一種F-P光纖爆炸壓力傳感器設計

陳 顯，余尚江，周會娟，陳晉央

(1.軍委后勤保障部 工程兵科研三所，河南 洛陽 471023;2.河南省特種防護材料重點實驗室，河南 洛陽471000)

0 引 言

爆炸條件下相關參數的測量一直是爆炸研究和應用中十分重要的問題，但由于爆炸環境的惡劣性以及復雜性，目前，對于爆炸壓力尤其是近爆區內的壓力測量仍未很好地解決。目前，可用于爆炸近區壓力測量的傳感器不僅可選擇的種類少，而且存在抗干擾能力差、適應場合少等缺點。光纖法布里—珀羅(Fabry-Perot，F-P)傳感器以其結構簡單、體積小、靈敏度高、時間響應快、單光纖信號傳輸等優點受到普遍關注，光纖F-P傳感器應用最廣泛的場合是測量應變、溫度和壓力，其中,光纖式壓力傳感器大都應用于靜態壓力及工業中的低頻壓力波動測量，對于爆炸條件下的高頻響和大壓力的測量，還沒有開展針對性的研究，也沒有相關產品，因此，需要從傳感器的結構、動態響應能力等方面開展光纖壓力傳感器的研究[1～10]。

為此，基于F-P原理，本文設計了一種可用于大壓力測量的爆炸壓力傳感器，即支撐式結構的光纖F-P傳感器。

1 傳感器封裝結構

傳感器F-P腔結構如圖1所示，由2個鍍膜的陶瓷插芯端面構成，圖中上部的陶瓷插芯由插芯托柄固定封裝于支撐圓柱體上，其端面鍍有反射率約為30 %的介質膜作為F-P的一個反射面，下部的陶瓷插芯內有光纖，其上光纖端面鍍有反射率約為8 %的介質膜。當支撐圓柱受到壓力作用壓縮變形時，兩陶瓷插芯端面形成的F-P腔腔長變小，即被測外界壓力引起了F-P腔腔長的變化。

圖1 支撐式F-P傳感器原理

支撐式光纖F-P傳感器整體結構和實物如圖2所示。傳感器主要由膜片體、陶瓷插芯、支撐圓柱、導向定位桿、保護桿及固定接頭等部分組成。

圖2 支撐式光纖F-P傳感器

2 光纖F-P傳感器的解調

傳感器采用三波長解調法進行解調[11，12]。如圖3，3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3路波長為λ1，λ2，λ3的光，3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。

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

I=kI0(1+Vcosφ)

(1)

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，φ=4πnl/λ。

圖3 三波長解調方案

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

(2)

可得

(3)

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)

(4)

3 傳感器靜態性能測試

一般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

考慮逐點加載校準耗時費力，本文采用連續加卸載的方法進行傳感器的校準。具體方法為：1)根據光纖F-P壓力傳感器的量程，由活塞壓力計連續加載至最大壓力值；2)連續卸載回零。標準壓力傳感器和光纖F-P壓力傳感器同時對壓力響應，標準壓力傳感器的輸出和光纖F-P壓力傳感器經三波長變換后的輸出由存儲測試儀采集后存儲；3)對存儲的數據采用三波長法進行解調。

校準過程為：1)傳感器輸出的三路光經光/電轉換和放大后輸出三路電壓信號；2)記錄三路信號后對其進行正弦擬合，得到每路信號的幅度、相位信息；3)對信號進行幅度和零位調整。調整后的電壓如圖5所示,加載時傳感器輸出如圖6所示。

圖5 傳感器調整后的三路輸出電壓

圖6 加載時傳感器輸出

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7所示。

圖7 傳感器解調輸出

可以看出:解調輸出與壓力之間存在較好的線性關系，無論是加載過程還是卸載過程，傳感器的靈敏度差異極小，且幾乎一致，說明傳感器本身穩定性較好，具有較好的重復性，幾乎不存在遲滯。

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，如圖8。

圖8 光纖F-P傳感器動態校準裝置

傳感器在階躍壓力作用下解調后的輸出如圖9所示。

圖9 光纖F-P傳感器階躍響應

根據對測試結果的分析，研制的傳感器的階躍響應上升時間小于2 μs，固有頻率大于100 kHz。

5 爆炸壓力測試

為檢驗傳感器的性能，進行了野外爆炸試驗。將傳感器安裝于鋼板的背面，炸藥吊裝于鋼板的正上方，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，如圖10。

圖10 爆炸壓力測試

在不同藥量和不同炸高下進行了多炮次爆炸試驗，測得的典型波形如圖11。

圖11 傳感器爆炸測試波形

通常認為，炸藥爆炸后，爆轟產物停止膨脹往回運動時，會在脈沖的下降段末端產生負壓。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)基于F-P原理研制了一種支撐式爆炸動壓傳感器，設計了其膜片結構和封裝結構，量程50～500 MPa；

2)采用三波長法對F-P信號進行解調，通過試驗證明解調方法可行；

3)靜態加載試驗、動態加載試驗及爆炸試驗表明：研制的F-P壓力傳感器線性度較好，回程誤差小，不受爆炸感生電磁干擾影響，測量波形平滑，是進行爆炸動壓測量的理想傳感器。

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