專利名稱：聚合物薄膜光纖f-p腔水下激波壓力傳感器及其動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下激波壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于光纖傳感技術(shù)的水下激波壓力傳感器及其動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
針對(duì)水下激波壓力傳感器，目前主要有壓電陶瓷(PZT或LiNbO3)和壓電聚合物 (PVDF)兩種。前者靈敏度較高，但自身聲阻抗和水介質(zhì)聲阻抗不匹配，靈敏度頻率響應(yīng)特性曲線不平坦，無法對(duì)被測(cè)沖擊波信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)現(xiàn)。后者，自身聲阻抗和水介質(zhì)聲阻抗較為接近，靈敏度頻率響應(yīng)特性曲線較為平坦，但靈敏度較低。二者還有一個(gè)共同的、最致命的缺點(diǎn)，無法在高離子輻射環(huán)境下正常工作。所以，目前基于水下電爆炸的各項(xiàng)應(yīng)用和研究中，比如，模擬水下核武器和模擬水下核電磁脈沖，對(duì)沖擊波的測(cè)量和評(píng)估已成為限制研究深入下去的瓶頸。基于光纖技術(shù)的傳感器有望解決這一難題。光纖本質(zhì)對(duì)電磁不敏感，光纖探針體積微小、單模光纖外徑只有125微米、可實(shí)現(xiàn)高時(shí)域和高空間分辨率的測(cè)量，光纖本身為脆性材料、抗壓能經(jīng)受得起沖擊波的多次侵蝕，所以，基于光纖技術(shù)的水下激波壓力傳感器是解決水下電爆炸或者水下強(qiáng)激光爆炸沖擊波測(cè)試和評(píng)估的唯一選擇，具有非它莫屬和不可替代性。此外，它的研究對(duì)解決陸上軍工燃爆沖擊波壓力的測(cè)試和評(píng)估也有著重要意義。此外，空氣激波壓力傳感器的標(biāo)定基本分兩步走，第一步是靜態(tài)標(biāo)定，S卩標(biāo)定傳感器的靈敏度、量程、重復(fù)性、動(dòng)態(tài)范圍以及線性度等指標(biāo)；第二步是動(dòng)態(tài)標(biāo)定，即標(biāo)定傳感器的響應(yīng)時(shí)間或者說標(biāo)定傳感器的工作帶寬。對(duì)于動(dòng)態(tài)標(biāo)定，最通用的方法是采用空氣激波管來產(chǎn)生一階躍壓力信號(hào)，去激勵(lì)待標(biāo)定的傳感器。該階躍壓力激勵(lì)源一般要具有足夠?qū)挼膸?，必須能將傳感器的諧振頻率點(diǎn)激發(fā)起來。這樣，對(duì)傳感器的激勵(lì)輸出信號(hào)做頻譜分析，就可測(cè)出該傳感器的諧振頻率點(diǎn)。對(duì)于單自由度二階系統(tǒng)，當(dāng)允許誤差為時(shí)，有效帶寬為諧振頻率點(diǎn)的1/10 ；當(dāng)允許誤差為4%時(shí)，有效帶寬為諧振頻率點(diǎn)的1/5 ；這樣，就可利用單自由度二階系統(tǒng)自身特性實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。即使傳感器不屬于單自由度二階系統(tǒng)，也可以在時(shí)域根據(jù)傳感器對(duì)階躍信號(hào)上升沿響應(yīng)特性進(jìn)行分析，來獲得激波壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間。無論是頻域，還是時(shí)域，有一個(gè)共同的要求就是要有一個(gè)上升沿足夠快或者帶寬足夠?qū)挼乃矐B(tài)速變壓力激勵(lì)信號(hào)源。由于目前，水下激波管并沒有開發(fā)出來，研究人員通常都是在水介質(zhì)中安置一常規(guī)爆炸源，來產(chǎn)生一階躍壓力信號(hào)，以代替水下激波管對(duì)所研制的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，這一標(biāo)定設(shè)施危險(xiǎn)、成本高，也不利于經(jīng)常性的科學(xué)研究；或者一些科研人員干脆利用空氣激波管對(duì)水下激波壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，但由于空氣介質(zhì)和水介質(zhì)的聲學(xué)特性相差很大，標(biāo)定過程不符合實(shí)際使用的工況條件，標(biāo)定結(jié)果自然也就不符合實(shí)際情況。鑒于聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器直徑很小、最大只有225微米，而且也是附著在光纖端頭的平面圓形聚合物敏感薄膜作為實(shí)際的敏感探測(cè)部件。