一种冲击波走时参数测量方法和装置

摘要

一种用于基于光纤弯曲传感器的爆炸冲击波走时参数的测量方法和装置，在冲击波传播方向布置多只光纤弯曲传感器，通过记录冲击波到达传感器时的脉冲信号和测量传感器之间的距离，计算得到冲击波在传感器之间的传播平均速度。测量装置包括光纤弯曲传感器和信号记录设备，光纤弯曲传感器由光纤圈、传输光纤、光源、光电探测器和信号放大处理单元组成，其中光纤圈由裸光纤弯曲而成。本发明实现了MPa级及MPa级以上压力的冲击波走时参数测量并具有结构简单，制作方便、成本低等特点，可大大降低了实验费用，并克服了冲击波在固体介质中传播时对空气中传播走时参数测量的影响，提高了测量准确度。

权利要求

1.一种冲击波走时参数测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

[1]在冲击波传播方向，按照一定的间距布置n个光纤圈，所述n个光纤圈采用如下方式组装：包括光源、输入光纤、光纤圈、光纤圈固定座、输出光纤、光电探测器、信号放大处理单元和信号记录设备，所述光源经过输入光纤与光纤圈耦合，所述光纤圈经过输出光纤与光电探测器耦合，所述光电探测器与信号放大处理单元电连接，所述信号放大处理单元与信号纪录设备电连接；所述光纤圈由裸光纤弯曲而成，其弯曲半径大于该光纤的最小弯曲半径；所述光纤圈固定在光纤圈固定座上；所述光纤圈所在平面与冲击波方向平行；

[2]光纤圈敏感冲击波的冲击，产生脉冲信号；

[3]对n只光纤圈产生的脉冲信号进行记录；

[4]对记录得到的信号数据进行处理，得到冲击波达到每个光纤圈的时刻ti；

[5]根据光纤圈的间距计算得到冲击波在不同光纤圈之间的传播平均速度。

2.根据权利要求1所述的冲击波走时参数测量方法，其特征在于：所述的冲击波传播平均速度的计算公式为： 其中 为第i只和第k只光纤圈之间的冲击波传播平均速度，m为二者之间的距离，ti和tk分别表示冲击波达到第i只和第k只光纤圈的时刻，其中：k＜i。

3.一种冲击波走时参数测量装置，其特征在于：包括光源、输入光纤、光纤圈、光纤圈固定座、输出光纤、光电探测器、信号放大处理单元和信号记录设备，所述光源经过输入光纤与光纤圈耦合，所述光纤圈经过输出光纤与光电探测器耦合，所述光电探测器与信号放大处理单元电连接，所述信号放大处理单元与信号纪录设备电连接；所述光纤圈由裸光纤弯曲而成，其弯曲半径大于该光纤的最小弯曲半径；所述光纤圈固定在光纤圈固定座上；

且光纤圈所在平面与冲击波方向平行。

4.根据权利要求3所述的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：还包括与地面固定的立支架和与立支架上端垂直固定的延长杆，所述光纤圈固定座安装在延长杆的外伸端，所述延长杆的轴线与冲击波的方向一致且外伸端朝向冲击波的方向。

5.根据权利要求3或4所述的冲击波走时参数测量装置，其特征在于：所述的信号记录设备为示波器或数据采集系统。

说明书

一种冲击波走时参数测量方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种爆炸产生的冲击波走时参数测量的方法和装置，尤其是利用光纤传感测量冲击波走时参数的测量方法和装置。

背景技术

[0002] 冲击波波面的走时特性对于分析炸药和其他爆炸物的威力和效能具有重要的作用。常见的测量冲击波波面走时参数的方法是电学测量方法，但由于抗电磁干扰能力较差，故难以用于强电磁环境下的冲击波走时参数测量。

[0003] 2006年第26卷的《爆炸与冲击》“石英光纤探针在非金属材料冲击实验中的应用”中公开了一种光纤探针测量冲击波走时参数的装置，主要由石英光纤探针、传输光纤、光电倍增管、高频电缆和示波器组成。石英光纤探针的工作原理是利用熔石英在受到冲击时会产生光辐射的特性，当冲击波到达石英光纤端面时，石英光纤会产生一个强烈的光脉冲信号，该光脉冲信号经光纤传输到光电探测器，转换为电信号再由示波器记录，通过判读就可以知道冲击波到达光纤探针的时刻。该光纤探针中光纤的端面经过光学加工并镀有金属膜，其作用是防止杂光进入光纤，并具有不受电磁干扰、时间测量精度高等优点。但是由于该测量方法利用了熔石英光纤在冲击作用下的自发光原理，而自发光辐射需要在很高的冲击压力下(通常在GPa级)才能实现，故该方法难以用于小威力爆炸实验中对于MPa级压力的冲击波走时参数的测量。

