测量炸药旁侧爆轰波速度的啁啾光纤布拉格光栅传感器技术*

邓向阳,刘寿先,彭其先,李泽仁,陈光华,蒙建华

(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999)



测量炸药旁侧爆轰波速度的啁啾光纤布拉格光栅传感器技术*

邓向阳,刘寿先,彭其先,李泽仁,陈光华,蒙建华

(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999)

提出了一种适用于啁啾光纤布拉格光栅CFBG(chirped fiber Bragg grating)传感器测量爆轰波速度的实验公式，该公式考虑了ASE(amplified spontaneous emission)光源的光谱、CFBG的平坦度对测量的影响；研究了CFBG的反射谱线宽与长度的理论关系，并设计了测量CFBG反射谱线宽的实验装置，从而可计算出CFBG长度。搭建了测量CFBG传感器系统常数的实验装置，并利用实验数据拟合了系统常数；用CFBG传感器测量了RDX/TNT(60/40)的旁侧爆轰波速度，与其爆速有3.4%的差异。

爆炸力学；啁啾光纤布拉格光栅传感器；反射谱；爆轰波速度；ASE光源

爆轰波速度作为炸药特性参数之一，对流体动力学计算程序定标[1]、化学动态燃烧模型[2]、火箭推进剂研究[3]、炸药的燃烧-爆轰过程研究[4]和不同炸药界面爆轰特性研究[5]具有重要的意义。此外，冲击波速度作为材料的动高压关键参数之一，对研究冲击波的传播规律、材料的动高压特性具有重要的作用[6]。

传统连续测量爆轰波/冲击波速度的方法为微波干涉法，利用从爆轰波阵面或冲击波阵面返回的信号与参考信号叠加，形成拍频信号，处理该拍频信号可得到爆轰波/冲击波的连续速度历史。该方法具有以下不足[7]：(1)仅适用于线性波导中的爆轰波/冲击波速度测量；(2)不能用于金属材料和某些液体材料中爆轰波/冲击波速度测量；(3)微波的焦斑尺寸较大(10 mm左右)，对材料中爆轰波/冲击波速度测量有较大的影响。近10年来，利用多普勒效应发展了连续测量冲击波速度的FP和PDV技术，但设备昂贵、很难测量超高速。光纤光栅作为最近20年发展最迅速的光纤无源器件之一，在传感器领域中具有十分广泛的应用，如应变、温度、压力、超声波、加速度、磁场和速度等的测量。啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber Bragg grating，CFBG)传感器利用爆轰波/冲击波作用在CFBG上，使光纤光栅的长度减小，使返回信号光幅度减弱的效应测量爆轰波/冲击波的连续速度。该方法具有以下的优点：(1)CFBG的直径约125 μm，可实现“原位”爆轰波/冲击波速度的连续测量；(2)具有抗电磁干扰能力强的优点；(3)可连续测量不同炸药、材料界面的爆轰波/冲击波的速度变化；(4)适用于任何炸药、材料中爆轰波/冲击波速度的连续测量。

E.Udd等[8]率先用CFBG传感器连续测量冲击波速度，并申请了发明专利；J.Benterous等[9]用CFBG传感器连续测量电爆炸桥丝在水中产生冲击波的速度；E.Udd等[10]用CFBG传感器测量Nitromethane材料中爆轰波的传播速度；J.Benterous等[11]用CFBG传感器测量PBX 9502 炸药爆轰波速度。E.Udd等[12-14]用CFBG传感器测量C-3 detasheet塑形炸药表面爆轰波速度。在我国，目前主要开展了低响应速度下应变、温度、压力和磁场等[15-17]测量技术研究，尚无用CFBG传感器连续测量爆轰波/冲击波速度的报导。