為此，擬采用帶聚焦透鏡的電磁沖擊波源來產(chǎn)生上升沿很陡、持續(xù)半高脈寬很窄、空間上因聚焦而高度壓縮的準(zhǔn)S平面波壓力脈沖作為傳感器激勵(lì)信號(hào)源，來對(duì)所研制的超微型聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的主要針對(duì)水下電爆炸以及水下強(qiáng)激光光爆炸等離子體膨脹產(chǎn)生沖擊波，傳統(tǒng)機(jī)電類傳感器由于其不抗電磁干擾而無法正常工作的缺點(diǎn)，提供一種基于光纖傳感技術(shù)、能在強(qiáng)電磁干擾介質(zhì)中使用的水下激波壓力測(cè)試系統(tǒng)以及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器及其動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本發(fā)明目的以下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器(參見圖1)，它由在切割好的傳導(dǎo)光纖端頭依次沉積，4nm Snm厚的Ag膜組成F-P腔的第一層反射膜，5um 50um厚的聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P腔腔體，20nm 30nm厚的Ag膜組成的F-P腔的第二層反射膜， 以及3um厚的聚對(duì)二甲苯薄膜組成整個(gè)F-P腔保護(hù)薄膜構(gòu)成，其聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P 腔體和傳導(dǎo)光纖載體融為一體形成整體式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器中，第一層反射膜Ag膜厚 5nm,形成的F-P腔腔體的聚對(duì)二甲苯薄膜厚度為30um，第二層反射膜Ag膜厚20nm。本發(fā)明的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的特征是通過沉積在光纖端頭的聚合物薄膜為腔體的F-P腔對(duì)沖擊應(yīng)力波進(jìn)行感測(cè)，其靈敏度是由應(yīng)力波對(duì)聚合物薄膜F-P腔腔體厚度調(diào)制變化率決定，其帶寬是由應(yīng)力波在聚合物薄膜F-P腔體內(nèi)的共振特性決定的。聚合物材料聲阻抗和水介質(zhì)相近，測(cè)試動(dòng)態(tài)匹配誤差小；基于真空沉積工藝制作的F-P腔是整體式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成F-P腔的兩個(gè)反射膜、聚合物腔體以及傳導(dǎo)光纖載體融為一體，不僅可靠性大大提高，而且制作工藝非常適合大批量制作，傳感器的體積尺寸也小到極致，可實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)測(cè)量。本發(fā)明的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方法，是將聚焦式電磁沖擊波源作為水下激波管來使用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水下藥柱爆破源，去激勵(lì)壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。本發(fā)明采用聚焦式電磁沖擊波源作為激勵(lì)信號(hào)源，對(duì)該光纖F-P腔水下激波壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定(見圖幻。水下激波壓力傳感器的動(dòng)態(tài)定標(biāo)，激勵(lì)信號(hào)源的選擇是關(guān)鍵。所采用的電磁沖擊波源是通過高壓充電電容和變壓器控制的觸發(fā)放電器15，給剛性固定的高壓平面線圈14 一個(gè)脈沖電流，由于電磁感應(yīng)原理，在平面金屬膜12里將產(chǎn)生漩渦電流；這時(shí)，電磁力將剛性固定的高壓平面線圈14和平面金屬膜12耦合起來；平面金屬膜12 在排斥電磁力推動(dòng)下發(fā)生位移，在與其耦合的水介質(zhì)8中產(chǎn)生沖擊波；再利用一個(gè)聲學(xué)聚焦透鏡11對(duì)沖擊波進(jìn)行聚焦，提升沖擊波的強(qiáng)度。該電磁沖擊波源產(chǎn)生沖擊波指標(biāo)如下 上升沿時(shí)間為0. 163us,半高脈寬持續(xù)時(shí)間0. 6 0. 7us,沖擊波收縮峰值壓力強(qiáng)度20 50Mpa，沖擊波膨脹峰值壓力5 8MPa。通過該信號(hào)源激勵(lì)，無論在時(shí)域，還是頻域，對(duì)聚合物薄膜光纖F-P腔激波壓力傳感器輸出信號(hào)做分析，就可以獲得所研制激波壓力測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。