專利名稱：一種用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于沖擊波試驗(yàn)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的沖擊壓力傳感器有錳銅應(yīng)力計(jì)和PVDF薄膜、LiNbO2、石英晶體等壓電傳感器以及有源光纖壓力傳感器。錳銅壓力計(jì)的上限值在50GI^且時(shí)間響應(yīng)最快只能到20ns左右；石英晶體、LiNbO2等壓電傳感器雖具有較快的響應(yīng)，但在3GPa 4GPa時(shí)要發(fā)生相變，限制了其使用范圍；PVDF壓電計(jì)一般被用在以下的的測(cè)量領(lǐng)域；有源光纖壓力傳感器只能用于0. 5GPa以下的壓力測(cè)量并且響應(yīng)時(shí)間最快為微秒級(jí)，不能滿足沖擊波試驗(yàn)的要求。 對(duì)于50GPa以上沖擊壓力目前還沒(méi)有直接的測(cè)量方法。美國(guó)人Roeske. F在1994年報(bào)道了一種利用了石英光纖在沖擊作用下產(chǎn)生光輻射的特性工作的快響應(yīng)光纖探針技術(shù)，該探針響應(yīng)時(shí)間極快，可達(dá)到亞納秒，可以精確測(cè)量沖擊波到達(dá)探針的時(shí)間。但是，該探針僅僅只能測(cè)量沖擊到達(dá)時(shí)間并不能測(cè)量樣品的沖擊壓力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的壓力傳感器無(wú)法直接測(cè)量50GPa以上壓力的不足，本發(fā)明提供一種用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英沖擊壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，本發(fā)明的壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠測(cè)量30GPa到200GPa范圍內(nèi)的沖擊壓力，而且響應(yīng)時(shí)間在IOns以內(nèi)。本發(fā)明的用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括光纖傳感器及信號(hào)傳輸單元、窄帶濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、示波器。其中，光纖傳感器的一端埋入實(shí)驗(yàn)樣品中用于感應(yīng)實(shí)驗(yàn)樣品的沖擊波，光纖傳感器的另外一端與傳輸單元的一端連接，其作用是將測(cè)量的信號(hào)傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器。由于沖擊波與光纖相互作用存在雜散光，因此，在傳輸光纖與光電轉(zhuǎn)換器之間放置窄帶濾光片，主要是用于濾除信號(hào)光以外的雜散光，提取出系統(tǒng)所需的信號(hào)光。窄帶濾光片的一端與傳輸單元的一端連接，另外一端與光電轉(zhuǎn)換器一端連接，光電轉(zhuǎn)換器的主要作用是將測(cè)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換器的另外一端與示波器連接，示波器主要用于對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行分析。本發(fā)明中所述用作傳感器的石英光纖的芯徑為50mm 300mm，所述窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為532nm、通帶半高寬為lOnm，所述的光電轉(zhuǎn)換器采用光電倍增管，光電倍增管的上升時(shí)間為0. 8ns，光譜響應(yīng)范圍為500nm 600nm。本發(fā)明的用于無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)無(wú)需外加光源，它是利用石英光纖本身作為傳感元件，將其埋入待測(cè)樣品內(nèi)部，利用石英光纖在沖擊波作用下發(fā)光的特性工作，通過(guò)標(biāo)定獲得石英光纖的發(fā)光強(qiáng)度與沖擊壓力的關(guān)系，則通過(guò)示波器給出的信號(hào)就可以獲得沖擊波試驗(yàn)中樣品的沖擊壓力及其隨時(shí)間變化的曲線。
本發(fā)明是這樣解決其技術(shù)問(wèn)題的采用芯徑50m 300m的多模石英光纖作為傳感器件，將其埋入待測(cè)樣品中，在沖擊波作用下石英光纖會(huì)給出一個(gè)寬光譜的光脈沖信號(hào)，再通過(guò)中心波長(zhǎng)532nm、通帶半高寬IOnm的干涉濾光片限制進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光譜范圍， 以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，利用上升時(shí)間0. 8ns的光電倍增管將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，利用示波器將該電脈沖記錄下來(lái)，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)給出信號(hào)幅度和待測(cè)樣品沖擊壓力的關(guān)系，則通過(guò)示波器記錄的電脈沖信號(hào)幅度就可獲得樣品的沖擊壓力及其隨時(shí)間變化的曲線。采用本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)30GPa到200GPa的沖擊壓力測(cè)量，具有響應(yīng)時(shí)間短，干擾小，傳輸介質(zhì)為普通的石英光纖，可以遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)本發(fā)明僅由光纖傳感器、傳輸單元、窄帶濾光片、光電轉(zhuǎn)換器和示波器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用戶易于操作。本發(fā)明的用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，具有極快的響應(yīng)時(shí)間和很寬的壓力測(cè)量范圍。本發(fā)明適用于沖擊波物理和流體力學(xué)的研究領(lǐng)域。


