彭映成，郭 弦，陳 榮，邢園丁，黎小毛

(1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.國防科技大學理學院，湖南長沙 410073)

0 引言

在一些抗爆炸沖擊加固的場合，獲取加固材料中某些特定點的絕對位移和相對位移歷程顯得很重要。為了獲得位移參數(shù)曲線，一般采用加速度或者速度測量，然后通過積分獲取位移歷程。但對于準確性和可靠性要求較高的場合，由于積分帶來的誤差，特別是信號直流偏移帶來的累積誤差[1-3]，使得到的位移信號變得不可信。而對于某些材料內(nèi)部的特定點的位移測量，現(xiàn)有位移傳感器如電渦流位移傳感器等，由于傳感器需要安裝在靜止參考點上，并不適用。此外，出于安全的考慮，爆炸測量中儀器設備離測點都有較大的距離，一般的電測方法由于長傳輸線帶來的信號衰減、電磁干擾、帶寬限制等問題，使得瞬態(tài)測量變得困難,需要采取其他措施以克服上述問題[4]。

自全光纖位移干涉儀[5](all fiber displacement interferometer system for any reflector，AFDISAR)技術提出后，在沖擊波和爆轟波物理中的速度測量的研究中得到了大量應用[6-11]。Strand等[12]于2004年提出一種新型激光干涉測速技術，光子多普勒測速(photonic doppler velocimetry，PDV)，該技術系統(tǒng)結構簡單，測試精度可以達到或超過DISAR系統(tǒng)，已有許多成功應用[13-17]，有可能在大多數(shù)應用上代替DISAR。但無論是VISAR還是DISAR/PDV一般都用于高速測量，由于難以保持反射光路的穩(wěn)定，持續(xù)時間一般是ns或μs級。

為準確獲取混凝土抗爆炸沖擊加固層內(nèi)部在爆炸沖擊作用下的絕對位移，設計了PDV系統(tǒng)，系統(tǒng)采用長景深、較大的數(shù)值孔徑(NA)的非球面透鏡作為光學探頭，以獲得較大的位移測量范圍和較高的光返回率，提高抗振動干擾的能力。以PDV為基礎,設計了一種慣性滑塊式水平振動位移傳感器，具有穩(wěn)定的入射/反射光路，以實現(xiàn)全振動沖擊過程的測量。

1 慣性滑塊式水平位移傳感器設計

1.1 慣性滑塊式水平位移傳感器測量原理

當兩個物體上下水平疊放，且其接觸面摩擦系數(shù)極小時，一個物體水平運動，另一個物體在水平方向上，在一定誤差范圍內(nèi)若忽略摩擦力，則水平方向處于不受力狀態(tài)，可以看作靜止。基于以上原理，設計水平振動位移傳感器。

以剛性殼體、滑動套襯(與殼體通過螺桿相連)、光軸滑桿(在滑動套襯中自由滑動)、PDV系統(tǒng)探頭(非球面準直鏡，正對光軸滑塊安裝于殼體端面上)，構成位移測量傳感器。其結構見圖1，實物見圖2。

圖1 慣性滑塊式水平位移傳感器結構示意圖

圖2 傳感器實物圖

滑桿正對透鏡一側的端面粘貼反射鏡，以提高PDV反射光的接收率，這樣，當滑桿在套襯導軌中滑動時，PDV系統(tǒng)就能夠測量出滑桿相對于光學探頭的速度和位移。

將該傳感器放入被測材料(如混凝土)，當傳感器殼體在振動作用下隨外部混凝土運動時，傳感器支架與殼體共同運動，而由于滑桿與導軌間摩擦系數(shù)極小，其相對于大地參考系處于靜止狀態(tài)。

動摩擦力與質量成正比，速度對阻尼系數(shù)影響因素忽略，此時傳感器殼體相對于靜止參照系(大地)的絕對位移可由式(1)～式(4)得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：xo為滑桿相對于支座(殼體)的位移；xm為滑桿相對于大地的位移；C為滑桿與動摩擦系數(shù)，C=0.003。

