一種光纖光柵沖擊壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型涉及測量技術領域，尤其是一種光纖光柵沖擊壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]在沖擊波物理、爆轟物理領域內，精確測量沖擊壓力對材料的物態方程及本構關系、含能炸藥的燃燒?爆轟轉換、高能炸藥沖擊起爆和爆轟性能、材料的沖擊相變和材料動態損傷及斷裂等研究具有重要意義。精確測量介質內的沖擊壓力對常規武器設計技術、破壞效應研究和新型材料研究具有直接的參考意義。
[0003]文獻〈利用光纖光柵傳感器測量炸藥內的沖擊壓力>(P.G.Van’t Hof,L.K.Cheng, J.H.G.Schopltes, ff.C.Prinse.Dynamic Pressure Measurement of ShockWaves in Explosives by Means of a Fiber Bragg Grating Sensor,Proc.0f SPIEVol.6279, 62791Y, (2007) 0277-786/07.)報導了利用不等臂光纖 Mach-Zehnder 干涉裝置，將沖擊壓力引起光纖光柵的波長移動轉換為干涉信號，從而檢測相位差的測量方法。該文獻報導的所測沖擊壓力峰值約為lGPa，系統時間分辨本領為亞微秒量級。該技術存在以下不足:I)系統時間分辨本為亞微秒量級，對快沖擊過程很難完全響應，造成信號“失真”，甚至“丟失”；2)需要預先精確標定壓力-體積曲線，否則無法計算出沖擊壓力；3)很難精確地將不等臂光纖Mach-Zehnder干涉裝置的光程差控制在I ±0.1 mm左右;4)所測沖擊壓力的峰值太小，約為IGPa。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是:針對現有技術存在的問題，提供一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，通過激光器、三端口環形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號處理裝置，完成檢測沖擊壓力引起的光纖光柵的波長移動轉換為時域信號，再通過信號處理裝置的光電探測器和數字示波器完成信號記錄。
[0005]本實用新型采用的技術方案如下:
[0006]—種光纖光柵沖擊壓力傳感器包括用于產生重頻飛秒激光信號的激光器;用于激光信號傳遞的三端口環形器、用于信號處理的放大及色散單元、用于反射光信號的邊孔光柵光纖以及用于數據處理的信號處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環形器第一端口，三端口環形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號處理裝置連接。
[0007]進一步的，所述放大及色散單元包括用于進行信號放大的摻鉺光纖放大器、用于信號放大的前置拉曼放大器、進行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。
[0008]進一步的，所述數據處理模塊包括將時域信號轉換為電信號的光電轉換器、采集電信號的不波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉換器輸入端連接;光電轉換器輸出端、示波器依次連接。
[0009]進一步的，所述激光器重復頻率為50 MHZ?200 MHz;線寬為50nm?100 nm;平均功率為50 mff -200 mW;脈沖的上升時間為Ips?100 fs;中心波長為1550nm。
[0010]進一步的，所述當激光器是重頻鎖模飛秒激光器;重復頻率為100MHz;線寬約為50nm;平均功率約為100 mW;脈沖的上升時間為100 fs;中心波長為1550nm。
[0011]進一步的，所述邊孔光纖光柵的光柵長度范圍為2mm?10mm;波長-壓力常數范圍為I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波長1550 nm
[0012]進一步的，所述邊孔光纖光柵的光柵長度為5mm;波長-壓力常數為5 nm/GPa;中心波長1550 nm。
[0013]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是:
[0014]I)本傳感器的可測峰值壓力提高到10 GPa左右(可測壓力峰值為激光器的線寬/邊孔光纖光柵的壓力-波長常數)，擴大了光纖光柵壓力傳感器的測量范圍。
[0015]2)系統響應時間可達1ns(系統響應時間為激光器重復頻率的倒數)左右，可較為真實地響應沖擊過程；
[0016]3)本傳感器采用的邊孔光纖光柵的波長移動僅與沖擊壓力有線性關系，而與溫度無關，因此該傳感器不需要標定壓力-體積曲線。
【附圖說明】

[0017]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0018]圖1是本實用新型結構框圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0020]主要元器件的技術指標如下:
[0021]a)本實用新型中的激光器為重頻鎖模飛秒激光器，其主要技術參數為:I)重復頻率:50 MHZ?200 MHz;2)線寬:50nm?100 nm;3)平均功率:50 mff?200 mW;4)脈沖的上升時間:50fs~1000 fs;中心波長:1550nm。
[0022]b)3端口光環形器的主要技術指標為:1)線寬:50nm?100 nm;2)回波損耗>50dB;3)中心波長1550 nm0
[0023]c)邊孔光纖光柵的主要技術指標為:I)光柵長度:2mm?10 mm;2)波長-壓力常數為I nm/GPa ~10 nm/GPa;3)中心波長 1550 nm。
[0024]d)摻鉺光纖放大器的主要技術指標為:1)增益:30dB?50dB;2)噪聲:<2dB;3)中心波長 1550 nm。
[0025]e)拉曼放大器的主要技術指標為:I)增益:>1dB;2)噪聲:<IdB;3)中心波長1550 nm;4工作波段:C波段。