发明内容

[0004] 本发明目的是提供一种基于光纤弯曲传感技术的冲击波走时参数测量方法和装置，可用于MPa级及以上压力的冲击波走时参数测量，并具有结构简单，成本低的特点。

[0005] 本发明的技术解决方案是：

[0006] 一种冲击波走时参数测量方法，包括以下步骤：

[0007] [1]在冲击波传播方向，按照一定的间距布置n个光纤圈，光纤圈的轴线与冲击波方向垂直；

[0008] [2]光纤圈敏感冲击波的冲击，产生脉冲信号；

[0009] [3]对n只光纤圈产生的脉冲信号进行记录；

[0010] [4]对记录得到的信号数据进行处理，得到冲击波达到每个光纤圈的时刻ti；

[0011] [5]根据光纤圈的间距计算得到冲击波在不同光纤圈之间的传播平均速度。

[0012] 上述冲击波传播平均速度的计算公式为： 其中 为第i只和第k只光纤圈之间的冲击波传播平均速度，m为二者之间的距离，ti和tk分别表示冲击波达到第i只和第k只光纤圈的时刻，其中：k＜i。

[0013] 一种冲击波走时参数测量装置，其特殊之处是：包括光源、输入光纤、光纤圈、光纤圈固定座、输出光纤、光电探测器、信号放大处理单元和信号记录设备，所述光源经过输入光纤与光纤圈耦合，所述光纤圈经过输出光纤与光电探测器耦合，所述光电探测器与信号放大处理单元电连接，所述信号放大处理单元与信号纪录设备电连接；所述光纤圈由裸光纤弯曲而成，其弯曲半径大于该光纤的最小弯曲半径；所述光纤圈固定在光纤圈固定座上；所述光纤圈轴线与冲击波方向垂直。

[0014] 上述冲击波走时参数测量装置还包括与地面固定的立支架和与立支架上端垂直固定的延长杆，所述光纤圈固定座安装在延长杆的外伸端，所述延长杆的轴线与冲击波的方向一致且外伸端朝向冲击波的方向。

[0015] 上述的信号记录设备为示波器或数据采集系统。

[0016] 本发明具有的有益效果：

[0017] 1、本发明实现了MPa级及MPa级以上压力的冲击波走时参数测量，具有广泛的适用性。

[0018] 2、本发明具有结构简单，响应灵敏、制作方便、成本低等特点，且在实验中只需要对损坏的光纤圈即可重复再用，大大降低了实验费用。

[0019] 3、本发明采用的将光纤圈安装在立支架的延长杆端部的方法和装置，克服了冲击波同时在固体介质和空气中传播时，引起的对空气传播走时参数测量的影响，进一步提高了测量精度和准确度。

附图说明

[0020] 图1是本发明光纤弯曲传感器的结构原理图；

[0021] 图2是光纤弯曲传感器测量冲击波时的位置示意图；

[0022] 图3是本发明光纤弯曲传感器的实验结果图；

[0023] 其中：1-光纤圈；2-输入光纤；3-输出光纤；4-光源；5-光电探测器；6-信号放大处理单元；7-光纤圈固定座；8-延长杆；9-立支架。

具体实施方式

[0024] 在图1所示的光纤弯曲传感器中，光源4输出光信号经过输入光纤2、光纤圈1、输出光纤3后耦合进光电探测器5，再经过信号放大处理单元6后，得到电信号。在冲击波到来之前，光纤圈1、输入光纤2和输出光纤3引起的光路损耗为恒值，光源4输出的光信号经过恒定的光路损耗后，再经光电探测器5转换和信号放大处理单元6后，输出一个直流高电平信号。

[0025] 当冲击波到达光纤圈1时，由于冲击压力，会造成光纤圈1弯曲，引起光路损耗剧增，甚至出现光纤圈1折断，这时光纤传感器会输出一个高低电平信号转换脉冲信号，甚至直接由高电平变为直流本底信号，而电平转换脉冲下降沿出现的时刻，即为冲击波到达光纤弯曲传感器的时刻ti。实验中在冲击波传播通道上布置n只光纤弯曲传感器，其中i表示第i只传感器，精确测量相邻传感器之间的距离m，结合前面得到冲击波到达时刻ti和ti+1，即可以得到冲击波在第i只传感器和第i+1只传感器位置之间m长距离中的平均速度进而可以得到冲击波在特定的传播区间和传播时间内的走时参数。

