測量炸藥旁側(cè)爆轟波速度的啁啾光纖布拉格光柵傳感器技術*

鄧向陽,劉壽先,彭其先,李澤仁,陳光華,蒙建華

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

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測量炸藥旁側(cè)爆轟波速度的啁啾光纖布拉格光柵傳感器技術*

鄧向陽,劉壽先,彭其先,李澤仁,陳光華,蒙建華

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

提出了一種適用于啁啾光纖布拉格光柵CFBG(chirped fiber Bragg grating)傳感器測量爆轟波速度的實驗公式，該公式考慮了ASE(amplified spontaneous emission)光源的光譜、CFBG的平坦度對測量的影響；研究了CFBG的反射譜線寬與長度的理論關系，并設計了測量CFBG反射譜線寬的實驗裝置，從而可計算出CFBG長度。搭建了測量CFBG傳感器系統(tǒng)常數(shù)的實驗裝置，并利用實驗數(shù)據(jù)擬合了系統(tǒng)常數(shù)；用CFBG傳感器測量了RDX/TNT(60/40)的旁側(cè)爆轟波速度，與其爆速有3.4%的差異。

爆炸力學；啁啾光纖布拉格光柵傳感器；反射譜；爆轟波速度；ASE光源

爆轟波速度作為炸藥特性參數(shù)之一，對流體動力學計算程序定標[1]、化學動態(tài)燃燒模型[2]、火箭推進劑研究[3]、炸藥的燃燒-爆轟過程研究[4]和不同炸藥界面爆轟特性研究[5]具有重要的意義。此外，沖擊波速度作為材料的動高壓關鍵參數(shù)之一，對研究沖擊波的傳播規(guī)律、材料的動高壓特性具有重要的作用[6]。

傳統(tǒng)連續(xù)測量爆轟波/沖擊波速度的方法為微波干涉法，利用從爆轟波陣面或沖擊波陣面返回的信號與參考信號疊加，形成拍頻信號，處理該拍頻信號可得到爆轟波/沖擊波的連續(xù)速度歷史。該方法具有以下不足[7]：(1)僅適用于線性波導中的爆轟波/沖擊波速度測量；(2)不能用于金屬材料和某些液體材料中爆轟波/沖擊波速度測量；(3)微波的焦斑尺寸較大(10 mm左右)，對材料中爆轟波/沖擊波速度測量有較大的影響。近10年來，利用多普勒效應發(fā)展了連續(xù)測量沖擊波速度的FP和PDV技術，但設備昂貴、很難測量超高速。光纖光柵作為最近20年發(fā)展最迅速的光纖無源器件之一，在傳感器領域中具有十分廣泛的應用，如應變、溫度、壓力、超聲波、加速度、磁場和速度等的測量。啁啾光纖布拉格光柵(chirped fiber Bragg grating，CFBG)傳感器利用爆轟波/沖擊波作用在CFBG上，使光纖光柵的長度減小，使返回信號光幅度減弱的效應測量爆轟波/沖擊波的連續(xù)速度。該方法具有以下的優(yōu)點：(1)CFBG的直徑約125 μm，可實現(xiàn)“原位”爆轟波/沖擊波速度的連續(xù)測量；(2)具有抗電磁干擾能力強的優(yōu)點；(3)可連續(xù)測量不同炸藥、材料界面的爆轟波/沖擊波的速度變化；(4)適用于任何炸藥、材料中爆轟波/沖擊波速度的連續(xù)測量。

E.Udd等[8]率先用CFBG傳感器連續(xù)測量沖擊波速度，并申請了發(fā)明專利；J.Benterous等[9]用CFBG傳感器連續(xù)測量電爆炸橋絲在水中產(chǎn)生沖擊波的速度；E.Udd等[10]用CFBG傳感器測量Nitromethane材料中爆轟波的傳播速度；J.Benterous等[11]用CFBG傳感器測量PBX 9502 炸藥爆轟波速度。E.Udd等[12-14]用CFBG傳感器測量C-3 detasheet塑形炸藥表面爆轟波速度。在我國，目前主要開展了低響應速度下應變、溫度、壓力和磁場等[15-17]測量技術研究，尚無用CFBG傳感器連續(xù)測量爆轟波/沖擊波速度的報導。

