一种F-P光纤爆炸压力传感器设计

陈 显，余尚江，周会娟，陈晋央

(1.军委后勤保障部 工程兵科研三所，河南 洛阳 471023;2.河南省特种防护材料重点实验室，河南 洛阳471000)

0 引 言

爆炸条件下相关参数的测量一直是爆炸研究和应用中十分重要的问题，但由于爆炸环境的恶劣性以及复杂性，目前，对于爆炸压力尤其是近爆区内的压力测量仍未很好地解决。目前，可用于爆炸近区压力测量的传感器不仅可选择的种类少，而且存在抗干扰能力差、适应场合少等缺点。光纤法布里—珀罗(Fabry-Perot，F-P)传感器以其结构简单、体积小、灵敏度高、时间响应快、单光纤信号传输等优点受到普遍关注，光纤F-P传感器应用最广泛的场合是测量应变、温度和压力，其中,光纤式压力传感器大都应用于静态压力及工业中的低频压力波动测量，对于爆炸条件下的高频响和大压力的测量，还没有开展针对性的研究，也没有相关产品，因此，需要从传感器的结构、动态响应能力等方面开展光纤压力传感器的研究[1～10]。

为此，基于F-P原理，本文设计了一种可用于大压力测量的爆炸压力传感器，即支撑式结构的光纤F-P传感器。

1 传感器封装结构

传感器F-P腔结构如图1所示，由2个镀膜的陶瓷插芯端面构成，图中上部的陶瓷插芯由插芯托柄固定封装于支撑圆柱体上，其端面镀有反射率约为30 %的介质膜作为F-P的一个反射面，下部的陶瓷插芯内有光纤，其上光纤端面镀有反射率约为8 %的介质膜。当支撑圆柱受到压力作用压缩变形时，两陶瓷插芯端面形成的F-P腔腔长变小，即被测外界压力引起了F-P腔腔长的变化。

图1 支撑式F-P传感器原理

支撑式光纤F-P传感器整体结构和实物如图2所示。传感器主要由膜片体、陶瓷插芯、支撑圆柱、导向定位杆、保护杆及固定接头等部分组成。

图2 支撑式光纤F-P传感器

2 光纤F-P传感器的解调

传感器采用三波长解调法进行解调[11，12]。如图3，3个波长分别为λ1，λ2，λ3的激光光源经3×3耦合器混合后，由光环行器进入光纤F-P传感器，传感器返回光经光滤波器后又分为3路波长为λ1，λ2，λ3的光，3路光经光电管检测转换为电压由数据采集系统采集后进行处理。

对于低反射率的光纤F-P传感器，传感器返回光的强度I可近似

I=kI0(1+Vcosφ)

(1)

式中I0为输入光强;k为F-P腔平均反射率;V为F-P腔干涉可见度;φ为F-P腔的相位，φ=4πnl/λ。

图3 三波长解调方案

对于腔长为l的传感器，可任选三路波长分别为λ1,λ2,λ3的光，则传感器对三路光的输出之间的相位差为δ1,δ2。传感器输出的三路光经光电转换后的电信号为

(2)

可得

(3)

由此可见，根据测得的三路信号，可解调出相位φ，从而可得到传感器的腔长

l=λ1φ/(4πn)

(4)

3 传感器静态性能测试

一般静态校准试验采用活塞压力计作为压力的产生装置，以标准压力传感器作为压力的指示仪器，其输出的标准压力可由表头显示，并可输出对应的电压值。光纤F-P压力传感器的输出由研制的光纤F-P传感器三波长解调仪转换、记录和解调。静态校准试验装置如图4所示。

图4 静态校准试验装置

考虑逐点加载校准耗时费力，本文采用连续加卸载的方法进行传感器的校准。具体方法为：1)根据光纤F-P压力传感器的量程，由活塞压力计连续加载至最大压力值；2)连续卸载回零。标准压力传感器和光纤F-P压力传感器同时对压力响应，标准压力传感器的输出和光纤F-P压力传感器经三波长变换后的输出由存储测试仪采集后存储；3)对存储的数据采用三波长法进行解调。

校准过程为：1)传感器输出的三路光经光/电转换和放大后输出三路电压信号；2)记录三路信号后对其进行正弦拟合，得到每路信号的幅度、相位信息；3)对信号进行幅度和零位调整。调整后的电压如图5所示,加载时传感器输出如图6所示。

图5 传感器调整后的三路输出电压

图6 加载时传感器输出

利用三路电压信号采用三波长法建立的解调输出φ与压力p之间的关系曲线如图7所示。

图7 传感器解调输出

可以看出:解调输出与压力之间存在较好的线性关系，无论是加载过程还是卸载过程，传感器的灵敏度差异极小，且几乎一致，说明传感器本身稳定性较好，具有较好的重复性，几乎不存在迟滞。

4 传感器动态性能试验

动态性能试验采用Φ100 mm激波管动态压力校准装置产生阶跃压力，传感器安装于激波管尾部端面，测量激波在断面上产生的反射压力，如图8。

图8 光纤F-P传感器动态校准装置

传感器在阶跃压力作用下解调后的输出如图9所示。

图9 光纤F-P传感器阶跃响应

根据对测试结果的分析，研制的传感器的阶跃响应上升时间小于2 μs，固有频率大于100 kHz。

5 爆炸压力测试

为检验传感器的性能，进行了野外爆炸试验。将传感器安装于钢板的背面，炸药吊装于钢板的正上方，离钢板一定距离爆炸，传感器测量爆炸冲击波作用于钢板上的反射压力，如图10。

图10 爆炸压力测试

在不同药量和不同炸高下进行了多炮次爆炸试验，测得的典型波形如图11。

图11 传感器爆炸测试波形

通常认为，炸药爆炸后，爆轰产物停止膨胀往回运动时，会在脉冲的下降段末端产生负压。测量波形表明，该传感器测量结果不受电磁干扰，波形较为平滑，能准确反映爆炸正压和负压作用过程。

6 结 论

1)基于F-P原理研制了一种支撑式爆炸动压传感器，设计了其膜片结构和封装结构，量程50～500 MPa；

2)采用三波长法对F-P信号进行解调，通过试验证明解调方法可行；

3)静态加载试验、动态加载试验及爆炸试验表明：研制的F-P压力传感器线性度较好，回程误差小，不受爆炸感生电磁干扰影响，测量波形平滑，是进行爆炸动压测量的理想传感器。

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