在該模型中，C越小，xi與xo越接近，時間越長，誤差越大。為使摩擦系數(shù)盡可能小，選用低摩擦阻力，高靈敏性的SMA型滑動套襯與SN光軸滑塊作為滑動組件。則在運動持續(xù)時間30 ms內(nèi)，最大位移理論誤差為0.025 mm。

1.2 橫向靈敏度分析

在爆炸沖擊作用下，必然存在傳感器殼體的垂向運動，但由于這種運動對滑桿水平滑動影響很小，并且在垂直方向上，光學探頭與滑桿之間保持相對靜止，垂向靈敏度為0，因此對于水平位移的測量影響可以忽略。

1.3 光學探頭設計

在許多VISAR/PDV系統(tǒng)中，光學探頭一般選用GRIN型準直鏡，這種探頭能夠滿足多數(shù)應用需求，但也存在一定的問題：一方面，該類型探頭數(shù)值孔徑(NA)較小，接收被測物反射光的效率較低，另一方面，探頭必須放置在距被測物較近處，作用距離較短。本文選用非球面性準直鏡，經(jīng)實測，該透鏡在距目標8～12 cm范圍內(nèi)對反射光有較高接收效率，景深為±2 cm，能夠滿足多數(shù)情況下沖擊振動測量的要求。

2 測量系統(tǒng)設計

2.1 實驗裝置

實驗裝置由PDV系統(tǒng)與慣性滑塊式水平位移傳感器構成，見圖3。由于傳感器設計用于抗沖擊加固裝置內(nèi)部位移，系統(tǒng)與傳感器之間采用鎧裝光纜相連，以保證光信號安全傳輸，并且減小內(nèi)部光纖振動對光信號的影響，由于測量前端和傳輸線都是光路結構，系統(tǒng)完全不受爆炸產(chǎn)生的電磁干擾以及長線電磁干擾和衰減的影響。

圖3 實驗裝置示意圖

2.2 內(nèi)差式全光纖位移干涉測速系統(tǒng)設計

PDV測速系統(tǒng)由DFB激光器(波長為1 550 nm，光功率為200 mW可調(diào))、三端口環(huán)形器、光纖探頭(非球面準直鏡)、光電探測器(APD型，帶寬為2 GHz)、數(shù)字示波器(DPO4034，帶寬為350 MHz，采樣率為2.5 GSPS每通道)等構成，其結構見圖4，系統(tǒng)實物見圖5。光源發(fā)出的光一部分在光纖探頭端面發(fā)生反射(回光損耗)，作為參考光進入光循環(huán)器，另一部分通過非球面準直透鏡射向移動靶面，經(jīng)靶面反射，返回光纖探頭，返回的攜帶目標運動信息的散射光也進入光循環(huán)器，在光循環(huán)器中與參考光進行相干。則在光電探測器輸出端得到如下信號：

(5)

式中：I0為信號光強；I1為參考光強；φ0為表面開始運動以前輸出信號的初始相位。

圖4 PDV系統(tǒng)結構圖

圖5 PDV系統(tǒng)圖

根據(jù)多普勒頻移原理有：

(6)

式中：Δf=f1-f0為信號光與參考光的頻率差；v(t)為運動表面在任意時刻的速度；λ0為光源波長。

根據(jù)式(6)，當光源波長為1 550 nm，運動目標速度每變化1 m/s時，多普勒頻移為1.29 MHz。因此，只要計算出相干信號的頻率變化，就可得到被測運動目標表面的速度歷程。

基于示波器350 MHz的帶寬上限，系統(tǒng)測速范圍為-217～271 m/s。

速度信號從式(5)中的交流項(在圖像上表現(xiàn)為干涉條紋)提取的，當參考光強與反射光強大小相等[18]時，信號調(diào)制度最大，干涉條紋最為明顯，由于參考光由探頭端面的回光衰減率決定，不能調(diào)節(jié)，應用中需根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)反射光效率，使干涉條紋幅值最大。