圖1本發(fā)明的用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)原理框圖。圖2本發(fā)明的用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)幅度與樣品沖擊壓力的關(guān)系曲線。圖中，1.光纖傳感器 2.傳輸單元 3.窄帶濾光片 4.光電轉(zhuǎn)換器 5.示波器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，光纖傳感器1的一端埋入實(shí)驗(yàn)樣品中用于感應(yīng)實(shí)驗(yàn)樣品的沖擊波，光纖傳感器1的另外一端與傳輸單元2的一端連接，其功能是將測(cè)量的信號(hào)傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器4。由于沖擊波與光纖相互作用存在雜散光，窄帶濾光片3主要是用于對(duì)雜散光進(jìn)行濾波，提取出系統(tǒng)所需信號(hào)。窄帶濾光片3的一端與傳輸單元2的一端連接，另外一端與光電轉(zhuǎn)換器4 一端連接，光電轉(zhuǎn)換器4主要作用是將測(cè)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換器 4的另外一端與示波器5連接，對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行分析。本發(fā)明的用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)大大提高了傳統(tǒng)壓力傳感器的不足，不僅提高了測(cè)量壓力的上限，而且響應(yīng)時(shí)間也大為提高。本發(fā)明采用石英光纖作為信號(hào)傳輸單元，不僅降低了系統(tǒng)噪聲，提高了信號(hào)信噪比，而且延長(zhǎng)了信號(hào)傳輸距離。本發(fā)明采用光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換器，由于該器件響應(yīng)時(shí)間快，而且增益可調(diào)， 因此是系統(tǒng)中的核心器件。本發(fā)明采用的示波器帶寬500MHz，采樣率lG^i/s，記錄長(zhǎng)度10M，4通道。本發(fā)明中所述用作傳感器的石英光纖的芯徑為50mm 300mm中的任一數(shù)值；所述的窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為532nm、通帶半高寬為lOnm。所述的光電倍增管的上升時(shí)間為0.8ns，光譜響應(yīng)范圍為500nm 600nm中的任一數(shù)值。圖1是本發(fā)明原理圖。從圖中可以看出，沖擊壓力測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，需要在待測(cè)樣品的表面打直徑與所用光纖相匹配的小孔，將作為傳感器的石英光纖裝入小孔中，并用膠水固定。試驗(yàn)時(shí)，光纖傳感器1給出的脈沖光信號(hào)通過(guò)與光纖傳感器相同型號(hào)的光纖構(gòu)成的傳輸單元2傳輸?shù)酵◣?32nm士5nm的窄帶濾光片3中，再輸入到上升時(shí)間小于Ins的光電倍增管中，光電倍增管給出的電信號(hào)傳輸?shù)侥M帶寬500MHz、采樣率lG&i/s的示波器5記錄。再結(jié)合圖2給出的信號(hào)幅度與沖擊壓力的關(guān)系曲線就可以計(jì)算出本次試驗(yàn)的樣品壓力。
權(quán)利要求
1.一種用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的光纖傳感器與傳輸單元連接，用于探測(cè)沖擊波壓力，傳輸單元的輸出端與窄帶濾光片連接，窄帶濾光片的另外一端與光電轉(zhuǎn)換器連接，光電轉(zhuǎn)換器將窄帶濾光片輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于對(duì)沖擊波壓力信號(hào)進(jìn)行分析，光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與示波器連接，示波器用于采集光電轉(zhuǎn)換器的輸出電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖沖擊壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的用作傳感器的石英光纖的芯徑為50mm 300mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖沖擊壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)為532nm、通帶半高寬為10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖沖擊壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換器采用光電倍增管，光電倍增管的上升時(shí)間為0. 8ns，光譜響應(yīng)范圍為500nm 600nm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于沖擊波試驗(yàn)的快響應(yīng)無(wú)源石英光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，所述的光纖壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的石英光纖傳感器部分埋入待測(cè)樣品內(nèi)部，在沖擊波作用下石英光纖傳感器給出一個(gè)寬光譜的光脈沖信號(hào)，該光脈沖信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)礁缮鏋V光片，僅使特定波長(zhǎng)的光進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將該光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖并傳輸?shù)绞静ㄆ饔涗?，由于電脈沖信號(hào)的幅度和待測(cè)樣品沖擊壓力有特定的關(guān)系且該關(guān)系可通過(guò)標(biāo)定給出，則通過(guò)示波器給出的信號(hào)就可以獲得沖擊波試驗(yàn)中樣品的沖擊壓力及其隨時(shí)間變化的曲線。本發(fā)明的系統(tǒng)適用于30GPa～200GPa的沖擊壓力測(cè)量，可應(yīng)用于材料高壓物理特性的研究領(lǐng)域，在沖擊波物理、爆轟物理及流體動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102156016SQ20111005618
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者何莉華, 劉俊, 吳廷烈, 周維軍, 李澤仁, 王榮波, 陳光華 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所