本發(fā)明采用了基于三波長(zhǎng)光源激勵(lì)、確定相位間隔、被動(dòng)零差相位解調(diào)方法來對(duì)超短F-P腔傳感陣列瞬態(tài)速變相位進(jìn)行高速、線性解調(diào)。該相位解調(diào)示意圖，見圖3。對(duì)于一個(gè)雙波長(zhǎng)正弦干涉輸出信號(hào)S = k · [1+V · cos(<j5 + <j50)](1)k為歸一化光強(qiáng)；V為干涉條紋對(duì)比度；Φ。干涉相位初始間隔；Φ為干涉相位。三波長(zhǎng)光源激勵(lì)相應(yīng)的三個(gè)干涉輸出相位初始間隔(K，是可以事先已知確定的， 這是因?yàn)閭鞲蠪-P腔腔長(zhǎng)和三個(gè)激勵(lì)光源的中心波長(zhǎng)，是可以事先精確測(cè)定的，這樣，各光源激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉相位是事先已知的，其相位初始間隔(或初始相位差值)Φ ο也就事先已知確定了。這樣，三個(gè)干涉輸出就可組成三個(gè)獨(dú)立的方程組，求解該方程組，就可獲得干涉相位Φ，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)干涉相位的高速線性檢測(cè)。不同腔長(zhǎng)的F-P腔，可以得到干涉相位初始間隔不同的三個(gè)方程式，所以，三波長(zhǎng)光源激勵(lì)就可實(shí)現(xiàn)用窄調(diào)諧范圍的DFB激光器對(duì)超短腔長(zhǎng)F-P腔傳感陣列進(jìn)行解調(diào)。


圖1聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器(探針)結(jié)構(gòu)示意2基于聚焦式電磁沖擊波源來實(shí)現(xiàn)超微型水下激波壓力傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定示意3聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器陣列瞬態(tài)速變相位解調(diào)示意1中1，光纖纖芯；2，涂覆層；3，光纖包層；4，第一層反射膜；5，聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P腔腔體；6，第二層反射膜；7，保護(hù)薄膜。圖2中8，水介質(zhì)；9，壓力傳感器；10，聚焦區(qū)域；11，聲學(xué)聚焦透鏡；12，平面金屬膜；13，絕緣隔離層；14，平板線圈；15，觸發(fā)放電器。圖3中16，波長(zhǎng)為A1的激光器；17，波長(zhǎng)為λ 2的激光器；18，波長(zhǎng)為λ 3的激光器；19，3X3耦合器；20，光纖環(huán)形器；21，分光器(分光比為1 % :99%的2X 2耦合器)；22， 第1號(hào)F-P腔激波壓力傳感器；23，信號(hào)光通道光學(xué)濾波器；24，參考光通道光學(xué)濾波；25， 波長(zhǎng)X1對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器；26，波長(zhǎng)λ 2對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器；27，波長(zhǎng)入3對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器；28，波長(zhǎng)X1對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器；29，波長(zhǎng)λ 2對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器；30，波長(zhǎng)λ3 對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器；31，高速數(shù)字化波存儀(單次性信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理)。