[0026] 本测量方法具有结构简单、响应灵敏，多次的验证实验表明，同样可用于小威力爆炸实验中MPa级压力的冲击波参数测量。

[0027] 光纤圈1是由表面覆着涂敷层裸光纤弯曲而成，其弯曲的半径大于等于该光纤的最小弯曲半径，其中最小弯曲半径r0是表征光纤最小可弯曲程度的参数，其值取决于光纤的实际材料和工艺，通常情况下光纤在出厂时会给出其最小弯曲半径值参数r0。光纤圈1的制作和固定方法是将裸光纤弯曲一周后在光纤交叉的根部采用胶粘或绑扎，由于光纤本身的弹性，自然形成光纤圈1，再将其粘接或者其他方式固定在光纤圈固定座7，安装时，其弯曲方向迎着冲击波的传播方向。

[0028] 如图2所示，为了防止光源4、光电探测器5和信号放大处理单元6受到冲击波冲击时失效，通常仅将光纤圈1放置在冲击测量区域，而将其余部件均放在距离爆炸冲击源较远的地方，中间依靠输入光纤2、输出光纤3与光纤圈1相联。由于光纤圈本身结构简单，成本低，结合上述实验方式可以进一步降低实验成本，实验完毕后，只需要重新更换光纤圈即可重复再用。图2中省略了光源4、光电探测器5和信号放大处理单元6，上述器件通过输入光纤2和输出光纤3放置在远离冲击源的地方。

[0029] 根据爆炸传播理论知，冲击波在固体介质中的传播速率大于在空气中的传播速度，故上述光纤弯曲传感器在应用于空气冲击波的传播速度测量时需要在传感器的固定方式中合理设计。

[0030] 在图2中，光纤弯曲传感器是通过立支架9固定在地面上，为防止冲击波沿地面先传播到立支架9，引起立支架的晃动，对后续到来的沿空气中传播的冲击波产生的测量信号产生干扰，故在立支架9上伸出一根延长杆8，延长杆8的布置方向与冲击波的方向一致，并迎着冲击波的传播方向，光纤圈1固定在延长杆8端部。这样以来，虽然同一爆炸源产生的冲击波在空气中传播速度比在地面固体介质中的传播速度慢，但是由于延长杆8的缘故，其传播的距离较短，则仍可保证沿空气传播的冲击波先到达光纤圈1，产生脉冲下降沿后，后续的干扰信号才能到达，确保了测量的可靠性和准确性。

[0031] 对于脉冲信号的记录可以采用示波器、多通道数据采集卡等，只要记录系统的通道数够用且时间响应足够快，即可以满足上述测量要求。

[0032] 下面给出了一次本发明验证实验的结果，在一个PVC制成的直线管道中安装有50g炸药，分别在离炸药爆心400mm、800mm、1200mm、1600mm、2000mm处安装有5只光纤弯曲传感器，光纤采用常规9μm/125μm单模光纤，光纤圈1由裸光纤弯曲后制成，弯曲半径约
10mm，光纤圈1通过立支架9固定在PVC管壁上，立支架9上延长杆8的长度约200mm，根据理论估算，其到达传感器的冲击压力在MPa级，数据记录系统采用多通道高速数据采集系统。实验结果表明1μs时间内，输出信号即由高电平转换为低电平且没有再恢复，说明光纤圈1在受到冲击后1μs内即损坏，通过读取下降沿发生的时刻，再结合实测的传感器之间的距离得到了如图3所示的实验结果。说明该测量方法和装置可有效用于MPa级压力下的冲击波走时参数测量。

[0033] 本发明不局限于上述具体实施方式，比如立支架9和延长杆8的结构，光纤圈1与光纤圈固定座7的连接方式均可以适当地变化，光纤弯曲传感器的固定方式同样适用于平洞、管道或其他冲击波传输廊道，并不一定要固定在地面上；此外信号放大处理单元6原理的不同，也可以设计为冲击波到来之前传感器输出低电平信号，而在冲击波对光纤圈1冲击时产生高电平转换。以上变化均在本发明的保护范围内。