本文中，提出一種適用于CFBG傳感器測量爆轟波速度的實驗公式，該公式包含ASE光源和CFBG反射譜的平坦度對速度測量的影響；研究CFBG的反射譜線寬與長度的理論關系，設計測量CFBG反射譜線寬的實驗裝置，可計算出CFBG長度。搭建測量CFBG傳感器的系統(tǒng)常數(shù)的實驗裝置，并利用實驗數(shù)據(jù)擬合系統(tǒng)常數(shù)；測量RDX/TNT(60/40)的旁側(cè)爆轟波速度，驗證CFBG傳感器的有效性。

1 測量原理

圖1給出了測量炸藥爆轟波的CFBG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，ASE光源輻射出的光束，經(jīng)3端口光循環(huán)器的1端口，到2端口，進入CFBG。滿足布拉格反射條件的部分光被反射回來，經(jīng)3端口光循環(huán)器的2端口到3端口，進入快響應探測器，被轉(zhuǎn)換成電信號，并由數(shù)字示波器完成記錄。

圖1 CFBG傳感器測量爆轟波速度的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Chirped fiber Bragg grating detonation velocity sensor system block diagram

測量爆轟波速度的CFBG傳感器有一個假設：CFBG埋在炸藥內(nèi)，由于它的芯徑很小，一般約125 μm，對炸藥內(nèi)爆轟波速度的影響可忽略不計，因此可認為CFBG測量的爆轟波速度即為炸藥的爆轟波速度。當爆轟波在CFBG中傳播時，CFBG的周期結(jié)構(gòu)會逐步被破壞，造成CFBG的長度變短。

對于CFBG傳感器而言，數(shù)字示波器記錄的信號與CFBG的長度有線性關系[14]，因此可由數(shù)字示波器記錄的信號計算爆轟波速度。

(1)

(2)

(3)

對式(1)進行有效變換：

(4)

(5)

式中：A、B為常數(shù)，與CFBG的長度、有效折射率、折射率調(diào)制深度和啁啾系數(shù)有密切的關系。

(6)

式中：L0為CFBG的初始長度。

2 CFBG傳感器的標定

由測量原理，獲得爆轟波/沖擊波的速度，需要先獲得常數(shù)L0、A和B。

(7)

(8)

式中：Λ0為CFBG的起始位置的長度周期，C為CFBG的啁啾率，n0為光纖光柵纖芯的平均折射率，Δn為折射率調(diào)制，一般為10-4量級。

CFBG的中心反射波長與長度周期有關系：

(9)

對于非變跡CFBG，線寬為[12]：

(10)

式中：zmax表示CFBG的末端位置，zmin表示CFBG的末端位置。

對于長度為L的CFBG，將式(7)～(9)代入式(10)，可得：

Δλ=2neffCL

(11)

由式(11)，只需要測量CFBG的反射譜線，就可計算出光纖光柵的長度。

圖2為測量CFBG的反射譜線寬的布局示意圖。ASE寬光譜光源輻射出的光束經(jīng)3端口光循環(huán)器的1端口，到2端口，進入CFBG。從CFBG返回來的部分光經(jīng)3端口光循環(huán)器的2端口到3端口，并傳入光譜儀進行光譜記錄。

圖2 CFBG的反射譜線寬測量示意圖Fig.2 Configuration for measuringreflection spectrum of CFBG

圖3 CFBG的反射譜Fig.3 Reflection spectrum of CFBG

圖3給出了光譜儀測量的CFBG的反射譜，其3 dB線寬為28.5 nm。CFBG的參數(shù)為：標稱長度為20 mm，纖芯的有效折射率為1.446，啁啾系數(shù)為5×10-7，將這些值代入式(11)，可計算出CFBG的長度為19.7 mm。