具體實(shí)施例方式1聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器(探針)的制作圖1為所研制的聚合物薄膜光纖F-P腔激波壓力探針結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由在切割好的傳導(dǎo)光纖端頭3依次沉積，4nm Snm(優(yōu)選5nm)厚的Ag膜組成F-P腔的第一層反射膜4，5um 50um (優(yōu)選30um)厚的聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P腔腔體5，20nm 30nm (優(yōu)選20nm)厚的Ag膜組成的F-P腔的第二層反射膜6，以及3um厚的聚對(duì)二甲苯薄膜組成整個(gè)F-P腔保護(hù)薄膜7構(gòu)成。該敏感F-P腔和傳導(dǎo)光纖融為一體形成整體式結(jié)構(gòu)。制作①在切割好的光纖端頭形成一個(gè)低反射率的光學(xué)金屬反射膜，同時(shí)，該金屬反射膜應(yīng)具有極高的聲阻抗。采用超真空磁控直流濺射光學(xué)鍍膜系統(tǒng)，將鍍膜室抽成真空，隨后在該腔體內(nèi)通入0. 5Pa壓力的惰性氣體Ar，使之在高電壓下輝光放電，氣態(tài)Ar+離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下轟擊金屬薄膜靶材(Ag陰極靶)，使其表面的金屬原子被濺射出來，并在切割好的光纖端面基體上沉積形成Ag金屬光學(xué)薄膜，該金屬薄膜就是光纖F-P腔的第一層反射膜 4,膜厚4nm 8nm,優(yōu)選5nm。②在端面鍍有Ag金屬膜的光纖端頭沉積一層厚度為5um-50um (優(yōu)選30um)聚對(duì)二甲苯膜形成F-P腔腔體5。具體是將熱塑性彈性體聚對(duì)二甲苯，通過高溫?zé)峤鉃閱误w， 再在常溫下通過化學(xué)氣相沉積法直接沉積在已鍍膜光纖端面，來形成F-P腔腔體。③采用與制作第一層反射膜完全相同的設(shè)備和工藝，在聚對(duì)二甲苯薄膜表面直接沉積制作F-P腔的第二層反射膜6，金屬Ag膜，膜厚20nm 30nm，優(yōu)選20nm。④采用與制作光纖F-P腔腔體完全相同的設(shè)備和工藝，用化學(xué)氣相法在所制作的光纖F-P腔整體結(jié)構(gòu)上，覆蓋一層3um厚的聚對(duì)二甲苯，形成整個(gè)F-P腔的保護(hù)薄膜7。通過上述工藝步驟，就可以制作成所要求的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器。2聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定所謂是動(dòng)態(tài)標(biāo)定，就是要確定所研制傳感器的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性，即傳感器實(shí)際可工作帶寬或者說其對(duì)信號(hào)上升沿響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明采用聚焦式電磁沖激波源產(chǎn)生一準(zhǔn)S 激波壓力脈沖作為激勵(lì)源，測(cè)定傳感器的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性，見圖2?；趥鞲衅黛o態(tài)標(biāo)定是動(dòng)態(tài)定標(biāo)的前提和基礎(chǔ)，所以具體步驟如下1)、設(shè)計(jì)并制作光纖F-P腔激波壓力傳感器靜壓實(shí)驗(yàn)密封承載夾具，根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求選定壓力檢定量程，用活塞式壓力標(biāo)定機(jī)，給光纖F-P腔做靜壓加載實(shí)驗(yàn)，記錄各個(gè)壓力檢定點(diǎn)對(duì)應(yīng)三個(gè)激勵(lì)光源各自的干涉輸出電壓，并將之進(jìn)行光強(qiáng)歸一化處理，按三波長(zhǎng)光源激勵(lì)固定相位間隔被動(dòng)零差相位解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，求出其對(duì)應(yīng)的干涉相位；2)、照壓力傳感器靜態(tài)檢定規(guī)程(JJG 860-94)對(duì)F-P腔激波壓力傳感器及其相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行檢定，即可得到激波壓力傳感器及其解調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性；3)、采用聚焦式電磁沖擊波源對(duì)該F-P腔水下激波壓力傳感器及其高速相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定3. 1)通過微調(diào)機(jī)構(gòu)，將待標(biāo)定的光纖F-P腔激波壓力傳感器(探針)置入電磁沖擊波源的激波壓力聚焦區(qū)10正中央處；3. 2)觸發(fā)放電器15 (電磁沖擊波源開關(guān))，在聚焦區(qū)域10產(chǎn)生沖擊波，來激勵(lì)待標(biāo)定的聚合物薄膜光纖F-P腔激波壓力傳感器9。并通過外觸發(fā)記錄方式，記錄該光纖F-P 腔激波壓力傳感器9在電磁沖擊波源激波壓力作用下，三波長(zhǎng)光源激勵(lì)瞬態(tài)速變干涉輸出信號(hào)。