基于F-P原理的非本征型光纖爆炸動壓傳感器設計

陳　顯， 徐　芬， 余尚江， 楊吉祥

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023；2.中國空氣動力研究發展中心，四川 綿陽 621000)

基于F-P原理的非本征型光纖爆炸動壓傳感器設計

陳顯1， 徐芬2， 余尚江1， 楊吉祥1

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023；2.中國空氣動力研究發展中心，四川 綿陽 621000)

摘要:設計了一種非本征型光纖法布里—珀羅(F—P)爆炸壓力傳感器，傳感器采用膜片式結構,采用三波長法對F—P信號進行解調。壓力加載試驗表明，研制的F—P壓力傳感器線性度較好，具有較高的頻響特性，在實際的爆炸測試中不受電磁干擾影響，可用于爆炸動壓測量。

關鍵詞：非本征光纖； 法布里—珀羅； 壓力傳感器； 爆炸測量

0引言

自20世紀70年代以來,光纖傳感器伴隨著低損耗光纖的誕生和光纖通信技術的進步而迅猛發展[1,2]。根據光纖在傳感器中起到的作用，光纖法布里—珀羅(Fabry—Perot,F—P)傳感器可分為本征型和非本征型光纖傳感器。本征型F—P傳感器中，兩反射面之間的干涉腔由單模光纖構成；非本征型光纖F—P傳感器中，干涉腔由空氣或其它非光纖的固體介質構成。

自1991年，Murphy A等人[3]首次成功實現了基于光纖非本征型法布里—珀羅干涉(extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric，EFPI)腔結構的光纖傳感器件以來，由于非本征型光纖F—P傳感器具有易于減小參量間的交叉敏感、便于調整靈敏度和動態范圍等優點，這種結構的EFPI光纖應變傳感器得到了快速發展[4～9]。

爆炸環境下的動壓測量由于壓力大、頻率高、易產生爆炸感生電磁干擾，一直是測試技術的一大難點。為此，本文設計了一種光纖F—P壓力傳感器，并用于現場試驗。

1傳感器封裝結構

基于EFPI光纖傳感器的實用障礙主要在于難以制作高質量的微小非本征光纖F—P腔。在已有的報導中，大部分是通過空心管或空心光纖來準直入射光纖與反射光纖形成F—P腔，但由于光纖的外徑為125 μm，空心管的內徑在130～140 μm之間，兩者相差小，插入非常困難。制作的難點是:在將光纖插入空心管的過程中，光纖端面非常容易和空心管的端口接觸，這樣就會破壞光纖端面，即使光纖插入空心管中，兩光纖端面也無法保證原有的平整度，也就無法保證光在兩光纖端面之間的反射的正常進行。這種制作方式制作速度和成功率較低。

為解決F—P腔的制作難題，采用如圖1所示的彈性膜片與光纖端面形成F—P腔的結構形式。

圖1　F—P腔原理示意圖Fig 1　Principle of F—P cavity

設計的光纖壓力傳感器結構如圖2所示。傳感器主要由F—P腔結構和安裝殼體結構，采用螺紋后端面密封。F—P腔結構包括敏感膜片體、固定螺桿、導向定位毛細管和光纖；安裝殼體結構為M12×1的螺紋殼體，在螺紋的后部設置端面，端面上開環形槽放置密封墊以便在校準和使用時傳感器的密封。固定接頭用于固定光纖護套。

圖2　傳感器結構圖Fig 2　Structure of sensor

2光纖F—P傳感器的解調

本傳感器采用三波長解調法進行解調[10,11]。三個波長分別為λ1，λ2，λ3的激光光源經3×3耦合器混合后，由光環行器進入光纖F—P傳感器，傳感器返回光經光濾波器后又分為三路波長為λ1，λ2，λ3的光，三路光經光電管檢測轉換為電壓,由數據采集系統采集后進行處理，如圖3。

對于低反射率的光纖F—P傳感器，傳感器返回光的強度I可近似由下式的余弦函數表示

I=kI0(1+Vcosφ)

式中I0為輸入光強，k為F—P腔平均反射率，V為F—P腔干涉可見度，φ為F—P腔的相位，且φ=4πn/λ。

圖3　三波長解調方案Fig 3　Three-wavelength demodulation scheme

對于腔長為l的傳感器，可任選三路波長分別為λ1,λ2,λ3的光，則傳感器對三路光的輸出之間的相位差為δ1,δ2。傳感器輸出的三路光經光電轉換后的電信號為

(1)

聯立上式，可得

由此可見，根據測得的三路信號，可解調出相位φ，從而可得到傳感器的腔長：l=λ1φ/(4πn)。

3傳感器靜態性能測試

靜態校準試驗采用活塞壓力計作為壓力的產生裝置，以標準壓力傳感器作為壓力的指示儀器，其輸出的標準壓力可由表頭顯示，并可輸出對應的電壓值。光纖F—P壓力傳感器的輸出由研制的光纖F—P傳感器三波長解調儀轉換、記錄和解調。靜態校準試驗裝置如圖4所示。

