一种光纤光栅冲击压力传感器及处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤其是一种光纤光栅冲击压力传感器及处理方法。
【背景技术】
[0002] 在冲击波物理、爆轰物理领域内，精确测量冲击压力对材料的物态方程及本构关 系、含能炸药的燃烧-爆轰转换、高能炸药冲击起爆和爆轰性能、材料的冲击相变和材料动 态损伤及断裂等研究具有重要意义。精确测量介质内的冲击压力对常规武器设计技术、破 坏效应研究和新型材料研究具有直接的参考意义。
[0003] 文献〈利用光纤光栅传感器测量炸药内的冲击压力>(P.G.Van'tHof，L.K.Cheng， J.H.G.Schopltes,ff.C.Prinse.DynamicPressureMeasurementofShockWavesin ExplosivesbyMeansofaFiberBraggGratingSensor,Proc.ofSPIEVol.6279, 62791Y，（2007)0277-786/07.)报导了利用不等臂光纤Mach-Zehnder干涉装置，将冲击压力 引起光纤光栅的波长移动转换为干涉信号，从而检测相位差的测量方法。该文献报导的所 测冲击压力峰值约为lGPa，系统时间分辨本领为亚微秒量级。该技术存在以下不足：1)系统 时间分辨本为亚微秒量级，对快冲击过程很难完全响应，造成信号"失真"，甚至"丢失"；2) 需要预先精确标定压力-体积曲线，否则无法计算出冲击压力;3)很难精确地将不等臂光纤 Mach-Zehnder干涉装置的光程差控制在1 ±0.1mm左右;4)所测冲击压力的峰值太小，约为 lGPa〇
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对利用不等臂光纤Mach-Zehnder干涉装置，将 冲击压力引起光纤光栅的波长移动转换为干涉信号，从而检测相位差的测量方法存在的缺 点，提出一种边孔光纤光栅传感器来测量冲击压力。其具体
【发明内容】
如下：
[0005] 1)将冲击压力引起光纤光栅的波长移动(瞬态频谱信号)转换为时域信号，再通过 光电探测器和数字示波器完成信号记录；
[0006] 2)采用色散傅里叶变换技术将时域信号转换为瞬态频谱信号，从而获得冲击压力 引起光纤光栅的波长移动。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种光纤光栅冲击压力传感器包括：
[0009]激光器，用于产生重频、飞秒光脉冲，其时域波形如图2所示，其光谱如图3所示。 [0010] 三端口环形器，用于通过三端口环形器第一端口接收激光器产生的飞秒激光脉冲 信号，并通过三端口环形器第二端口输出；从三端口环形器第二端口输出的光脉冲被边孔 光纤光栅反射后，光谱将分裂为两个窄"高斯"脉冲;其光谱形状如图4所示。当边孔光纤光 栅受到冲击作用时，两个窄"高斯"状脉冲的波长间隔Αλ将发生改变;被边孔光纤光栅反射 后的光脉冲从三端口环形器第二端口输入，从三端口环形器第三端口输出至放大及色散单 元；
[0011] 放大及色散单元，用于将三端口环形器第三端口输出的光脉冲进行放大，然后进 行色散傅里叶变换将光脉冲的变换为时域信号后进行二级放大，最后将放大后的时域信号 输出至信号处理装置；
[0012] 信号处理装置，用于接收放大及色散单元输出的时域信号，并通过信号处理装置 的光电转换器将时域信号转换为电信号，然后通过信号处理装置的示波器记录电信号后， 再进行数据处理，最后根据公式(1)计算冲击波压力：
[0013] Δλ=Κρ · Ρ (1)
[0014]其中两个分尚的"尚斯状"光谱之间的波长间隔Αλ仅与冲击波压力ρ有关，Κρ为波 长-压力常数，与边孔光纤光栅的材料、结构有密切关系。。
[0015]进一步的，所述放大及延迟单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于 信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的光纤以及用于信号放大的后置拉曼放 大器。
[0016]进一步的，所述号处理装置的示波器记录电信号后，再进行数据处理，根据公式 (1)计算冲击波压力的具体过程是：
[0017]步骤21:示波器记录的时域信号I(t)为周期信号，其周期Τ为飞秒激光器的重复频 率的倒数;第i个周期内的时域信号Mt)与其对应的频域信号是Μλ)，并且时域信号的时 间t与频域信号的波长λ有式(2)的关系：
[0018] (2)
[0019] 其中C为真空光速;λ〇为激光器的中心波长，λ为激光器的非中心波长，其介于中心 波长附近;Ζ为光纤长度;扮、说分别为为光纤在中心波长下的群速度的倒数和群速度色散；
[0020] 步骤22:设Mt)、〗#)的两个分离"高斯"脉冲的间隔分别为八^、八\，则它们有 式(3)的关系。
[0021]
( 3 )
[0022] 式中，D为色散参量，其与群速度色散02的关系：
[0023]步骤23:根据公式（1)，将Μλ)的波长间隔ΔΜ除以波长-压力常数ΚΡ，就可获得该 周期内的压力Pi。
[0024]进一步的，所述步骤22包括：
[0025]步骤221:将Ii(t)的两个分离"高斯"脉冲峰值对应的时刻tu、ti2带入式(2)的右 边，并将IiW与之对应的两个峰值波长Xil、Xi2带入式⑵的左边可得：
[0028] 步骤222:将式(5 )、式(4)的两边进行相减，可得
[0026] ( 4.)