3 沖擊加載實驗及結果分析

在抗沖擊加固混凝土墻內(nèi)距迎爆面不同距離處分別將2支慣性滑塊式水平位移傳感器埋入混凝土內(nèi)(測點1、2)，埋放時確保傳感器保持水平狀態(tài)，測量系統(tǒng)放置于距測點500 m處。

為了在采用短時傅里葉變換(STFT)時，提高信號的時頻分辨率，測量時應選取較大的采樣率，考慮到振動延續(xù)的時間，本實驗示波器采樣率設定為500 MSPS，采樣時間為40 ms。

在炸藥加載的情況下，PDV系統(tǒng)分別測得圖6、圖7所示的相干信號。從信號質量看，測點1的相干信號幅值較大，相干條紋明顯，測點2后半部分幅值較小，這說明測點1傳感器光路一直能保持穩(wěn)定，測點2則有所變化，但從干涉條紋看，兩者都條紋明顯，對進一步解析沒有影響。

圖6 測點1相干信號曲線

圖7 測點2相干信號曲線

采用短時傅里葉變換(STFT)對原始相干信號進行時頻信號分析，時間窗為131 072點，hann窗，窗重疊點數(shù)為114 688點，F(xiàn)FT長度為131 072點，由于STFT分析中的參數(shù)與被測信號的頻率成分相關，因此參數(shù)的選取并無統(tǒng)一標準，需要在計算時進行嘗試，以得到較為清晰的時頻信號。分析得到圖8、圖9所示的時頻信號。

圖8 測點1時頻信號曲線(STFT法)

圖9 測點2時頻信號曲線(STFT法)

時頻信號曲線中存在較為明顯的倍頻和多倍頻信號，這是由于激光器頻帶(線寬)較寬造成的，這會給信號的進一步解析(脊線提取)造成一定影響，解決的辦法是采用窄線寬激光器作為光源。

采用模極大值法對時頻信號進行脊線提取，并根據(jù)式(6)得到圖10、11所示的速度信號，需要指出的是，本文中的PDV系統(tǒng)并無速度判向功能，根據(jù)式(5)，無論正向速度，還是負向速度，只要數(shù)值相等都表現(xiàn)為同樣的頻率。因此，從脊線得到速度信號時，需要根據(jù)情況判斷脊線零點間的數(shù)值是否需要取反，從實際物理意義上看，速度不能出現(xiàn)突變，因此這也是合理的。

圖10 測點1速度信號

圖11 測點2速度信號

對速度信號進行積分得到圖12、圖13所示的位移信號，由于速度信號只與頻率(參考頻率與反射光頻率的差頻)相關，與光電信號幅值無關，因此不存在直流偏置，對其進行積分得到的位移信號，也不存在直流偏置帶來的累積誤差。

圖12 測點1位移信號

圖13 測點2位移信號

從2個測點所得到的位移信號看，測點1的位移首先出現(xiàn)上升，然后在某一位移處衰減振蕩，沒有回到原點，可以判斷該處混凝土在爆炸沖擊的作用下出現(xiàn)了2.5 mm的永久壓縮(塑性)；測點2位移在原點處振蕩并回到原點，振蕩頻率也低于測點1，說明該位置處于彈性區(qū)，振動位移的頻率隨著距迎爆面距離的增大而減小。

4 結論

本文基于PDV技術與慣性原理設計了慣性滑塊式水平位移傳感器，用于抗沖擊加固體內(nèi)部在爆炸沖擊作用下的動態(tài)位移測量。結果表明：

(1)系統(tǒng)傳感器滑桿結構與光路設計保證了較長時間的光路穩(wěn)定和較大的位移測量范圍，使系統(tǒng)能夠適用于較大沖擊載荷范圍下的位移測量。

(2)該系統(tǒng)實現(xiàn)了動態(tài)信號遠距離瞬態(tài)信號的測量，具有良好的抗電磁干擾和信號傳輸能力。