所謂外觸發(fā)記錄，就是將觸發(fā)放電器15產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，通過光電隔離器(2N137) 耦合到高速數(shù)字化波存儀31的外觸發(fā)控制記錄端上，將三波長(zhǎng)光源激勵(lì)瞬態(tài)速變干涉輸出信號(hào)記錄下來。由于電磁沖擊波源產(chǎn)生沖擊波需要很多環(huán)節(jié)，諸如觸發(fā)放電器15放電一高壓平面線圈14的脈沖電流一電磁力推動(dòng)平面金屬膜12發(fā)生位移一與水介質(zhì)耦合產(chǎn)生沖擊波一沖擊波通過聲學(xué)聚焦透鏡11，由水傳導(dǎo)至光纖F-P腔激波壓力傳感器9并作用之，這些作用過程都需要時(shí)間，為此，在外觸發(fā)開始記錄140微秒后的數(shù)據(jù)，才是沖擊波對(duì)壓力傳感器作用的有效數(shù)據(jù)。3. 3)對(duì)三路三波長(zhǎng)光源激勵(lì)瞬態(tài)速變相位干涉輸出信號(hào)，進(jìn)行功率歸一化處理， 按三波長(zhǎng)光源激勵(lì)、確定性相位間隔被動(dòng)零差相位解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，合成為一個(gè)與激波壓力相似的電壓信號(hào)；3. 4)對(duì)獲取的瞬態(tài)速變壓力信號(hào)進(jìn)行分析1)從時(shí)域上直接測(cè)取激波壓力脈沖的上升沿時(shí)間，得到?jīng)_擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)(包括探針和解調(diào)兩部分)的響應(yīng)時(shí)間；2)當(dāng)沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)為單自由度二階系統(tǒng)時(shí)，對(duì)所得到的時(shí)域信號(hào)，做FFT變換，可直接獲取該沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)的諧振頻率，進(jìn)而通過單自由度二階系統(tǒng)的自身特性獲取其準(zhǔn)確的測(cè)試帶寬；這樣，就完成了利用電磁沖擊波源對(duì)水下激波壓力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定標(biāo)。3聚合物薄膜光纖超短F-P腔傳感陣列瞬態(tài)速變相位的高速線性解調(diào)本發(fā)明采用了三波長(zhǎng)光源激勵(lì)、確定性相位間隔、被動(dòng)零差相位解調(diào)方法(參見圖3)對(duì)聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的瞬態(tài)速變相位進(jìn)行解調(diào)，從而對(duì)該激波壓力傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。波長(zhǎng)為λ ,的激光器16、波長(zhǎng)為λ 2的激光器17和波長(zhǎng)為λ 3的激光器18，通過3x3耦合器19合成一個(gè)三波長(zhǎng)光源，并實(shí)現(xiàn)了 F-P 腔傳感陣列的空分多路復(fù)用。圖3中虛線框，為空分復(fù)用傳感陣列一個(gè)激波壓力傳感器相應(yīng)的解調(diào)原理示意圖，傳感陣列中其它激波壓力傳感器解調(diào)原理與之相同。三波長(zhǎng)激勵(lì)光通過光釬環(huán)形器20實(shí)現(xiàn)了光纖F-P腔激波壓力傳感器的反向探測(cè)和單端操作。分光器21 將99%的光分出作為傳感光束，激射F-P腔激波壓力傳感器。其產(chǎn)生的兩束反射光，一束為F-P腔前端面反射光，一束為攜帶外界壓力信號(hào)的傳感光，經(jīng)光纖環(huán)形器20到信號(hào)光通道光學(xué)濾波器23 (即第一解波分復(fù)用器)，并在波長(zhǎng)X1對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器25，波長(zhǎng)入2對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器26，和波長(zhǎng)λ 3對(duì)應(yīng)的信號(hào)探測(cè)器27上發(fā)生干涉，分別轉(zhuǎn)換為三波長(zhǎng)光源激勵(lì)對(duì)應(yīng)的三個(gè)瞬態(tài)速變干涉電壓信號(hào)，并通過多通道同步高速數(shù)字波存儀31記錄；分光器21將的光分出來，并通過參考光通道光學(xué)濾波24 (第二解波分復(fù)用器)，在波長(zhǎng)λ ！ 