光纖探針應(yīng)用于爆速測試實驗研究

趙生偉，王長利，李 迅，劉曉新，丁 洋，吳玉蛟

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024）

引言

目前，光纖作為傳感器被廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、壓力、溫度、速度的測定。在炸藥的爆轟過程中，爆轟波陣面由沖擊波陣面和隨后的化學(xué)反應(yīng)陣面組成；光纖探針能夠記錄整個爆轟過程中的光信號［1－2］，不僅能夠測定炸藥爆速，也能夠根據(jù)光信號分析爆轟狀態(tài)，尤其是對混合炸藥。因此，將光纖探針用于炸藥爆轟實驗有益于爆轟過程的深入研究。

1 實驗原理及方法

光纖系統(tǒng)由石英光纖探針、光電二極管、放大器和記錄系統(tǒng)組成。其工作原理：光纖探針采集反應(yīng)陣面上的光信號，通過光電二極管管將光電信號轉(zhuǎn)換為電信號，由記錄系統(tǒng)將這些有時序的脈沖信號記錄下來。系統(tǒng)原理示意及實物見圖1。

圖1 光纖測速系統(tǒng)示意及實物圖Fig.1 Sketch and photogragh of fiber probe system used for measuring velocity

1.1 炸藥爆轟速度測定實驗

將光纖探針埋設(shè)于炸藥中，測定其爆轟速度。光纖為直徑0.063 5mm的玻璃光纖，頭部為聚光準(zhǔn)直凸透鏡。炸藥為Φ40mm×100mm的圓柱形，熔鑄于鋼制模具內(nèi)，質(zhì)量約220g，類型為熔鑄型THL炸藥和B炸藥。光纖探針沿橫截面方向布設(shè)，探針間距固定，根據(jù)炸藥爆轟后測定的光信號，確定光信號間的時間差，從而計算爆轟波陣面?zhèn)鞑ニ俣?。實驗原理示意見圖2。

圖2 炸藥爆轟光纖測速實驗原理示意圖Fig.2 Sketch of fiber probe used in detonation experiment

1.2 沖擊作用下光纖響應(yīng)實驗

將光纖探針埋設(shè)于模擬炸藥中，分析光纖僅在沖擊波作用下的響應(yīng)，模擬炸藥成份為軟質(zhì)鈍感材料，在沖擊作用下不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。光纖為直徑1mm的塑料光纖，頭部無準(zhǔn)直透鏡。實驗布設(shè)示意及實物見圖3，一端為THL炸藥，另一端為模擬炸藥，尺寸都為Φ40mm×100mm的圓柱形，熔鑄于鋼制模具內(nèi)，質(zhì)量約220g。THL炸藥和模擬炸藥之間以連接件聯(lián)接，間隔以5mm厚的鋼板。沖擊波經(jīng)過連接件透射至模擬炸藥內(nèi)，同時作用于光纖探針。根據(jù)示波器記錄的光纖信號，分析無化學(xué)反應(yīng)影響，僅在高壓沖擊波作用下光纖的響應(yīng)。

圖3 沖擊作用下光纖響應(yīng)實驗布設(shè)示意和實物圖Fig.3 Sketch and photograph of fiber probe used in shock experiment

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 炸藥爆轟實驗

共實施炸藥爆轟實驗4次，其中熔鑄THL炸藥3次，熔鑄B炸藥1次。光纖探針實測獲得THL炸藥和B炸藥中爆轟波陣面?zhèn)鞑ブ撂结樜恢锰幍墓庑盘柌ㄐ?，根?jù)探針間距和波形時間差計算可得爆轟波速。實驗參數(shù)和實測波速數(shù)據(jù)見表1，典型光纖實測數(shù)據(jù)見表2，實測光纖探針信號見圖4。

表1 實驗參數(shù)及實測波速數(shù)據(jù)Table 1 Experimental parameter and data of detonation wave