圖4　靜態校準試驗裝置示意圖Fig 4　Diagram of static calibration experimental device

利用三路電壓信號采用三波長法建立的解調輸出Φ與壓力P之間的關系曲線如圖5所示。

圖5　傳感器的解調輸出Fig 5　Demodulation output of sensor

擬合相關系數為0.999 61，由擬合曲線求得此傳感器的最大線性度誤差為δL=0.6 %。

4傳感器動態性能試驗

動態性能試驗采用Φ100 mm激波管動態壓力校準裝置產生階躍壓力，傳感器安裝于激波管尾部端面，測量激波在斷面上產生的反射壓力。

傳感器在階躍壓力作用下解調后的輸出如圖6所示。

圖6　光纖F—P傳感器階躍響應Fig 6　Step response of fiber-optic F—P sensor

根據對測試結果分析可知，傳感器的階躍響應上升時間小于2 μs(量程為5 MPa時)，固有頻率大于200 kHz(量程為5 MPa時)。

5爆炸壓力測試

為檢驗該傳感器的性能，進行了野外爆炸試驗，對其性能進行測試。將傳感器安裝于鋼板的背面，炸藥吊裝位于鋼板的正上方，離鋼板一定距離爆炸，傳感器測量爆炸沖擊波作用于鋼板上的反射壓力。

試驗在不同藥量和不同炸高下進行了多炮次爆炸，測得的典型波形如圖7。

圖7　傳感器爆炸測試波形Fig 7　Waveform of sensor in explosion test

測量波形表明:該傳感器測量結果不受電磁干擾，波形較為平滑，能準確反映爆炸正壓和負壓作用過程。

6結論

1)本文基于F—P原理研制了一種非本征型的爆炸動壓傳感器，設計了其膜片結構和封裝結構；2)采用三波長法對F—P信號進行解調，通過實驗證明該解調方法是可行的；3)靜態加載試驗，動態加載試驗和現場爆炸測試表明，研制的F—P壓力傳感器線性度較好，不受爆炸感生電磁干擾影響，測量波形平滑，可用于爆炸動壓測量。

參考文獻:

[1]侯俊芳,裴麗,李卓軒,等.光纖傳感技術的研究進展及應用[J].光電技術應用,2012,27(1):49-52.

[2]陳慧,姚建銓,陳曦.光纖氣體傳感器及其組網技術綜述[J].傳感器與微系統,2013,32(9):9-11,24.

[3]Murphy K A,Gunther M F,Vengsarkar A M,et al.Quadrature phase-shifted extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J].Op-

tics Letters,1991,16(4):273-275.

[4]Zhu Y,Huang Z,Shen F,et al.Sapphire-fiber-based white-light interferometric sensor for high-temperature measurements[J].Optics Letters,2005,30(7):711-713.

[5]Xiao Hai,Deng Jiangdong,Wang Zhiyong,et al.Fiber-optic pressure sensor with self-compensation capability for harsh environment applications[J].Optical Engineering,2005,44(5):054403.

[6]Gao Yingjun,Zhang Zhilu,Zhao Zhonghua,et al.A new fiber Fabry-Perot cavity sensor[C]∥Advanced Materials and Devices for Sensing and Imaging III,Beijing:SPIE,2007:682910—1-682910—6.

[7]Ge Yixian,Wang Ming,Chen Xuxing,et al.An optical MEMS pressure sensor based on a phase demodulation method[J].Sensors and Actuators A,2008,143:224-229.

[8]Aref S H,Latifi H,Zibaii M I,et al.Fiber-optic Fabry-Perot pressure sensor with low sensitivity to temperature changes for downhole application[J].Optics Communications,2007,269:322-330.

[9]Aref S H,Zibaii M I,Latifi H,et al.An improved fiber optic pressure and temperature sensor for downhole application[J].Mea-surement Science & Technology,2009,20:1-6.

[10] Schmidt M,Furstenau N,Bock W,et al.Fiber-optic polarimetric strain sensor with three-wavelength digital phase demodula-tion[J].Optics Letters,2000,25(18):1334-1336.

[11] MacPherson W N,Kidd S R,Barton S,et al.Phase demodulation in optical fiber Fabry-Perot sensors with inexact phase step-s[C]∥IEEE Proc of Optoelectron,1997:130-133.

Design of extrinsic optical fiber explosion dynamic pressure sensor based on Fabry-Perot principle

CHEN Xian1, XU Fen2, YU Shang-jiang1， YANG Ji-xiang1

(1.The third Academy of Engineer General Staff,Luoyang 471023,China;2.China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)

Abstract:An extrinsic fiber Fabry-Perot(F-P)explosion pressure sensor is designed,which has diaphragm type structure and F-P signal is demodulated with three-wavelength method.Pressure load experiments prove that the developed F-P pressure sensor has good linearity and high frequency response,and will not be influenced by electromagnetic interference,so it is able to be used in measurement of dynamic pressure of explosion.

Key words:extrinsic fiber; Fabry-Perot(F-P); pressure sensor; explosion measurement

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0076—03

收稿日期：2015—08—08

中圖分類號：TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0076—03

作者簡介:

陳顯(1983-),男,湖北天門人,碩士,助理研究員,研究方向為存儲測試技術。