對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器觀，波長(zhǎng)λ 2對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器四，和波長(zhǎng)λ 3對(duì)應(yīng)的參考光強(qiáng)探測(cè)器30上轉(zhuǎn)換為三波長(zhǎng)光源激勵(lì)對(duì)應(yīng)的三個(gè)直流電壓信號(hào)，其將作為參考信號(hào)，分別對(duì)三波長(zhǎng)光源激勵(lì)對(duì)應(yīng)帶傳感信息的三個(gè)瞬態(tài)速變干涉信號(hào)做歸一化處理。最后，歸一化后的三波長(zhǎng)干涉信號(hào)組成三個(gè)方程式，求解該方程組，就可實(shí)現(xiàn)光纖F-P腔激波壓力探針干涉相位的線性檢測(cè)。其步驟為①通過波長(zhǎng)掃描法測(cè)定，所制作的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器反向探測(cè)干涉輸出與掃描波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。同時(shí)，通過擬合數(shù)據(jù)，測(cè)取該F-P腔聚合物薄膜厚度(即光纖F-P腔長(zhǎng))。②根據(jù)F-P腔反向探測(cè)干涉輸出與掃描波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線，確定三個(gè)激勵(lì)DFB 激光器的中心波長(zhǎng)。中心波長(zhǎng)的選取原則是各激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)干涉相位初始間隔至少大于 η /3。最優(yōu)選擇方案有兩種一是各激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)干涉相位初始間隔基本在2 π /3 ；二是相鄰激勵(lì)波長(zhǎng)輸出干涉相位互為正交。這樣，就可最大限度地提高信號(hào)的抗共模噪聲干擾能力。③調(diào)整各個(gè)激勵(lì)光源的輸出功率，設(shè)計(jì)并制作光纖F-P腔激波壓力探針靜壓試驗(yàn)夾具，用活塞式壓力標(biāo)定機(jī)，給光纖F-P腔做靜壓加載實(shí)驗(yàn)，直接繪制出光纖F-P腔各激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)干涉輸出與外界壓力的關(guān)系曲線。所加載壓力的量程范圍務(wù)必使該F-P腔至少一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉輸出出現(xiàn)峰-峰值，這樣，就可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決因F-P腔入射初始功率太強(qiáng)而使干涉輸出的峰值太大，致使運(yùn)算放大器飽和這一問題。接著，以圖3中分光器21、 參考光通道光學(xué)濾波M和各激勵(lì)光源參考光強(qiáng)探測(cè)電路觀、29、30提供的參考值，對(duì)各個(gè)激勵(lì)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)干涉輸出做歸一化處理。這種光強(qiáng)歸一化處理方法，要求信號(hào)光通道光學(xué)濾波器23 (信號(hào)光解波分復(fù)用器)與參考光通道光學(xué)濾波M (參考光解波分復(fù)用器)性能完全一致、信號(hào)探測(cè)器25 J6和27與參考光強(qiáng)探測(cè)器觀、四和30性能和后續(xù)放大電路增益完全一致，以及光纖環(huán)形器20光出射端口到光接收端口和分光器21，在三個(gè)激勵(lì)光源中心波長(zhǎng)光譜范圍內(nèi)的損耗以及分光比完全一樣。 ④解調(diào)儀靜態(tài)特性檢定實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際壓力測(cè)量量程，用活塞式壓力標(biāo)定機(jī)給所研制的光纖F-P腔施加靜態(tài)壓力，記錄各個(gè)激勵(lì)光源對(duì)應(yīng)的干涉輸出電壓，并將之進(jìn)行光強(qiáng)歸一化處理，得到如下三元一次方程組。 '乂 =k-[\ + V ·ζο%{φ)] S2 =k-[\ + V-ζο^φ + δ,)]
S3 =k-[l + V ■ cos(於 + + ^2)](2 )
通過求解上述方程組，就可得到該F-P腔的干涉輸出相位，且為 ^k-il-Q-D-B-iS,-k)-S3 +C-S21妗 ID.A.(Sl-k)」⑶
