一种用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统

摘要

本发明提供了一种用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统，所述的光纤压力传感器测量系统的石英光纤传感器部分埋入待测样品内部，在冲击波作用下石英光纤传感器给出一个宽光谱的光脉冲信号，该光脉冲信号通过光纤传输到干涉滤光片，仅使特定波长的光进入光电转换系统，光电转换系统将该光脉冲转换为电脉冲并传输到示波器记录，由于电脉冲信号的幅度和待测样品冲击压力有特定的关系且该关系可通过标定给出，则通过示波器给出的信号就可以获得冲击波试验中样品的冲击压力及其随时间变化的曲线。本发明的系统适用于30GPa～200GPa的冲击压力测量，可应用于材料高压物理特性的研究领域，在冲击波物理、爆轰物理及流体动力学等研究领域中有着广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于冲击波试验测量装置技术领域，具体涉及一种用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统。

背景技术

现有的冲击压力传感器有锰铜应力计和PVDF薄膜、LiNbO₂、石英晶体等压电传感器以及有源光纤压力传感器。锰铜压力计的上限值在50GPa且时间响应最快只能到20ns左右；石英晶体、LiNbO₂等压电传感器虽具有较快的响应，但在3GPa～4GPa时要发生相变，限制了其使用范围；PVDF压电计一般被用在2GPa以下的的测量领域；有源光纤压力传感器只能用于0.5GPa以下的压力测量并且响应时间最快为微秒级，不能满足冲击波试验的要求。对于50GPa以上冲击压力目前还没有直接的测量方法。

美国人Roeske.F在1994年报道了一种利用了石英光纤在冲击作用下产生光辐射的特性工作的快响应光纤探针技术，该探针响应时间极快，可达到亚纳秒，可以精确测量冲击波到达探针的时间。但是，该探针仅仅只能测量冲击到达时间并不能测量样品的冲击压力。

发明内容

为了克服现有的压力传感器无法直接测量50GPa以上压力的不足，本发明提供一种用于冲击波试验的快响应无源石英冲击压力传感器测量系统，本发明的压力传感器测量系统不仅能够测量30GPa到200GPa范围内的冲击压力，而且响应时间在10ns以内。

本发明的用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统包括光纤传感器及信号传输单元、窄带滤光片、光电转换器、示波器。其中，光纤传感器的一端埋入实验样品中用于感应实验样品的冲击波，光纤传感器的另外一端与传输单元的一端连接，其作用是将测量的信号传输到光电转换器。由于冲击波与光纤相互作用存在杂散光，因此，在传输光纤与光电转换器之间放置窄带滤光片，主要是用于滤除信号光以外的杂散光，提取出系统所需的信号光。窄带滤光片的一端与传输单元的一端连接，另外一端与光电转换器一端连接，光电转换器的主要作用是将测量的光信号转换为电信号。光电转换器的另外一端与示波器连接，示波器主要用于对冲击波信号进行分析。

本发明中所述用作传感器的石英光纤的芯径为50mm～300mm，所述窄带滤光片的中心波长为532nm、通带半高宽为10nm，所述的光电转换器采用光电倍增管，光电倍增管的上升时间为 0.8ns，光谱响应范围为500nm～600nm。

本发明的用于无源石英光纤压力传感器测量系统无需外加光源，它是利用石英光纤本身作为传感元件，将其埋入待测样品内部，利用石英光纤在冲击波作用下发光的特性工作，通过标定获得石英光纤的发光强度与冲击压力的关系，则通过示波器给出的信号就可以获得冲击波试验中样品的冲击压力及其随时间变化的曲线。

本发明是这样解决其技术问题的：采用芯径50m～300m的多模石英光纤作为传感器件，将其埋入待测样品中，在冲击波作用下石英光纤会给出一个宽光谱的光脉冲信号，再通过中心波长532nm、通带半高宽10nm的干涉滤光片限制进入光电转换系统的光谱范围，以提高系统稳定性，利用上升时间0.8ns的光电倍增管将光脉冲转换为电脉冲，利用示波器将该电脉冲记录下来，通过标定实验给出信号幅度和待测样品冲击压力的关系，则通过示波器记录的电脉冲信号幅度就可获得样品的冲击压力及其随时间变化的曲线。

采用本发明，能够实现30GPa到200GPa的冲击压力测量，具有响应时间短，干扰小，传输介质为普通的石英光纤，可以远距离测量等优点；同时本发明仅由光纤传感器、传输单元、窄带滤光片、光电转换器和示波器构成，系统结构简单，用户易于操作。

本发明的用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统，具有极快的响应时间和很宽的压力测量范围。本发明适用于冲击波物理和流体力学的研究领域。

附图说明

图1本发明的用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统原理框图。

图2本发明的用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统通过标定实验得到的信号幅度与样品冲击压力的关系曲线。

图中，1.光纤传感器    2.传输单元     3.窄带滤光片     4.光电转换器     5.示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，光纤传感器1的一端埋入实验样品中用于感应实验样品的冲击波，光纤传感器1的另外一端与传输单元2的一端连接，其功能是将测量的信号传输到光电转换器4。由于冲击波与光纤相互作用存在杂散光，窄带滤光片3主要是用于对杂散光进行滤波，提取出系统所需信号。窄带滤光片3的一端与传输单元2的一端连接，另外一端与光电转换器4一端连接，光电转换器4主要作用是将测量的光信号转换为电信号。光电转换器4的另外一端与示波器5连接，对冲击波信号进行分析。

本发明的用于冲击波试验的快响应无源石英光纤压力传感器测量系统大大提高了传统压力传感器的不足，不仅提高了测量压力的上限，而且响应时间也大为提高。

本发明采用石英光纤作为信号传输单元，不仅降低了系统噪声，提高了信号信噪比，而且延长了信号传输距离。

本发明采用光电倍增管作为光电转换器，由于该器件响应时间快，而且增益可调， 因此是系统中的核心器件。

本发明采用的示波器带宽500MHz，采样率1GSa/s，记录长度10M，4通道。本发明中所述用作传感器的石英光纤的芯径为50mm～300mm中的任一数值；所述的窄带滤光片的中心波长为532nm、通带半高宽为10nm。所述的光电倍增管的上升时间为 0.8ns，光谱响应范围为500nm～600nm中的任一数值。

图1是本发明原理图。从图中可以看出，冲击压力测量试验时，需要在待测样品的表面打直径与所用光纤相匹配的小孔，将作为传感器的石英光纤装入小孔中，并用胶水固定。试验时，光纤传感器1给出的脉冲光信号通过与光纤传感器相同型号的光纤构成的传输单元2传输到通带为532nm±5nm的窄带滤光片3中，再输入到上升时间小于1ns的光电倍增管中，光电倍增管给出的电信号传输到模拟带宽500MHz、采样率1GSa/s的示波器5记录。再结合图2给出的信号幅度与冲击压力的关系曲线就可以计算出本次试验的样品压力。