cè)量的傳感器不僅可選擇的種類(lèi)少，而且存在抗干擾能力差、適應(yīng)場(chǎng)合少等缺點(diǎn)。光纖法布里—珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、時(shí)間響應(yīng)快、單光纖信號(hào)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注，光纖F-P傳感器應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)合是測(cè)量應(yīng)變、溫度和壓力，其中,光纖式壓力傳感器大都應(yīng)用于靜態(tài)壓力及工業(yè)中的低頻壓力波動(dòng)測(cè)量，對(duì)于爆炸條件下的高頻響和大壓力的測(cè)量，還沒(méi)有開(kāi)展針對(duì)性的研究，也沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品，因此，需要從傳感器的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等方面開(kāi)展光纖壓力傳感器的研究[1～10]。

為此，基于F-P原理，本文設(shè)計(jì)了一種可用于大壓力測(cè)量的爆炸壓力傳感器，即支撐式結(jié)構(gòu)的光纖F-P傳感器。

1 傳感器封裝結(jié)構(gòu)

傳感器F-P腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2個(gè)鍍膜的陶瓷插芯端面構(gòu)成，圖中上部的陶瓷插芯由插芯托柄固定封裝于支撐圓柱體上，其端面鍍有反射率約為30 %的介質(zhì)膜作為F-P的一個(gè)反射面，下部的陶瓷插芯內(nèi)有光纖，其上光纖端面鍍有反射率約為8 %的介質(zhì)膜。當(dāng)支撐圓柱受到壓力作用壓縮變形時(shí)，兩陶瓷插芯端面形成的F-P腔腔長(zhǎng)變小，即被測(cè)外界壓力引起了F-P腔腔長(zhǎng)的變化。

圖1 支撐式F-P傳感器原理

支撐式光纖F-P傳感器整體結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2所示。傳感器主要由膜片體、陶瓷插芯、支撐圓柱、導(dǎo)向定位桿、保護(hù)桿及固定接頭等部分組成。

圖2 支撐式光纖F-P傳感器

2 光纖F-P傳感器的解調(diào)

傳感器采用三波長(zhǎng)解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)[11，12]。如圖3，3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3路波長(zhǎng)為λ1，λ2，λ3的光，3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。

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

I=kI0(1+Vcosφ)

(1)

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，φ=4πnl/λ。

圖3 三波長(zhǎng)解調(diào)方案

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

(2)

可得

(3)

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)

(4)

3 傳感器靜態(tài)性能測(cè)試

一般靜態(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

考慮逐點(diǎn)加載校準(zhǔn)耗時(shí)費(fèi)力，本文采用連續(xù)加卸載的方法進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)。具體方法為：1)根據(jù)光纖F-P壓力傳感器的量程，由活塞壓力計(jì)連續(xù)加載至最大壓力值；2)連續(xù)卸載回零。標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和光纖F-P壓力傳感器同時(shí)對(duì)壓力響應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的輸出和光纖F-P壓力傳感器經(jīng)三波長(zhǎng)變換后的輸出由存儲(chǔ)測(cè)試儀采集后存儲(chǔ)；3)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用三波長(zhǎng)法進(jìn)行解調(diào)。

校準(zhǔn)過(guò)程為：1)傳感器輸出的三路光經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換和放大后輸出三路電壓信號(hào)；2)記錄三路信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行正弦擬合，得到每路信號(hào)的幅度、相位信息；3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度和零位調(diào)整。調(diào)整后的電壓如圖5所示,加載時(shí)傳感器輸出如圖6所示。

圖5 傳感器調(diào)整后的三路輸出電壓

圖6 加載時(shí)傳感器輸出

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)系曲線如圖7所示。

圖7 傳感器解調(diào)輸出

可以看出:解調(diào)輸出與壓力之間存在較好的線性關(guān)系，無(wú)論是加載過(guò)程還是卸載過(guò)程，傳感器的靈敏度差異極小，且?guī)缀跻恢拢f(shuō)明傳感器本身穩(wěn)定性較好，具有較好的重復(fù)性，幾乎不存在遲滯。

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，如圖8。

圖8 光纖F-P傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置

傳感器在階躍壓力作用下解調(diào)后的輸出如圖9所示。

圖9 光纖F-P傳感器階躍響應(yīng)

根據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，研制的傳感器的階躍響應(yīng)上升時(shí)間小于2 μs，固有頻率大于100 kHz。

5 爆炸壓力測(cè)試

為檢驗(yàn)傳感器的性能，進(jìn)行了野外爆炸試驗(yàn)。將傳感器安裝于鋼板的背面，炸藥吊裝于鋼板的正上方，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，如圖10。

圖10 爆炸壓力測(cè)試

在不同藥量和不同炸高下進(jìn)行了多炮次爆炸試驗(yàn)，測(cè)得的典型波形如圖11。

圖11 傳感器爆炸測(cè)試波形

通常認(rèn)為，炸藥爆炸后，爆轟產(chǎn)物停止膨脹往回運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在脈沖的下降段末端產(chǎn)生負(fù)壓。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)基于F-P原理研制了一種支撐式爆炸動(dòng)壓傳感器，設(shè)計(jì)了其膜片結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)，量程50～500 MPa；

2)采用三波長(zhǎng)法對(duì)F-P信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過(guò)試驗(yàn)證明解調(diào)方法可行；

3)靜態(tài)加載試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)及爆炸試驗(yàn)表明：研制的F-P壓力傳感器線性度較好，回程誤差小，不受爆炸感生電磁干擾影響，測(cè)量波形平滑，是進(jìn)行爆炸動(dòng)壓測(cè)量的理想傳感器。

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