_6]其一 B.{l-E) + F{A-\)A = cos ( δ j) , C = cos ( δ 2). , E = cos ( δ j+ δ 2)B = sin ( δ 丄)，D = sin ( δ 2) ·，F(xiàn) = sin ( δ 廣 δ 2)這樣，就可得到外界靜態(tài)壓力和輸出干涉相位之間的線性關(guān)系曲線，由于外界壓力和干涉相位之間為一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系(這是由F-P腔探測(cè)的物理機(jī)理決定的)，這也就說明該解調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)F-P腔干涉輸出相位的線性檢定。⑤傳感陣列中，不同腔長(zhǎng)的F-P腔，相應(yīng)可以得到干涉相位初始間隔不同的三個(gè)方程組，通過如上相同的方法，即可對(duì)整個(gè)F-P腔傳感陣列的相位實(shí)現(xiàn)線性檢測(cè)。⑥給信號(hào)探測(cè)器25 J6和27足夠?qū)挼膸?，也就可以利用上述方法?duì)整個(gè)F-P腔傳感陣列的瞬態(tài)速變相位進(jìn)行高速線性檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器，其特征是該傳感器由在切割好的傳導(dǎo)光纖端頭(3)依次沉積，4nm Snm厚的Ag膜組成F-P腔的第一層反射膜(4)，5um 50um厚的聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P腔腔體(5)，20nm 30nm厚的Ag膜組成的F-P腔的第二層反射膜(6)，以及3um厚的聚對(duì)二甲苯薄膜組成整個(gè)F-P腔保護(hù)薄膜(7)構(gòu)成；其聚對(duì)二甲苯薄膜形成的F-P腔體和傳導(dǎo)光纖載體融為一體形成整體式結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器，其特征是第一層反射膜(4) Ag膜厚5nm，形成F-P腔腔體(5)的聚對(duì)二甲苯薄膜厚度為30nm，第二層反射膜(6) Ag 膜厚 20nm。
3.權(quán)利要求1所述的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的制作方法，其特征是，制作步驟依次如下.1)在切割好的傳導(dǎo)光纖端頭(3)平面上沉積第一層反射膜將鍍膜室抽成真空，隨后在該室內(nèi)通入0. 5 壓力的惰性氣體Ar，使之在高電壓下輝光放電，氣態(tài)Ar+離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下轟擊金屬銀薄膜靶材，使其表面的銀原子被濺射出來，在切割好的傳導(dǎo)光纖端頭 ⑶沉積形成第一層反射膜⑷，銀膜，膜厚4nm Snm ；.2)、在鍍有銀膜的傳導(dǎo)光纖端頭平面上沉積厚度5um 50um聚對(duì)二甲苯膜作為F-P腔腔體(5)；.3)、采用物理氣相法，在步驟幻沉積的聚對(duì)二甲苯膜層表面形成第二層反射膜(6)，銀膜，膜厚20nm 30nm，即制作成所要求的F-P腔；.4)、用化學(xué)氣相法在所制作的光纖F-P腔整體結(jié)構(gòu)上覆蓋一層3um厚的聚對(duì)二甲苯，形成整個(gè)F-P腔的保護(hù)薄膜，即得聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的制作方法，其特征是，所述的步驟1)中銀膜的膜厚為5nm，所述的步驟2)中聚對(duì)二甲苯膜厚度為30um ；所述的步驟3)中銀膜的膜厚為20nm。
5.權(quán)利要求1所述的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方法，其特征是將聚焦式電磁沖擊波源作為水下激波管來使用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)水下藥柱爆破源，去激勵(lì)壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
6.權(quán)利要求1所述的聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方法，其標(biāo)定步驟如下.1)、設(shè)計(jì)并制作光纖F-P腔激波壓力傳感器靜壓實(shí)驗(yàn)密封承載夾具，根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求選定壓力檢定量程，用活塞式壓力標(biāo)定機(jī)，給光纖F-P腔做靜壓加載實(shí)驗(yàn)，記錄各個(gè)壓力檢定點(diǎn)對(duì)應(yīng)三個(gè)激勵(lì)光源各自的干涉輸出電壓，并將之進(jìn)行光強(qiáng)歸一化處理，按三波長(zhǎng)光源激勵(lì)固定相位間隔被動(dòng)零差相位解調(diào)算法進(jìn)行計(jì)算，求出其對(duì)應(yīng)的干涉相位；.2)、按照壓力傳感器靜態(tài)檢定規(guī)程(JJG860-94)對(duì)F-P腔激波壓力傳感器及其相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行檢定，即得到激波壓力傳感器及其解調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性；.3)、采用聚焦式電磁沖擊波源對(duì)該F-P腔水下激波壓力傳感器及其高速相位解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定·3. 