本文中，提出一种适用于CFBG传感器测量爆轰波速度的实验公式，该公式包含ASE光源和CFBG反射谱的平坦度对速度测量的影响；研究CFBG的反射谱线宽与长度的理论关系，设计测量CFBG反射谱线宽的实验装置，可计算出CFBG长度。搭建测量CFBG传感器的系统常数的实验装置，并利用实验数据拟合系统常数；测量RDX/TNT(60/40)的旁侧爆轰波速度，验证CFBG传感器的有效性。

1 测量原理

图1给出了测量炸药爆轰波的CFBG传感器的结构示意图，ASE光源辐射出的光束，经3端口光循环器的1端口，到2端口，进入CFBG。满足布拉格反射条件的部分光被反射回来，经3端口光循环器的2端口到3端口，进入快响应探测器，被转换成电信号，并由数字示波器完成记录。

图1 CFBG传感器测量爆轰波速度的结构示意图Fig.1 Chirped fiber Bragg grating detonation velocity sensor system block diagram

测量爆轰波速度的CFBG传感器有一个假设：CFBG埋在炸药内，由于它的芯径很小，一般约125 μm，对炸药内爆轰波速度的影响可忽略不计，因此可认为CFBG测量的爆轰波速度即为炸药的爆轰波速度。当爆轰波在CFBG中传播时，CFBG的周期结构会逐步被破坏，造成CFBG的长度变短。

对于CFBG传感器而言，数字示波器记录的信号与CFBG的长度有线性关系[14]，因此可由数字示波器记录的信号计算爆轰波速度。

(1)

(2)

(3)

对式(1)进行有效变换：

(4)

(5)

式中：A、B为常数，与CFBG的长度、有效折射率、折射率调制深度和啁啾系数有密切的关系。

(6)

式中：L0为CFBG的初始长度。

2 CFBG传感器的标定

由测量原理，获得爆轰波/冲击波的速度，需要先获得常数L0、A和B。

(7)

(8)

式中：Λ0为CFBG的起始位置的长度周期，C为CFBG的啁啾率，n0为光纤光栅纤芯的平均折射率，Δn为折射率调制，一般为10-4量级。

CFBG的中心反射波长与长度周期有关系：

(9)

对于非变迹CFBG，线宽为[12]：

(10)

式中：zmax表示CFBG的末端位置，zmin表示CFBG的末端位置。

对于长度为L的CFBG，将式(7)～(9)代入式(10)，可得：

Δλ=2neffCL

(11)

由式(11)，只需要测量CFBG的反射谱线，就可计算出光纤光栅的长度。

图2为测量CFBG的反射谱线宽的布局示意图。ASE宽光谱光源辐射出的光束经3端口光循环器的1端口，到2端口，进入CFBG。从CFBG返回来的部分光经3端口光循环器的2端口到3端口，并传入光谱仪进行光谱记录。

图2 CFBG的反射谱线宽测量示意图Fig.2 Configuration for measuringreflection spectrum of CFBG

图3 CFBG的反射谱Fig.3 Reflection spectrum of CFBG

图3给出了光谱仪测量的CFBG的反射谱，其3 dB线宽为28.5 nm。CFBG的参数为：标称长度为20 mm，纤芯的有效折射率为1.446，啁啾系数为5×10-7，将这些值代入式(11)，可计算出CFBG的长度为19.7 mm。

图4给出了CFBG传感器的常数A和B的测量布局图。ASE宽光谱光源辐射出的光束经3端口光循环器的1端口，到2端口，进入CFBG。从CFBG的末端位置开始，按一定的步长对CFBG进行切割。CFBG返回来的部分光经3端口光循环器的2端口到3端口，并传入快探测器进行光信号记录。

切割CFBG的方法很多[14]，本文中采用一种简单、有效地方法：将CFBG固定在螺旋微调架上，可用螺旋调扭对切割步长进行调节。切割步长为1 mm，相关的数据见图5，对实验数据进行线性拟合，可得到：A=0.017，B=0.054 mm-1。

图4 标定CFBG传感器常数的实验布局图Fig.4 Configuration for calibrating the constants of CFBG sensor