圖4給出了CFBG傳感器的常數(shù)A和B的測量布局圖。ASE寬光譜光源輻射出的光束經(jīng)3端口光循環(huán)器的1端口，到2端口，進入CFBG。從CFBG的末端位置開始，按一定的步長對CFBG進行切割。CFBG返回來的部分光經(jīng)3端口光循環(huán)器的2端口到3端口，并傳入快探測器進行光信號記錄。

切割CFBG的方法很多[14]，本文中采用一種簡單、有效地方法：將CFBG固定在螺旋微調(diào)架上，可用螺旋調(diào)扭對切割步長進行調(diào)節(jié)。切割步長為1 mm，相關的數(shù)據(jù)見圖5，對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得到：A=0.017，B=0.054 mm-1。

圖4 標定CFBG傳感器常數(shù)的實驗布局圖Fig.4 Configuration for calibrating the constants of CFBG sensor

圖5 歸一化信號與CFBG長度的關系Fig.5 Normalied signals vs CFBG length

3 炸藥的旁側(cè)爆轟波速度測量

圖6 旁側(cè)爆轟波速度測量的布局示意圖Fig.6 Configuration for measuring side detonation velocity

用CFBG傳感器測量炸藥的旁側(cè)爆轟波速度的實驗布局如圖6所示，雷管引爆傳播藥柱，CFBG緊貼在傳播藥柱傍邊。傳爆藥柱為RDX/TNT(60/40)，其密度為1.684 mg/cm3，爆速(傳爆藥柱內(nèi)的速度)為7.786 mm/μs。圖7為CFBG傳感器的原始信號。

圖8給出了RDX/TNT(60/40)的旁側(cè)爆轟波的位移曲線，其平均速度為7.52 mm/μs，與爆速7.786 mm/μs有3.4%的差異。該差異主要來源于兩部分：(1)CFBG傳感器的測量精度。CFBG傳感器的測量精度主要受限于CFBG長度的測量、系統(tǒng)常數(shù)A和B的標定精度和CFBG的“尾端”效應等因素[11]，大量對比實驗驗證CFBG傳感器的測量精度介于1%～2%[10～14]；(2)炸藥的旁側(cè)爆轟波速度比炸藥內(nèi)部爆轟波速度低。相關實驗已證實該關系，但目前無相關的定量關系報導，需要進一步開展研究工作。

CFBG傳感器實際得到的是爆轟波的位移曲線，從理論上講，只需要微分就可以得到爆轟波的速度曲線，但由于實驗數(shù)據(jù)存在一定的噪聲，對微分帶來了很大的影響，使爆轟波速度曲線的品質(zhì)不盡人意。盡管開展了很多微分運算的方法研究，但目前仍然沒有取得實質(zhì)上的進展。因此，目前CFBG傳感器給出的都是爆轟波的位移歷史。

圖7 實驗信號Fig.7 Experimental signal

圖8 位移曲線Fig.8 Displacement curve

4 結(jié) 論

針對測量爆轟波速度的CFBG傳感器，提出了一種實驗公式，與CFBG的長度、系統(tǒng)常數(shù)A和B有密切關系，該公式考慮了寬光譜光源的光譜、CFBG反射譜的不平坦度對測量的影響，提高了CFBG傳感器的測量精度。研究了CFBG的反射譜線寬與CFBG長度的理論關系，搭建了測量CFBG反射譜線寬的實驗裝置，實現(xiàn)了從CFBG反射譜線寬計算出CFBG長度。搭建了可測量系統(tǒng)常數(shù)A和B的實驗裝置，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出了A和B。用CFBG傳感器測量了RDX/TNT(60/40)傳爆藥柱的旁側(cè)爆轟波速度，與RDX/TNT(60/40)傳爆藥柱爆速有3.4%的差異，差異的來源有兩部分，一部分為CFBG傳感器的自身測量精度，另一部分為RDX/TNT(60/40)傳爆藥柱的旁側(cè)爆轟波速度與其體內(nèi)爆轟波速度存在差異。

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(責任編輯 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

中國工程物理研究院科學技術發(fā)展基金項目(2011B0401008)

鄧向陽(1975— )，男，碩士，副研究員,dxycaep@126.com。

O381;O436.1 國標學科代碼： 1303510

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