1)通過微調(diào)機(jī)構(gòu)，將待標(biāo)定的光纖F-P腔激波壓力傳感器置入電磁沖擊波源的激波壓力聚焦區(qū)域(10)正中央處；·3. 2)通過聚焦式電磁沖擊波源發(fā)生沖擊波，具體是通過高壓充電電容和變壓器控制的觸發(fā)放電器(15)，給剛性固定的高壓平面線圈(14) 一個(gè)脈沖電流，使高壓平面線圈(14) 和平面金屬膜(1 耦合起來，平面金屬膜(1 在排斥電磁力推動(dòng)下發(fā)生位移，在與其耦合的水介質(zhì)(8)中產(chǎn)生沖擊波；再利用一個(gè)聲學(xué)聚焦透鏡(11)對(duì)沖擊波進(jìn)行聚焦，提升沖擊波的強(qiáng)度；該電磁沖擊波源產(chǎn)生沖擊波指標(biāo)如下上升沿時(shí)間為0. 16;3US，半高脈寬持續(xù)時(shí)間0. 6 0. 7us，沖擊波收縮峰值壓力強(qiáng)度20 50Mpa，沖擊波膨脹峰值壓力5 8MPa ；.3. 3)通過外觸發(fā)記錄方式，記錄光纖F-P腔激波壓力傳感器在電磁沖擊波源激波壓力作用下，三波長(zhǎng)光源激勵(lì)瞬態(tài)速變干涉輸出信號(hào)，并進(jìn)行功率歸一化處理；按三波長(zhǎng)光源激勵(lì)固定相位間隔被動(dòng)零差相位解調(diào)算法，將三路同步記錄的歸一化干涉輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，合成為一個(gè)與激波壓力相似的電壓信號(hào)；.3.4)對(duì)獲取的瞬態(tài)速變壓力信號(hào)進(jìn)行分析1)從時(shí)域上直接測(cè)取激波壓力脈沖的上升沿時(shí)間，得到?jīng)_擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，所述的系統(tǒng)包括壓力傳感器和解調(diào)兩部分；2)當(dāng)沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)為單自由度二階系統(tǒng)時(shí)，對(duì)所得到的時(shí)域信號(hào)，做FFT變換， 直接獲取該沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)的諧振頻率，進(jìn)而通過單自由度二階系統(tǒng)的自身特性獲取其準(zhǔn)確的測(cè)試帶寬；這樣，就完成了利用電磁沖擊波源對(duì)水下激波壓力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物薄膜光纖F-P腔水下激波壓力傳感器及其動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用聚合物薄膜光纖F-P腔對(duì)水下激波壓力進(jìn)行感知，并采用三波長(zhǎng)光源激勵(lì)、任意確定性相位間隔的被動(dòng)零差解調(diào)技術(shù)對(duì)聚合物薄膜超短光纖F-P腔組成的水下激波傳感陣列進(jìn)行高速、線性解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)水下激波壓力場(chǎng)的測(cè)量；同時(shí)，發(fā)明了采用電磁沖擊波源激勵(lì)，來對(duì)該種平面結(jié)構(gòu)的超小型水下激波壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)定標(biāo)這一方法。該技術(shù)是與傳統(tǒng)壓電陶瓷和壓電聚合物水下激波壓力傳感器或者水下超聲傳感器并行的一種傳感技術(shù)，不僅對(duì)解決強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中的激波壓力測(cè)試有直接意義，而且對(duì)傳統(tǒng)的水下陸上激波壓力測(cè)試以及水下超聲傳感陣列的研究有重要意義。
文檔編號(hào)G01L11/02GK102519663SQ20111040617
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者丁騰蛟, 姜德生, 張佩, 朱克銀, 楊明紅, 王俊杰, 王元化 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)