[0027] ( 5 )
[0029]
(.6):
[0030] 将式(6)左边进行变形，可得
[0031]
( 7 :):
[0032] 步骤223:将式(7)带入式(6)的左边可得：
[0033]
( 8 )
[0034]义
纟，则公式(8)变换为公式(3)，得到Δλ1:
[0035]
(3 )。
[0036] 进一步的，所述激光器重复频率为50ΜΗΖ~200MHz;线宽为50nm~lOOnm;平均功率 为50mW~200mW;脉冲的上升时间为lps~lOOfs;中心波长为1550nm。
[0037] 一种光纤光栅冲击压力处理方法包括：
[0038] 步骤1:通过激光器产生飞秒激光信号；
[0039] 步骤2:三端口环形器通过三端口环形器第一端口接收激光器产生的飞秒激光脉 冲信号，并通过三端口环形器第二端口输出；从三端口环形器第二端口输出的光脉冲被边 孔光纤光栅反射后，光谱将分裂为两个窄"高斯"脉冲，其光谱形状如图4所示。当边孔光纤 光栅受到冲击作用时，两个窄"高斯"脉冲的波长间隔Αλ将发生改变;被边孔光纤光栅反射 后的光脉冲从三端口环形器第二端口输入，从三端口环形器第三端口输出至放大及色散单 元；
[0040] 步骤3:通过放大及延迟单元用于将三端口环形器第三端口输出的光脉冲进行放 大，然后进行色散傅里叶变换将频域信号变换为时域信号后进行二级放大，最后将放大后 的时域信号输出至信号处理装置；
[0041] 步骤4:通过信号处理装置接收放大及色散单元输出的时域信号，并通过信号处理 装置的光电转换器将时域信号转换为电信号，然后通过信号处理装置的示波器记录电信号 后，再进行数据处理，最后根据公式(1)计算冲击波压力：
[0042] Δλ=ΚΡ·Ρ(1)
[0043] 其中两个分离的"高斯"光谱之间的波长间隔△λ仅与冲击波压力Ρ有关，ΚΡ为波 长-压力常数。
[0044] 进一步的，所述放大及延迟单元包括用于进行信号放大的掺铒光纤放大器、用于 信号放大的前置拉曼放大器、进行色散傅里叶变换的色散光纤以及用于信号放大的后置拉 曼放大器。
[0045]进一步的，所述信号处理装置的示波器记录电信号后，再进行数据处理，最后根据 公式(1)计算冲击波压力的具体过程是：
[0046]步骤21:示波器记录的时域信号I(t)为周期信号，其周期Τ为飞秒激光器的重复频 率的倒数;第i个周期内的时域信号Mt)与其对应的频域信号是Μλ)，并且时域信号的时
[0047] 间t与频域信号的波长λ有式(2)的关系：
⑴
[0048] 其中c为真空光速;λ〇为激光器的中心波长，λ为激光器的非中心波长，其介于中心 波长附近;Ζ为光纤长度;扮、说分别为为光纤在中心波长下的群速度的倒数和群速度色散；
[0049] 步骤22:设Mt)、〗#)的两个分离"高斯"脉冲的间隔分别为八^、八\，则它们有 式(3)的关系。