基于临界弯曲光纤环的冲击波速度测量

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光纤既可以作为传输介质广泛应用于通讯和数据传输，也可以制成传感器广泛用于工程测量和自动控制系统中，其主要优点是频带宽、损耗低、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、体积孝重量轻、抗电磁干扰能力强、成本低廉、性能价格比高等。在爆炸冲击波测量方面，冲击波波面的走时特性对于分析xx和其它爆炸物的威力和效能具有重要作用。常用的压电法测量冲击波，测量探头为压电传感器，2000年日本的FukaE.对压电传感器的发展历程和最新进展进行了较全面的论述。在国内，压电传感器在冲击波测量方面已经取得了-些成功的应用，比如西北核技术研究所的林鹏[21在 闪光二号”加速器上成功测量了-种碳纤维编制复合材料中的冲击波波形。另外压电薄膜(PVDF)作为-种新型压电传感器在冲击波测量中也取得了-些较为成功的应用3，41。然而，由于压电传感器体积大、造价高、需要外加电源、抗电磁干扰能力弱，因此在某些电磁环境复杂的诚难以满足冲击波速度测量的需要。中国工程物理研究院流体物理研究所王荣波等在 两种光纤探针在冲击波作用下的时间响应特性”5]和 石英光纤探针在非金属材料冲击实验中的应用”6以及电子科技大学的李春花等在 光纤探针技术在冲击波测量中的应用”[7中介绍的采用光纤探针测量冲击波速度参数的装置，主要利用了石英光纤探针在受到高压冲击时产生自发光辐射的原理测量冲击波传输路径上的速度。该光纤探针具有不受电磁干扰、时间测量精度高等优点，但由于采用该方法，要产生自发光，必须在非常高的冲击压力 (通常为 GPa级)下才能实现，故该方法难以用于小威力爆炸试验中对于MPa及以下级压力冲击波速度参数的测量。本文介绍-种基于临界弯曲光纤环测量冲击波速度的测量装置，不仅具有探头体积孝重量轻、无需外加电源、抗电磁干扰能力强、反应灵敏、结构简单、性价比高等优点，而且具有非稠的测量范围，既可测量GPa级冲击波，也可测量1ViVa级及其以下级的冲击波速度。

1 测量原理光纤主要包括纤芯和包层两部分，由于纤芯的折射率 I10大于包层的折射率 n1，通常状况下当光以小于临界角e0的入射角0。从纤芯射向包层时，满足全反射定律，反射光重新折回纤芯继续向前传播[剐。光在直光纤中传播示意图如图 1所示。

包.I基图1光在直光纤中的传播这里临界角e。表示该光纤满足全反射条件可接受光的最大入射角，对于阶跃折射率光纤其数值孔径 NA可以定义为： √(咒 -砰)sin0o ( )可见最大入射角0o和光纤的数值孔径 NA是光纤固有的参数，仅撒于光纤纤芯和包层的折射率。光纤的损耗主要包括：吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗等，目前通信用光纤正常状态下在 1.55 m波长损耗最低可达 0.2dB/km 以下9。然而-旦光纤受压或弯曲，原来在纤芯中传输的功率将部分地逸出纤芯形成损耗，如图2所示。对于弯曲到临界曲率半径的裸光纤环，任何外加的压力都将引起光纤插入损耗的急剧增大。

枣层 图2光在弯曲光纤中的传播如果预先给光纤中通入稳定的连续波激光，则-旦光纤受到压力，接收端都将因为光纤插入损耗剧增而出现-个急剧变化的脉冲信号，如图3所示，因为光纤的弹性，压力解除后损耗降低，接收端信号可恢复到原有水平。

I I： 整拣 ：0 襻.焉裁 ：l - 图3光纤因冲击波未折断情况下光接收端的功率变化曲线. 9-。

如果冲击波压力继续增大，则将引起裸光纤折断，结果接收端将仅出现-个急剧变化的跳变沿，接收端将无法接收到光源的输出信号，则输出为 0，如图4所示。

I 时间图4光纤因冲击波折断情况下光接收端的功率变化曲线2 系统组成冲击波速度测量装置如图5所示，主要由稳定光源、光纤分路器、输入光纤、光纤环探头、输出光纤、多路光电检测、数据采集与处理等部分组成。

图 5冲击波速度测量原理框图其中，稳定光源可采用通用的半导体激光器及其自动功率控制和自动温度控制电路构成，输出稳定的激光功率。波长选用 131Ohm或 1550nm即可。

光纤分路器把稳定光源输出的光信号平均分成多路输出，分配的路数主要决定于所需要测量冲击波速度的探头数。

为了防止光源、光电探测器、信号放大器以及数据采集与信号处理单元受冲击波的损坏，试验时只将光纤环探头放置在冲击波测量区域，而将其它部件放在远离爆炸冲击源的地方，中间通过输入光纤、输出光纤与光纤环探头相连。由于光纤环本身结构简单、成本低廉，易于制作，实验完毕后，只需重新制作光纤环即可进行下-次实验，因此可以大大降低试验成本。

光纤环探头如图6所示，主要包括弯曲到临界状态的光纤环 1、光纤环固定座2、延长杆3和立支架4。

光纤环由表面覆着涂覆层的裸光纤弯曲而成，其弯曲半径稍大于或等于该光纤的最小弯曲半径 To，该参数表征光纤最猩弯曲的程度，其值撒于光纤的实际材料和工艺。通常情况下光纤出厂时由厂家给出其最小弯曲半径参数。