表2 典型光纖測速數(shù)據(jù)Table 2 Typical data of fiber probe

圖4 光纖探針實測波形Fig.4 Typical measured history curve of fiber probe

從圖4可以看出，炸藥中各位置光纖探針記錄的光信號形狀基本一致。說明炸藥爆轟狀態(tài)穩(wěn)定，且光纖探針能夠可靠響應(yīng)，記錄爆轟過程中的光信號。

實驗中使用的熔鑄型THL炸藥的參考波速為7 074m／s，熔鑄型B炸藥的參考波速為7 636m／s［3－15］。將實測波速與參考波速相比較，可以看出，不確定度≤2%；將光纖實測距離、時間數(shù)據(jù)擬合曲線與參考波速曲線比較，可以看出兩者吻合一致性較高（如圖5）。因此，采用直徑為0.063 5 mm帶準(zhǔn)直透鏡的玻璃光纖探針，能夠準(zhǔn)確測定炸藥爆轟波傳播速度，測量不確定度≤2%。

圖5 實測波速擬合與參考波速曲線比較圖Fig.5 Comparison of wave velocity between measured and referenced

2.2 沖擊作用下光纖響應(yīng)實驗

實施沖擊作用下光纖響應(yīng)實驗1次，炸藥為熔鑄THL炸藥。光纖探針實測獲得THL炸藥中爆轟波陣面和模擬炸藥中沖擊波陣面?zhèn)鞑ブ撂结樜恢锰幍墓庑盘柌ㄐ危⒏鶕?jù)探針間距和波形時間差計算可得爆轟波速。實測光纖探針信號見圖6，實驗參數(shù)和實測波速數(shù)據(jù)見表3。

表3 光纖測速數(shù)據(jù)Table 3 Data of fiber probe

圖6 光纖探針實測波形Fig.6 Measured history curve of fiber probe

從圖6光纖實測波形可以看出，埋設(shè)在THL炸藥中光纖探針Fiber1～Fiber3，記錄的光信號形狀基本一致；同樣說明炸藥爆轟狀態(tài)穩(wěn)定，且光纖探針能夠可靠響應(yīng)。比較THL炸藥的參考波速和表中光纖實測波速，不確定度約為0.8%。因此，采用直徑為1mm、無準(zhǔn)直透鏡的塑料光纖探針，也能夠準(zhǔn)確測定炸藥爆轟波傳播速度。

從圖6中還可以看出：1）埋設(shè)在模擬炸藥中的光纖探針Fiber4～Fiber6都記錄到了光信號；2）從Fiber4至Fiber6，信號幅值逐漸降低，信號形狀也不一致。上述2點說明：1）雖然鈍感材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但在爆轟產(chǎn)生的強沖擊波作用下，壓力驟增伴隨溫度升高，出現(xiàn)“色溫”現(xiàn)象，即黑體輻射現(xiàn)象［16］；2）沖擊波在鈍感材料中傳播，強度逐漸減弱，壓力也隨之降低，符合強沖擊波在軟質(zhì)材料中的傳播規(guī)律。

3 結(jié)論

炸藥爆轟時，爆轟波陣面由化學(xué)反應(yīng)陣面和沖擊波陣面組成，光纖探針記錄化學(xué)反應(yīng)陣面光信號，能夠準(zhǔn)確確定炸藥爆速。采用直徑為0.063 5 mm的玻璃光纖和直徑為1mm的塑料光纖，無論頭部是否加裝聚光準(zhǔn)直凸透鏡，都能準(zhǔn)確測定炸藥爆轟化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣?，不確定度≤2%。

另外，在無化學(xué)反應(yīng)的強沖擊波作用下，光纖探針記錄的光信號反映了黑體輻射的“色溫”現(xiàn)象，即在高壓和隨之的高溫條件下，黑體材料發(fā)出的光與某可見光源相同；且隨著壓力降低，光纖信號幅值也降低。因此，可以考慮標(biāo)定沖擊波壓力幅值與光纖信號幅值之間的關(guān)系，從而使用光纖測定沖擊波壓力。

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