图5 归一化信号与CFBG长度的关系Fig.5 Normalied signals vs CFBG length

3 炸药的旁侧爆轰波速度测量

图6 旁侧爆轰波速度测量的布局示意图Fig.6 Configuration for measuring side detonation velocity

用CFBG传感器测量炸药的旁侧爆轰波速度的实验布局如图6所示，雷管引爆传播药柱，CFBG紧贴在传播药柱傍边。传爆药柱为RDX/TNT(60/40)，其密度为1.684 mg/cm3，爆速(传爆药柱内的速度)为7.786 mm/μs。图7为CFBG传感器的原始信号。

图8给出了RDX/TNT(60/40)的旁侧爆轰波的位移曲线，其平均速度为7.52 mm/μs，与爆速7.786 mm/μs有3.4%的差异。该差异主要来源于两部分：(1)CFBG传感器的测量精度。CFBG传感器的测量精度主要受限于CFBG长度的测量、系统常数A和B的标定精度和CFBG的“尾端”效应等因素[11]，大量对比实验验证CFBG传感器的测量精度介于1%～2%[10～14]；(2)炸药的旁侧爆轰波速度比炸药内部爆轰波速度低。相关实验已证实该关系，但目前无相关的定量关系报导，需要进一步开展研究工作。

CFBG传感器实际得到的是爆轰波的位移曲线，从理论上讲，只需要微分就可以得到爆轰波的速度曲线，但由于实验数据存在一定的噪声，对微分带来了很大的影响，使爆轰波速度曲线的品质不尽人意。尽管开展了很多微分运算的方法研究，但目前仍然没有取得实质上的进展。因此，目前CFBG传感器给出的都是爆轰波的位移历史。

图7 实验信号Fig.7 Experimental signal

图8 位移曲线Fig.8 Displacement curve

4 结 论

针对测量爆轰波速度的CFBG传感器，提出了一种实验公式，与CFBG的长度、系统常数A和B有密切关系，该公式考虑了宽光谱光源的光谱、CFBG反射谱的不平坦度对测量的影响，提高了CFBG传感器的测量精度。研究了CFBG的反射谱线宽与CFBG长度的理论关系，搭建了测量CFBG反射谱线宽的实验装置，实现了从CFBG反射谱线宽计算出CFBG长度。搭建了可测量系统常数A和B的实验装置，根据实验数据拟合出了A和B。用CFBG传感器测量了RDX/TNT(60/40)传爆药柱的旁侧爆轰波速度，与RDX/TNT(60/40)传爆药柱爆速有3.4%的差异，差异的来源有两部分，一部分为CFBG传感器的自身测量精度，另一部分为RDX/TNT(60/40)传爆药柱的旁侧爆轰波速度与其体内爆轰波速度存在差异。

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(责任编辑 丁 峰)

Chirped fiber Bragg grating sensor for side detonation velocity measurement of the explosion

Deng Xiang-yang, Liu Shou-xian, Peng Qi-xian,Li Ze-ren, Chen Guang-hua, Meng Jian-hua

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

An experimental equation of CFBG sensor for detonation velocity measurement which was based on the flatness of ASE light source and CFBG reflection spectrum, was quantitatively established for the first time. The CFBG length could be calculated by the theoretical relation between it and the CFBG reflection spectrum line-width, which was measured experimentally. The constant of the CFBG sensor was fitted by the experimental data. The side detonation-wave velocity of RDX/TNT (60/40) was measured with 3.4% error compared to the publication value.

mechanics of explosion; chirped fiber Bragg grating sensor; reflection spectrum; detonation velocity; ASE light source

10.11883/1001-1455(2015)02-0191-06

2013-06-28；

2013-11-19

中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(2011B0401008)

邓向阳(1975— )，男，硕士，副研究员,dxycaep@126.com。

O381;O436.1 国标学科代码： 1303510

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