光纤环的制作和固定方法是将裸光纤弯曲-圈后在光纤交叉的根部采用胶粘或绑扎，由于光纤本身的弹性，自然形成光纤环，再将其固定在固定座上，安装时，光纤环的弯曲方向迎向冲击波的传播方向。光纤环探头还包括与地面固定的立支架和与立支架上段垂直的延长杆。

牵者波万囱图 6光纤环探头结构示意图试验中，光纤环是通过立支架固定在地面上，为防止冲击波沿地面先传播到立支架引起支架晃动，影响后续到来沿空气传播的冲击波测量，故在立支架上伸出-根延长杆，延长杆的布置方向与冲击波的方向- 致，并迎着冲击波传播方向，光纤环固定在延长杆顶端，这样尽管冲击波在空气中传输速度稍慢，但传输距离短。冲击波在固体介质中传输速度快但到达对应光纤环固定立支架的距离长。延长杆的作用就是用于补偿冲击波在固体介质和空气介质传输速度差，确保同-爆炸源产生的冲击波在空气中首先传输到光纤环而后再到达固定该光纤环的固定立支架上。这样沿空气传播的冲击波先到达光纤环，产生下跳脉冲后，后续的干扰信号才能到达，确保了测量的可靠性和准确性。在冲击波传输方向，按照需要的间距位置布放光纤环，如图7所示。

冲由谈方向-------- ---- -图7冲击波速度测量原理图光纤环的轴向与冲击波传输方向垂直；光纤环受到冲击波的压力，损耗急剧增大，接收端对应光电探测器依次输出相应的脉冲信号。对冲击波传输路径上各个探测器依次产生的脉冲信号进行测量，即可获得冲击波依次经过这些探测器的走时。根据探测器的间距和对应走时，可以进-步得到冲击波在相应探测器之间的平均传输速度。

- - -七 ：(2)式中，v 为冲击波从探头i传输到探头k的平均速度，L为从探头i到探头k的传输距离，ti和tk分别为冲击波在探头 i和探头k产生脉冲的时刻。

3 工作过程首先由稳定光源输出光信号，经光纤分路器后把光功率均分到各路输入光纤，通过输入光纤进入位于测量位置的处于临界弯曲状态的光纤环，再经输出光纤进入接收端光电探测器进行光电检测和放大，最后通过数据采集和信号处理进行信号记录。冲击波到来前，整个光路损耗为-定值，通过光电检测和放大，信号接收端输出为-恒定的直流电压值。当冲击波达到光纤环位置时，由于冲击压力，光纤环的曲率半径发生变化，引起光纤损耗急剧增加，甚至出现断裂，这时光纤传感器会输出-个急剧变化前沿的跳变脉冲，甚至直接跳变为 OV(光纤断裂，再没有光信号到达光电探测器)，该急剧变化的跳变沿的起跳点就是冲击波到达该位置的时刻。由于光纤纤细、体积小的优点，试验中在冲击波传输路径上可以根据需要在多个位置布置多个光纤环，每-个光纤环对应-路光输入、传输和接收装置。这样当冲击波到来时，沿其传输方向上的光纤环依次受压，对应各路光电探测器按受压的时间顺序依次输出-系列的下跳脉冲，通过计算各下跳沿的时间即可获得冲击波通过预定位置的走时，根据光纤环布放位置的间距，即可得到冲击波在预定传输路径的平均速度。

4 实验验证在-个 PVC支撑的直线管道-端安装有 50gxx，光纤环探头分别距离xx爆心 400ram、800mm、1200mm、1600mm、2000mm处安装有 5只光纤环传感器，光纤采用常规 9um/125um单模光纤，光纤环由裸光纤弯曲制成，弯曲半径 10mm，光纤环通过立支架固定在 PVC管壁上，立支架上延长杆的长度为200mm，根据理论计算，到达传感器的冲击压力为 MPa级。实验结果表明，lus时间内，输出信号就由3V的高电压跳变为 0V的低电压，且没有恢复，表明光纤环在受冲击后 lus内折断，通过读取各光纤环下跳沿发生的时刻，即可获得冲击波速度，再结合实测的传感器之间的距离即可得到冲击波在各段距离上的传播平均速度，结果如图8所示。

S - 瓣 啊日 目 Iq 1： I ∞ 目搿 礴 ；党纤三两：探头蓬爆心的莲饔 e∞ 》图8实测各段距离冲击波平均速度可以看出，冲击波平均速度随传输距离的增加而降低。证明了该方法和测量装置可有效应用于 /V]Pa级压力下冲击波的走时参数测量。

5 结论本文介绍的基于临界弯曲光纤环探头的冲击波速度测量装置实现了 ]VlPa级压力冲击波速度参数的测量，具有广泛的适用性，其优点在于结构简单、响应灵敏、制作方便、成本低廉、抗电磁干扰能力强，试验中只需要对损坏的光纤环重新加工即可重复使用，大大降低了试验费用，该装置可作为同类冲击波速度和速度测量的参考。

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Email：zhaojw0824###sohu com陈邵武 (1970.)，男，汉，博士，副研究员，光纤传感，2009年毕业于西安交通大学，获博士学位。

Ema/l：cswwsc###126.corn宇文璀蕾 (1980.)，男，汉，本科，工程师，激光工程，2006年毕业于国防科技大学，获学士学位。