陈　显， 徐　芬， 余尚江， 杨吉祥

(1.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023；2.中国空气动力研究发展中心，四川 绵阳 621000)

基于F-P原理的非本征型光纤爆炸动压传感器设计

陈显1， 徐芬2， 余尚江1， 杨吉祥1

(1.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023；2.中国空气动力研究发展中心，四川 绵阳 621000)

摘要:设计了一种非本征型光纤法布里—珀罗(F—P)爆炸压力传感器，传感器采用膜片式结构,采用三波长法对F—P信号进行解调。压力加载试验表明，研制的F—P压力传感器线性度较好，具有较高的频响特性，在实际的爆炸测试中不受电磁干扰影响，可用于爆炸动压测量。

关键词：非本征光纤； 法布里—珀罗； 压力传感器； 爆炸测量

0引言

自20世纪70年代以来,光纤传感器伴随着低损耗光纤的诞生和光纤通信技术的进步而迅猛发展[1,2]。根据光纤在传感器中起到的作用，光纤法布里—珀罗(Fabry—Perot,F—P)传感器可分为本征型和非本征型光纤传感器。本征型F—P传感器中，两反射面之间的干涉腔由单模光纤构成；非本征型光纤F—P传感器中，干涉腔由空气或其它非光纤的固体介质构成。

自1991年，Murphy A等人[3]首次成功实现了基于光纤非本征型法布里—珀罗干涉(extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric，EFPI)腔结构的光纤传感器件以来，由于非本征型光纤F—P传感器具有易于减小参量间的交叉敏感、便于调整灵敏度和动态范围等优点，这种结构的EFPI光纤应变传感器得到了快速发展[4～9]。

爆炸环境下的动压测量由于压力大、频率高、易产生爆炸感生电磁干扰，一直是测试技术的一大难点。为此，本文设计了一种光纤F—P压力传感器，并用于现场试验。

1传感器封装结构

基于EFPI光纤传感器的实用障碍主要在于难以制作高质量的微小非本征光纤F—P腔。在已有的报导中，大部分是通过空心管或空心光纤来准直入射光纤与反射光纤形成F—P腔，但由于光纤的外径为125 μm，空心管的内径在130～140 μm之间，两者相差小，插入非常困难。制作的难点是:在将光纤插入空心管的过程中，光纤端面非常容易和空心管的端口接触，这样就会破坏光纤端面，即使光纤插入空心管中，两光纤端面也无法保证原有的平整度，也就无法保证光在两光纤端面之间的反射的正常进行。这种制作方式制作速度和成功率较低。

为解决F—P腔的制作难题，采用如图1所示的弹性膜片与光纤端面形成F—P腔的结构形式。

图1　F—P腔原理示意图Fig 1　Principle of F—P cavity

设计的光纤压力传感器结构如图2所示。传感器主要由F—P腔结构和安装壳体结构，采用螺纹后端面密封。F—P腔结构包括敏感膜片体、固定螺杆、导向定位毛细管和光纤；安装壳体结构为M12×1的螺纹壳体，在螺纹的后部设置端面，端面上开环形槽放置密封垫以便在校准和使用时传感器的密封。固定接头用于固定光纤护套。

图2　传感器结构图Fig 2　Structure of sensor

2光纤F—P传感器的解调

本传感器采用三波长解调法进行解调[10,11]。三个波长分别为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三路波长为λ1，λ2，λ3的光，三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，如图3。

对于低反射率的光纤F—P传感器，传感器返回光的强度I可近似由下式的余弦函数表示

I=kI0(1+Vcosφ)

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，且φ=4πn/λ。

图3　三波长解调方案Fig 3　Three-wavelength demodulation scheme

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

(1)

联立上式，可得

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)。

3传感器静态性能测试

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　静态校准试验装置示意图Fig 4　Diagram of static calibration experimental device

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5所示。

图5　传感器的解调输出Fig 5　Demodulation output of sensor

拟合相关系数为0.999 61，由拟合曲线求得此传感器的最大线性度误差为δL=0.6 %。

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。

传感器在阶跃压力作用下解调后的输出如图6所示。

图6　光纤F—P传感器阶跃响应Fig 6　Step response of fiber-optic F—P sensor

根据对测试结果分析可知，传感器的阶跃响应上升时间小于2 μs(量程为5 MPa时)，固有频率大于200 kHz(量程为5 MPa时)。

5爆炸压力测试

为检验该传感器的性能，进行了野外爆炸试验，对其性能进行测试。将传感器安装于钢板的背面，炸药吊装位于钢板的正上方，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。

试验在不同药量和不同炸高下进行了多炮次爆炸，测得的典型波形如图7。

图7　传感器爆炸测试波形Fig 7　Waveform of sensor in explosion test

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)本文基于F—P原理研制了一种非本征型的爆炸动压传感器，设计了其膜片结构和封装结构；2)采用三波长法对F—P信号进行解调，通过实验证明该解调方法是可行的；3)静态加载试验，动态加载试验和现场爆炸测试表明，研制的F—P压力传感器线性度较好，不受爆炸感生电磁干扰影响，测量波形平滑，可用于爆炸动压测量。

参考文献:

[1]侯俊芳,裴丽,李卓轩,等.光纤传感技术的研究进展及应用[J].光电技术应用,2012,27(1):49-52.

[2]陈慧,姚建铨,陈曦.光纤气体传感器及其组网技术综述[J].传感器与微系统,2013,32(9):9-11,24.

[3]Murphy K A,Gunther M F,Vengsarkar A M,et al.Quadrature phase-shifted extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J].Op-

tics Letters,1991,16(4):273-275.

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Design of extrinsic optical fiber explosion dynamic pressure sensor based on Fabry-Perot principle

CHEN Xian1, XU Fen2, YU Shang-jiang1， YANG Ji-xiang1

(1.The third Academy of Engineer General Staff,Luoyang 471023,China;2.China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)

Abstract:An extrinsic fiber Fabry-Perot(F-P)explosion pressure sensor is designed,which has diaphragm type structure and F-P signal is demodulated with three-wavelength method.Pressure load experiments prove that the developed F-P pressure sensor has good linearity and high frequency response,and will not be influenced by electromagnetic interference,so it is able to be used in measurement of dynamic pressure of explosion.

Key words:extrinsic fiber; Fabry-Perot(F-P); pressure sensor; explosion measurement

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0076—03

收稿日期：2015—08—08

中图分类号：TP 212

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0076—03

作者简介:

陈显(1983-),男,湖北天门人,硕士,助理研究员,研究方向为存储测试技术。