[0026]f)光纖的主要技術指標為:I )群速度色散:17.4 ps nm_l km_l(中心波長1550nm) ;3)群速度:2.04X 18 m/s(中心波長 1550 nm)。
[0027]g)光電探測器的主要技術指標為:1)帶寬:>15 GHz;2)增益:>1000 V/W;3工作波長范圍:800nm?1700nmo
[0028]h)數字示波器的主要技術指標為:1)帶寬:>12.5 GHz;2采樣率:>50 GS/s;3)記錄長度:>10 M Samples。
[0029]工作原理:如圖1所述，激光器的每個脈沖經過3端口光環形器的第一端口進入第二端口和受沖擊作用的邊孔光纖光柵。光脈沖被邊孔光纖光柵反射后，再從第三端口光環形器的第二端口進入第三端口，被摻鉺光纖放大器、前置拉曼放大器進行預放，然后進入單模光纖進行色散傅里葉變換，同時被后置拉曼放大器進行光放大。最后，完成色散傅里葉變換后的信號被光電探測器、示波器記錄。
[0030]一種光纖光柵沖擊壓力傳感器包括用于產生重頻飛秒激光信號的激光器;用于激光信號傳遞的三端口環形器、用于信號處理的放大及色散單元、用于反射光信號的邊孔光柵光纖以及用于數據處理的信號處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環形器第一端口，三端口環形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號處理裝置連接。其中所述放大及色散單元包括用于進行信號放大的摻鉺光纖放大器、用于信號放大的前置拉曼放大器、進行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。
[0031]進一步的，所述數據處理模塊包括將時域信號轉換為電信號的光電轉換器、采集電信號的不波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉換器輸入端連接;光電轉換器輸出端、示波器依次連接。
[0032]本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。
[0033]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
【主權項】
1.一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于包括用于產生重頻飛秒激光信號的激光器;用于激光信號傳遞的三端口環形器、用于信號處理的放大及色散單元、用于反射光信號的邊孔光柵光纖以及用于數據處理的信號處理裝置;所述激光器輸出端與三端口環形器第一端口，三端口環形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接;三端口環形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接;放大及色散單元的輸出端與信號處理裝置連接。2.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述放大及色散單元包括用于進行信號放大的摻鉺光纖放大器、用于信號放大的前置拉曼放大器、進行色散傅里葉變換的光纖以及用于信號放大的后置拉曼放大器;所述摻鉺光纖放大器輸入端作為放大及色散單元的輸入端;摻鉺光纖放大器輸入端與三端口環形器第三端口連接;摻鉺光纖放大器輸出端與前置拉曼放大器、光纖以及后置拉曼放大器輸入端依次連接;后置拉曼放大器輸出端作為放大及色散單元輸出端。3.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述數據處理模塊包括將時域信號轉換為電信號的光電轉換器、采集電信號的示波器;所述放大及色散單元輸出端與光電轉換器輸入端連接;光電轉換器輸出端、不波器依次連接。4.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述激光器重復頻率為50 MHZ?200 MHz;線寬為50nm?100 nm;平均功率為50 mff?200 mW;脈沖的上升時間為Ips?100 fs;中心波長為1550nm。5.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述當激光器是重頻鎖模飛秒激光器;重復頻率為10MHz;線寬約為50 nm;平均功率約為100 mW;脈沖的上升時間為100 fs;中心波長為1550nmo6.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述邊孔光纖光柵的光柵長度范圍為2mm?10 mm;波長-壓力常數范圍為I nm/GPa ~10 nm/GPa;中心波長1550 nmD7.根據權利要求1所述的一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，其特征在于所述邊孔光纖光柵的光柵長度為5 mm;波長-壓力常數為5 nm/GPa;中心波長1550 nm。
【專利摘要】本實用新型涉及測量技術領域，尤其是一種光纖光柵沖擊壓力傳感器。本實用新型針對現有技術存在的問題，提供一種光纖光柵沖擊壓力傳感器，通過激光器、三端口環形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號處理裝置，完成檢測沖擊壓力引起的光纖光柵的波長移動轉換為時域信號，再通過信號處理裝置的光電探測器和數字示波器完成信號記錄。本實用新型包括激光器、三端口環形器、放大及色散單元、邊孔光柵光纖以及信號處理裝置；所述激光器輸出端與三端口環形器第一端口，三端口環形器第二端口與邊孔光纖光柵光連接；三端口環形器第三端口與放大及色散單元輸入端連接；放大及色散單元的輸出端與信號處理裝置連接。
【IPC分類】G01L5/00, G01L1/24
【公開號】CN205384110
【申請號】CN201521101340
【發明人】鄧向陽
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月28日